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INTERACTIONS FONDAMENTALES - Leçon n° 2

 

Cette leçon comporte trois paragraphes.

Il y a quelques années les physiciens pensaient qu'il était nécessaire de faire appel à quatre types de forces pour expliquer la structure de l'Univers : interaction gravitationnelle, interaction électromagnétique, interaction faible et interaction forte (ces deux dernières agissant dans le noyau). Des théoriciens cherchant à réduire ce nombre (Théorie unitaire de l'Univers) ont réussi à ramener à trois ce nombre de forces.

Dans ce chapitre, nous allons parler, de façon simple, de ces trois types d'interaction.


1- INTERACTION GRAVITATIONNELLE


1-1 L'interaction gravitationnelle de Newton

Ce type d'interaction a déjà été abordée en classe de seconde.

C'est le physicien anglais Isaac Newton (1642-1727) qui, le premier, énonça la loi de la gravitation.

Loi de Newton : Deux objets ponctuels A et B, de masses MA et MB, séparés par une distance r, exercent l'un sur l'autre des forces attractives dirigées suivant la droite qui les joint et de même valeur :

FA = FB =

 - r est la distance qui sépare A et B.

- G est la constante de gravitation. G = 6,67 ´ 10 - 11 dans le système international d'unités (S.I.)

- Cette relation est encore vraie pour deux objets à répartition sphérique de masse. Elle permettra, en particulier, en classe de terminale S, d'expliquer le mouvement des planètes autour du Soleil ou des satellites autour de la Terre.

- Remarque : Sous forme vectorielle, on peut écrire :

ou est le vecteur unitaire dirigé de A vers B.

1-2 Distinction entre le poids d'un objet et la force d'attraction qu'exerce la Terre sur cet objet.

- On appelle poids d'un objet ponctuel, situé en un point M donné, la force s'opposant à la tension du fil qui maintient cet objet ponctuel au repos par rapport au solide Terre, pris comme référentiel.

Dans ce système de référence, le poids de l'objet ponctuel peut se mettre sous la forme :

= m est, par définition, le vecteur champ de pesanteur terrestre au point M considéré.

Remarque : Pour un objet de dimensions finies le montage devrait se trouver sous vide afin de s'affranchir de la poussée d'Archimède.

- On peut écrire :

= + +

- est le poids de l'objet.

- est la force d'attraction qu'exerce la terre sur cet objet.

- est la force due à l'attraction des astres autres que la terre (lune, soleil, etc.) sur cet objet.

- est la force due à la rotation de la terre.

- Dans les problèmes étudiés en terminale S on peut négliger et .

On confond alors le poids d'un objet et la force d'attraction de Newton qu'exerce la terre sur cet objet.

On écrit :

=

- Dans certains problèmes étudiés dans les classes post baccalauréat, on ne peut plus négliger et .

La force est responsable du phénomène des marées.

La force explique que la direction du fil à plomb ne passe pas exactement par le centre de la Terre.


2- INTERACTION ELECTRIQUE DE COULOMB


Ce n'est qu'un cas particulier de l'interaction électromagnétique, celui où les charges sont immobiles les unes par rapport aux autres. Le cas général ne sera abordé que plus tard dans les études.


2-1 Electrisation d'un corps

Au VII° siècle avant Jésus-Christ les grecs savaient déjà que l'ambre ("électron" en grec) frottée devenait capable d'attirer des corps légers.

On distingue l'électrisation par frottement, par contact et par influence.

- Electrisation par frottement

Une tige de verre frottée par de la laine peut attirer de petits morceaux de papier posés sur un bureau en bois.

On dit que le verre a été électrisé par frottement. Il est chargé d'électricité vitreuse ou "positive".

- Les deux types d'électricité

Une tige de verre frottée avec un chiffon en laine est placée sur un étrier suspendu à un fil.

Si on approche une deuxième tige de verre électrisée, la tige posée sur l'étrier est repoussée.

Si on approche une tige en PVC, préalablement frottée par un chiffon de laine, la tige de verre électrisée, placée sur l'étrier est maintenant attirée.

On dit qu'il existe deux types d'électricité : l'électricité type verre frotté (ou positive) et l'électricité type PVC frotté (ou négative).

Interprétation moderne : lorsqu'on frotte la tige de verre par un chiffon en laine, des électrons passent du verre sur la laine. La laine devient négative (excès de protons positifs par rapport aux électrons négatifs ).

Remarque : ce qualificatif de positif ou de négatif est arbitraire. Les électrons seront donc chargés d'électricité négative, les protons d'électricité positive.

L es charges de même signe se repoussent. Les charges de signe contraire s'attirent.

- Electrisation par influence

Approchons un bâton de PVC chargé négativement du plateau d'un électroscope.

Les électrons négatifs du bâton de PVC repoussent les électrons libres du plateau métallique vers le bas de l'électroscope. Le plateau devient positif alors que la feuille d'or et le bas de la tige métallique deviennent négatifs. La feille d'or est repoussée par le bas de la tige car ces deux parties sont négatives. Globalement l'électroscope est resté électriquement neutre.

