Comprendre Matière et interaction TP: Champs et forces

N

OTION DE CHAMP

I ) NOTION DE CHAMP EN SCIENCES PHYSIQUES

I.a) Champs scalaires et vectoriels

En physique, un champ est la représentation d'un ensemble de valeurs prises d’une grandeur physique en différents points d'une région de l'espace.

Utiliser les exemples N° 1 et N°2 du doc

N°

1 de l’annexe

 Quelles sont les grandeurs mentionnées sur les deux cartes ci-dessus ?  S’agit – il de grandeur scalaire ou vectorielle ?  De quel type de champ s’agit-il ?

Utiliser les exemples N° 3 et N°4 du doc N°1 de l’annexe

 Quelles sont les grandeurs mentionnées sur les deux cartes ci-dessus ?  S’agit – il de grandeur scalaire ou vectorielle ?  De quel type de champ s’agit-il ?

Lorsque la grandeur étudiée est scalaire, on parle de champ scalaire, lorsque la grandeur étudiée est vectorielle, on parle de champ vectoriel.

I.C) Représentation des champs

Cartographie des champs

Pour représenter un champ scalaire, les physiciens font figurer sur un plan (de la zone étudiée) les valeurs de la grandeur mesurée en différents points. Pour représenter un champ vectoriel, les physiciens font figurer sur un plan les vecteurs correspondant à la grandeur mesurée en différents points.

Courbes de niveaux ou équipotentielles

Les courbes de niveau d'un champ, appelées aussi équipotentielles, sont les courbes obtenues en reliant tous les points où la grandeur étudiée a la même valeur.

Exemple

Sur les cartes de randonnée, les points ayant la même altitude sont reliés par des courbes de niveaux (Doc N°2 en annexe).  Commenter la carte de randonnée du bassin vital . Après avoir repéré les lignes de niveaux : 50 m ; 100 m ; 150 m et 250 m d’altitude, décrire une randonnée partant du point A au « Hangar »

Autre exemple :

Doc N°3 en annexe  Donner le nom et l’unité de la grandeur physique notée P dans la suite et correspondant aux valeurs numériques figurant sur les lignes de cette carte météo.  Que représentent les lignes dessinées sur cette carte météo et quel nom leur est ici donné ?  Donner la valeur de la variation de P entre deux lignes consécutives.  Que signifient les lettres D et A figurant sur cette carte ? Que dire de P en ces points particuliers ? LLP 1

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

Plus les variations de P se font sur de courtes distances et plus les vents sont forts dans la zone considérée

. Sans préjuger de la direction des vents, trouver une zone de vent fort et une zone de vent faible à l’aide de la carte météo.

II ) L E CHAMP DE PESANTEUR , CHAMP GRAVITATIONNEL

Champ gravitationnel il existe un champ de gravitation, en un point de l’espace, si une particule pourvue de masse et placée en ce point est soumise à une force de gravitation Champ de pesanteur ou champ de gravité Le

champ de pesanteur

est le champ qui s'exerce sur tout corps doté d'une masse au voisinage de la Terre ou d'une autre planète F : force gravitationnelle en N m : masse de l’objet en kg G en N/kg P : poids en N m :masse de l’objet en kg g en N/kg  Donner l’expression de la valeur de la force d’attraction gravitationnelle exercée par la Terre, F erre/objet , sur un objet de masse m objet situé à l’altitude z. On notera R T le rayon de la Terre et M T sa masse. En seconde, on a vu que, sur Terre, le poids d’un objet de masse m objet est donné par la formule : P objet = m objet .g avec P Objet : poids de l’objet, en N, m Objet : masse de l’objet, en kg, g : valeur du champ de pesanteur, en N.kg

-1 ou m.s

-2 .

Le poids d’un objet sur Terre est égal à la force d’attraction gravitationnelle exercée par la Terre sur lui.

 En déduire l’expression de g en fonction de G, M T , R T et z.  De quels facteurs dépend la valeur g du champ de pesanteur ? On va représenter le champ de pesanteur de la Terre. Il s’agit d’un champ vectoriel, représenté par dont les caractéristiques sont : - direction : droite reliant le centre de la Terre au point considéré, - sens : vers le centre de la Terre, - norme : en m.s

–2 ou N.kg

–1 , dépend de l’altitude z . L’échelle de distance est 1 cm représente 1000 km.   Prendre une feuille orientée en paysage. Représenter la Terre par un demi-cercle de centre O, en respectant l’échelle ci-dessus. Calculer g 2000 la valeur du champ de pesanteur pour un objet situé à l’altitude de 2000 km.  Calculer g 4000 pour un objet situé à l’altitude de 4000 km.  Calculer g 6000 pour un objet situé à l’altitude de 6000 km.

Données :

G = 6,7×10 -11 N.m².kg

-2 . M T = 6,0×10 24 kg R T = 6400 km L’échelle pour représenter le vecteur champ de pesanteur est : 1 cm représente 3 N.kg

-1 .  Sur le schéma, tracer le demi-cercle de centre O correspondant à une altitude de 2000 km.  Représenter, sur ce demi-cercle, plusieurs vecteurs champ de pesanteur g 2000  Même question pour une altitude de 4000 km.  Même question pour une altitude de 6000 km. On dit qu’un champ vectoriel est uniforme lorsque tous les vecteurs champ ont les mêmes caractéristiques.  Le champ de pesanteur terrestre est-il uniforme à l’altitude de 2000 km ? Justifier. LLP 2

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 Le champ de pesanteur peut-il être considéré comme uniforme dans une salle de classe. Justifier.  Sur le schéma précédent, tracer une ligne de champ.

III ) CHAMP ELECTRIQUE

 Sachant que l’échelle du dessin du document 7 est indiquée , préciser les distances : Antenne – point A : Antenne – point B : Antenne – point C :  A l’aide du graphique (doc 6), déterminer les valeurs du champ électrique aux points A, B et C (préciser l’unité). E(A) = E(B) = E(C) =  Placer les valeurs du champ électrique aux points A, B et C sur le dessin.  Quelle phrase semble la mieux adaptée à la notion de champ électrique ? « box » avec Wi-Fi. de téléphoner. n champ électrique, c’est l’antenne que l’on place sur les toits d’immeuble ou dans son salon. l’espace. LLP 3

Comprendre Doc N° 1 ) Matière et interaction TP: Champs et forces Annexe

http://m-r.li/mtofrbul/carte_observation_mf.php

LLP 4

Comprendre

E D

Matière et interaction TP: Champs et forces Doc N° 2 )

B C A

Doc N° 3 )

http://www.mtotec.com/ LLP 5

Comprendre Matière et interaction TP: Champs et forces Doc N° 4 ) Doc N° 5)

http://www.meteolamer.re/ LLP 6

Comprendre Matière et interaction TP: Champs et forces Doc N° 6)

Réseau Wi-Fi

Un réseau Wi-Fi permet de relier sans fil plusieurs appareils informatiques. Ces liaisons s’effectuent grâce à un champ électrique émis par une antenne. On donne ci-dessous le graphique représentant l’amplitude du champ électrique émis par une antenne Wi-Fi en fonction de la distance (en cm) à l’antenne. Dans un système de communication radiofréquence, la puissance iotrope rayonnée équivalente (PIRE) est définie dans la direction de l'antenne où la puissance émise est maximale (puissance qu'il faudrait appliquer à une antenne isotrope pour obtenir le même champ dans cette direction).

Doc N° 7)

Dessin d’un salon possédant une antenne Wi-Fi

LLP 7