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19/06/2019 1/2 09 LC Interactions et champs SPC 9 Interaction et champs Premièr

19/06/2019 1/2 09 LC Interactions et champs SPC 9 Interaction et champs Première Programme - B.O. spécial n°1 du 22 janvier 2019 Mouvement et interactions 1. Interactions fondamentales et introduction à la notion de champ La mécanique est un domaine très riche du point de vue de l'observation et de l'expérience, mais aussi du point de vue conceptuel et méthodologique. Elle permet d'illustrer de façon pertinente la démarche de modélisation. Deux caractéristiques inhérentes à l’apprentissage de la mécanique méritent d’être soulignées : - l'immédiateté et la familiarité des situations de mouvement et d'interactions qui ont permis d'ancrer chez les élèves des raisonnements spontanés souvent opératoires et donc à déconstruire ; - la nécessaire mise en place de savoirs et savoir-faire d’ordre mathématique dont la maîtrise conditionne l’accès aux finalités et concepts propres à la mécanique. Le programme de l’enseignement de spécialité de la classe de première complète les connaissances des élèves en lien avec des modèles d’interaction ; les interactions gravitationnelles et électrostatiques permettent aussi une première introduction à la notion de champ. La description d’un fluide au repos fournit l’occasion de décrire les actions exercées par un fluide. Enfin, dans la continuité du programme de la classe de seconde, un lien quantitatif entre la force appliquée à un système et la variation de sa vitesse est construit, d’abord à travers une formulation approchée de la deuxième loi de Newton, puis, dans la partie du programme dédiée au thème « Énergie : conversions et transferts », en adoptant un point de vue énergétique. Il ne s’agit nullement de proposer aux élèves une présentation décontextualisée de la mécanique. Au contraire, les situations d'étude ou d’application sont nombreuses dans des domaines aussi variés que les transports, l’aéronautique, l’exploration spatiale, la biophysique, le sport, la géophysique, la planétologie, l’astrophysique. Par ailleurs, l'étude de la mécanique fournit d'excellentes opportunités de faire référence à l’histoire des sciences. Le fait de montrer qu’un même ensemble de notions permet de traiter des situations et des phénomènes d’échelles très diverses constitue un objectif de formation à part entière. Lors des activités expérimentales, il est possible d’utiliser les outils courants de captation et de traitement d'images, ainsi que les nombreux capteurs présents dans les smartphones. L’activité de simulation peut également être mise à profit pour exploiter des modèles à des échelles d'espace ou de temps difficilement accessibles à l'expérimentation. Ce thème est l’occasion de développer des capacités de programmation, par exemple pour simuler et analyser le mouvement d'un système. Au-delà des problématiques liées à la mise en place d’un modèle, s’appuyant ici sur la deuxième loi de Newton, la mécanique permet d’illustrer la physique comme science de la description des systèmes matériels en évolution. Notions abordées en seconde Référentiel, vecteur position, vecteur vitesse, variation du vecteur-vitesse, exemples de forces, principe d'inertie. Charge électrique élémentaire. Notions et contenus Capacité exigibles Activités expérimentales support attendues Charge électrique, interaction électrostatique, influence électrostatique. Loi de Coulomb. Interpréter des expériences mettant en jeu l’interaction électrostatique. Utiliser la loi de Coulomb. Citer les analogies entre la loi de Coulomb et la loi d’interaction gravitationnelle. Force de gravitation et champ de gravitation. Force électrostatique et champ électrostatique. Utiliser les expressions vectorielles : - de la force de gravitation et du champ de gravitation ; - de la force électrostatique et du champ électrostatique. Caractériser localement une ligne de champ électrostatique ou de champ de gravitation. Illustrer l’interaction électrostatique. Cartographier un champ électrostatique. Exercices Les incontournables p.209 n° 26, 28, 29, 30, 31, 33, 34 S’entrainer p.210 n° 51 Canon à électrons Approfondir p.212 n° 60 Piège à ions 19/06/2019 2/2 09 LC Interactions et champs SPC 9 Interactions et champs Première 1 L’interaction électrostatique 1.1 Loi de Coulomb Deux charges électriques q1 et q2 exercent l'une sur l'autre des forces d'interaction opposées, d'intensité proportionnelle à leurs charges (coulomb) et inversement proportionnelle au carré de leur distance.  Deux charges de signes différents s’attirent.  Deux charges de même signe se repoussent. 1.2 Analogie avec l’interaction gravitationnelle Deux masses mA et mB exercent l’une sur l’autre des forces d’attraction directement opposées, d’intensité proportionnelle à leurs masses (kg) et inversement proportionnelle au carré de leur distance r = d(A,B). 2 Champs et lignes de champ 2.1 Notion de champ vectoriel Un champ vectoriel est une portion d’espace caractérisée en chacun des ses points par une grandeur vectorielle (point d’application, direction, sens, norme).  Les lignes de champ sont les courbes tangentes au vecteur champ en chacun de leurs points. Elles sont orientées comme le vecteur champ.  Un champ est uniforme lorsque son vecteur champ est identique en tous points. Ses lignes de champ sont parallèles. (dans l’espace entre les deux plaques d’un condensateur plan)  Un champ est radial lorsque ses lignes de champ convergent vers un point unique central. Son vecteur champ est soit centripète (dirigé vers le centre), ou centrifuge (dirigé vers l'extérieur). 2.2 Champ de gravitation Toute masse MA crée autour d’elle un champ de gravitation, noté g →, dirigé vers A. Ce vecteur champ est centripète. Une masse m d’essai placée en un point B de ce champ subit une force d’attraction gravitationnelle (poids). D’après la loi d’attraction universelle : FB → = - G MA × m r² u → = m × g(B) →  g(B) → = FB → m = - G MA r² u → u → est un vecteur unitaire centrifuge, orienté de A vers B. 2.3 Champ électrostatique Toute charge QA crée autour d’elle un champ électrostatique, noté E →. Le vecteur électrostatique est toujours orienté du pôle positif vers le pole négatif. Son intensité s'exprime en N.C-1. Une charge q d’essai placée en un point B de ce champ subit une force électrostatique. Si q est positive, FB → a le même sens que E →. Si q est négative, la force est en sens contraire du vecteur champ. D’après la loi de Coulomb : FB → = ke QA × q r² u → = q × E(B) →  E(B) → = FB → q = ke QA r² u → u → est un vecteur unitaire centrifuge, orienté de A vers B. |FA| = |FB| = G mA × mB r² constante de gravitation G = 6,67 .10-11 N.m².kg-2 FB → = m × g(B) → / \ \ N kg N.kg-1 MA FB → mB u → g(B) → FB → = q × E → / \ \ N C N.C-1 QA > 0 FB → qB < 0 u → E(B) → QA > 0 qB > 0 FB → u → E(B) → |F1| = |F2| = ke |q1 × q2| r² constante de Coulomb ke = 9,00 .109 N.m².C-2 uploads/Finance/ 09-lc-interactions-et-champs.pdf