Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

19èmes Olympiades de Physique A propos de l’électron Lycée Saint-Jacques Hazebr

19èmes Olympiades de Physique A propos de l’électron Lycée Saint-Jacques Hazebrouck Jourdin Adrien Jourdin Arthur Minet Florian Vanderlynden Ludovic A propos de l’électron ODPF 2 Introduction Nous sommes 4 élèves de Terminale S du Lycée Saint-Jacques d’Hazebrouck. Nous aimons depuis longtemps la physique-chimie et nous avons la possibilité, grâce au Lycée, de pouvoir participer aux Olympiades de la Physique. Depuis que notre enseignant nous en a parlé en seconde, nous voulions essayer de participer au concours. Peu importe s’il a fallu venir le mercredi après-midi et même le samedi parfois ( !), du moment que nous pouvions faire de la physique, et se mettre dans la peau des chercheurs. En se partageant le travail, nous avons travaillé, essayé, élaboré des hypothèses, fait des mesures, lu de la bibliographie, couru dans les couloirs des labos, et nous souhaitons vous faire part de nos résultats. Nous sommes conscients que le sujet ne semble pas très original, puisque les données sur l’électron sont connues. Néanmoins, dans nos programmes actuels de physique, on nous présente les valeurs élémentaires de cette particule de manière magistrale, comme si cela était évident ! Arthur, est un jour intervenu en classe pour demander : « Monsieur, comment a-t-on fait pour déterminer la masse et la charge de l’électron ? » La réponse fut simple : « Et si on essayait de se mettre à la place de Thomson et Millikan ? » Nous nous sommes donc penchés sur le sujet pour savoir quelles ont été les intuitions des physiciens, connaître leurs méthodes de mesures, et savoir si nous pouvions les reproduire ! La dimension historique n’est pas négligeable dans l’enseignement des Sciences et nous espérons que ce petit retour en arrière vous plaira. A propos de l’électron ODPF 3 Remerciements Nous voulons remercier : - Monsieur Thibaut, notre professeur, qui participe aux Olympiades depuis quelques années, et sans qui cela n’aurait pu nous arriver, - Nos parents, qui nous permettent de passer notre temps dans les Laboratoires de Physique Chimie du Lycée, - Monsieur Dourlens, de l’Université Catholique de Lille, qui nous a prêté le matériel pour l’expérience de Millikan, qui a lu notre rapport et qui nous a suivis tout au long de ce travail, - Les professeurs du Lycée des Flandres, qui nous ont prêté également le matériel de l’expérience de déflexion électrique, - Monsieur Rousseau, le préparateur, qui a remis en état de conformité les matériels utilisés, - Enfin, vous, membres du jury, qui allez nous évaluer pour nous faire progresser. A propos de l’électron ODPF 4 Sommaire : Introduction……………………………………………………………………………………………………..Page 2 Remerciements…………………………………….. Page 3 Un peu d’Histoire………………………………………………………………………………………….Page 5 1er Calcul de e/m : Thomson 1-Expérience ……………………………………………………………………..Page 7 2-Calcul……………… ……………………………………………………………..Page 9 3-Résultats.…………………………………… ………………………………….Page 10 Calcul de e : Millikan 1-Expérience……………………………………………………………………. Page 12 2-Calcul……………………………………………………………………………. Page13 3-Résultats………………………………………………………………………. Page15 2ème Calcul de e/m : Thomson 1-Expérience…………………………………………………………………… .Page 19 2-Calcul……………………………………………………………………………. Page20 3-Résultats………………………………………………………………………. Page21 Application Page22 Conclusion…… Page 23 Page pp………………………………………………………………….. A propos de l’électron ODPF 5 Un peu d’Histoire Sources : wikipédia, Histoires de Physique et de Chimie (CRDP Rouen), Les anciens Grecs avaient déjà remarqué que l'ambre attire les petits objets quand elle est frottée avec de la fourrure ; en dehors de la foudre, ce phénomène est la plus ancienne expérience de l'humanité notée en rapport avec l'électricité. Dans son traité de 1600 « De Magnete », le médecin anglais William Gilbert forge le mot latin electricus, pour désigner cette propriété d'attirer les petits objets après frottement. Les mots « électrique » et « électricité » sont dérivés du latin electrum, dérivé à son tour du mot grec λεκτρον (électron) pour ambre. C’est en 1874 que l’Irlandais Stoney avance l’hypothèse d’une charge électrique élémentaire portée par les ions monovalents, charge qu’il nommera électron en 1891, en vue d’interpréter les lois sur l’électrolyse de Faraday. Il en calcule même une valeur très approximative (l’erreur était d’un facteur 20, due à une mauvaise approximation du nombre d’Avogadro). A peu près à la même époque, à la suite des travaux de Geissler sur la fabrication de tubes contenant des gaz à basse pression (il atteint le dix-millième de la pression atmosphérique en 1857) dont la première observation des rayons cathodiques a été faite par l’Allemand Plücker en 1858, Plücker et son collègue Hittorf étudient les charges électriques dans les gaz raréfiés. En 1869, Hittorf