Cette électrisation par influence cesse dès que l'on éloigne le bâton de PVC de l'électroscope.

- Electrisation par contact

Si, lors de l'expérience précédente, on frotte le plateau métallique avec le bâton de PVC négatif, des électrons passent définitivement du bâton de PVC sur l'électroscope. L'aiguille en or s'écarte de la verticale.

Cette électrisation par contact ne cesse pas lorsqu'on éloigne le bâton de PVC de l'électroscope.


2-2 La loi de Coulomb

C'est le physicien français Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) qui le premier énonça la loi suivante :

- Loi de Coulomb : Deux objets ponctuels A et B, séparés par une distance r et portant des charges qA et qB, exercent l'un sur l'autre des forces attractives (si qA et qB sont de signe contraire) ou répulsives (si qA et qB sont de même signe), dirigées suivant la droite qui les joint. Ces forces ont la même valeur :

avec k = 9 ´ 10 9 S.I. dans le vide ou dans l'air

Exemple 1 : Forces attractives car qA et qB sont de signe contraire

Exemple 2 :  Forces répulsives car qA et qB sont de même signe

...

- Remarque : Sous forme vectorielle, on peut écrire :

ou est le vecteur unitaire dirigé de A vers B.

3- INTERACTION FORTE

En classe de seconde nous avons vu que la matière était constituée de neutrons, de protons et d'électrons.

Particule

Charge

Masse

neutron

0

mn = 1,675 ´ 10 - 27 kg

proton

+ e

mp = 1,673 ´ 10 - 27 kg

électron

- e

me = 9,109 ´ 10 - 31 kg

La charge élémentaire est e = 1,603 ´ 10 - 19 Coulomb. Toute charge électrique est un multiple de cette charge élémentaire.

Nous allons maintenant revenir rapidement sur la constitution d'un atome.


3-1 LES ATOMES

Un atome est constitué d'un noyau central et d'un nuage électronique.

- Le noyau (dimension de l'ordre de 10 - 15 m)

Par exemple, l'atome de chlore le plus abondant dans la nature possède un noyau central contenant Z = 17 protons positifs et N = 18 neutrons. Le nombre de nucléons est donc A = Z + N = 17 + 18 = 35. On symbolise ce noyau par .

Z = 17 est également appelé le numéro atomique. C'est le numéro de la case du tableau périodique dans laquelle on trouve le chlore.

- L'atome. (dimension de l'ordre de 10 - 10 m)

Loin du noyau se trouve le nuage électronique. Un atome étant électriquement neutre possédera autant d'électrons négatifs dans le nuage électronique que de protons positifs dans le noyau.

L'atome de chlore possédant 17 protons positifs p + dans le noyau aura donc 17 électrons négatifs e - répartis sur trois couches (K)2, (L)8, (M)7, loin du noyau.

REGLE :

La couche n (entier) contient au maximum 2 ´ électrons.

La couche n = 1 (K)

contient au maximum

2 ´ 1² = 2 électrons.

La couche n = 2 (L)

contient au maximum

2 ´ 2² = 8 électrons.

La couche n = 3 (M)

contient au maximum

2 ´ 3² = 18 électrons.

La couche . . .

contient au maximum

. . .

- Quelques atomes :

Le modèle de Lewis d'un atome ne représente que la couche externe du nuage électronique.

Remarque : Tous les atomes de même numéro atomique Z ont le même nom et le même symbole : ils appartiennent au même élément. On les appelle des isotopes (voir l'étymologie du mot). C'est le cas des atomes et .

Un élément est donc caractérisé par son symbole et son numéro atomique Z..

- Lorsqu'on parle de l'Uranium 235, on peut retrouver :

- par le nom (voir le tableau périodique) le nombre de protons : Z = 92

- par l'indication 235 le nombre de nucléons A = 235

- par la relation A = Z + N le nombre de neutrons N = A - Z = 235 - 92 = 143


3-2 L'INTERACTION FORTE

A l'intérieur du noyau se trouvent des neutrons et des protons. D'après la loi de Coulomb les protons se repoussent et devraient faire éclater le noyau..

Si le noyau est stable, c'est qu'entre les nucléons qui le constituent s'exerce un nouveau type de force attractive : l'interaction forte.

L'interaction forte est aussi responsable des réactions nucléaires (réacteurs, bombes, étoiles comme le Soleil).

Cette interaction forte est de 100 à 1000 fois plus forte que la force électrique mais son rayon d'action est très petit, de l'ordre de 10 - 15 m (dimension du noyau).

C'est la plus intense des interactions connues.


4- INTERACTIONS ET COHESION DE LA MATIERE A DIVERSES ECHELLES

La cohésion de la matière est assurée par :

- l'interaction gravitationnelle à l'échelle astronomique.

- l'interaction électromagnétique à l'échelle des atomes et des molécules ou de la matière perçue par l'homme.

- l'interaction forte à l'échelle du noyau.


A VOIR :

Connaissances du cours de Physique 2

Problème résolu n° 2-A : Interaction Terre-Lune

Problème n° 2-B (à résoudre) : Atome d'hydrogène - Pendules électriques

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