découvre une lueur émise par la cathode, dont la taille croît quand la pression du gaz diminue. Il montre même que ces rayons invisibles sont déviés par un champ magnétique. En 1876, le physicien allemand Eugen Goldstein montre que les rayons de cette lueur provoquent une ombre, et il les appelle rayons cathodiques. Pendant les années 1870, le chimiste et physicien anglais Sir William Crookes met au point le premier tube à rayons cathodiques avec un vide poussé à l'intérieur. Puis il montre que les rayons luminescents apparaissant dans le tube transmettent de l'énergie, et se déplacent de la cathode vers l'anode. De plus, en appliquant un champ magnétique, il est capable de défléchir les rayons, montrant par-là que le faisceau se comporte comme s'il est chargé négativement. En 1879, il propose que ces propriétés soient expliquées par ce qu'il appelle « matière radiante ». Il suggère que c'est un quatrième état de la matière, consistant en molécules chargées négativement, projetées à grande vitesse de la cathode ce qui constitue alors une interprétation erronée du phénomène. Le physicien britannique Arthur Schuster développa les expériences de Crookes en disposant des plaques de métal parallèlement aux rayons cathodiques, et en appliquant une différence de potentiel électrique entre les plaques. Le champ électrique défléchit les rayons vers la plaque chargée positivement, ce qui renforce la preuve que les rayons portent une charge négative. En mesurant la déflexion selon la différence de potentiel, Schuster est capable en 1890 de mesurer le rapport masse sur charge des composantes des rayons. Cependant, ceci donna une valeur plus de mille fois plus faible que la valeur attendue, si bien que l'on n'accorda que peu de confiance à son calcul à l'époque. A propos de l’électron ODPF 6 En 1896-1897, le physicien britannique J. J. Thomson, et ses collègues John S. Townsend et H. A. Wilson réalisent des expériences indiquant que les rayons cathodiques sont effectivement des particules individualisées. Thomson fait de bonnes estimations à la fois de la charge e et de la masse m, trouvant que les particules des rayons cathodiques, qu'il appelle « corpuscules », ont environ un millième de la masse de l'ion le plus léger connu alors : l'ion hydrogène. Il montre que le rapport charge sur masse e/m est indépendant de la matière de la cathode. La charge de ces particules est donc bien élémentaire. Elle sera mesurée approximativement par Wilson en 1904. La charge de l'électron est mesurée de façon plus précise par le physicien américain Robert Millikan par son expérience sur la goutte d'huile de 1909, dont il publie les résultats en 1911. Cette expérience utilise un champ électrique pour empêcher une goutte d'huile chargée de tomber sous l'action de la pesanteur. Ce système pouvait mesurer la charge électrique depuis quelques ions jusqu'à 150, avec une marge d'erreur de moins de 0,3%. Des expériences comparables avaient été faites plus tôt par le groupe de Thomson, en utilisant des brouillards de gouttelettes d'eau chargées par électrolyse. Cependant, les gouttes d'huile étaient plus stables que les gouttes d'eau à cause de leur évaporation plus lente, et elles se prêtaient mieux à des expériences de longue durée. Les mesures récentes donnent pour l’électron : q = -1,60217733.10-19 C m = 9,1093897.10-31 kg d’après « Histoires de Physique et de Chimie, CRDP Rouen » J.J Thomson Millikan A propos de l’électron ODPF 7 Mesure de e/m (J THOMSON) Introduction J.J Thomson mesure la valeur de ce rapport en 1897 en utilisant un dispositif fait à la main : un tube en verre d’une longueur de 1 mètre contenant un gaz sous faible pression dans lequel on peut créer un faisceau d’électrons. Des plaques déflectrices pouvaient dévier le faisceau et un système de bobines étaient adjointes de part et d’autre du tube de manière à créer un champ magnétique. J.J Thomson utilisa ce dispositif pour calculer e/m. Il s’avère que nous ne disposons pas de ce dispositif pour calculer e/m. Mais au lycée, nous disposons d’un dispositif presque similaire qui permet de recalculer e/m. C’est ce que nous nous proposons d’essayer. 1-Expérience Cette expérience consiste à dévier un faisceau d’électrons dans un champ magnétique grâce à des bobines d’Helmholtz. Les électrons sont créés par un canon à électrons se trouvant dans une ampoule de verre contenant un peu de gaz sous faible pression ce qui nous permet d’observer la trajectoire des électrons. Autour de cette ampoule se trouvent deux bobines d’Helmholtz qui créent un champ magnétique. Le faisceau d’électrons forme alors un cercle à cause du champ magnétique perpendiculaire au vecteur vitesse des particules. On utilise un premier générateur pour chauffer le filament du canon à électrons et on attend environ 2min pour laisser le filament chauffer avant de commencer l’expérience. En uploads/Sante/ memoire 4 .pdf