QCM sous forme de tableau. QCM réalisé avec le logiciel Questy (11 questons) Pour s'auto-évaluer QCM réalisé avec le logiciel Questy (17 questions) Pour s'auto-évaluer QCM N° 02 Révisions QCM N° 02 Questy Révisions

Exercices :  énoncé avec correction a)-  Exercice 7 page 128. Exprimer une charge. b)-  Exercice 8 page 128. Déterminer un numéro atomique. c)-  Exercice 9 page 128. Déterminer la composition d’un atome. d)-  Exercice 12 page 128. Comparer des ordres de grandeur. e)-  Exercice 13 page 128. Connaître les interactions. f)-  Exercice 15 page 129. Autour du mercure. g)-  Exercice 18 page 129. Noyaux radioactifs. h)-  Exercice 20 page 130. Interpréter l’expérience de Rutherford.

I- Les constituants de la matière.

1)- Les particules élémentaires.

a)-  Caractéristiques des particules élémentaires.

-  Petit Historique :

-  En 1897 J.J Thomson découvre l’électron.

-  En 1911, E. Rutherford met en évidence le noyau d'un atome.

-  Entre 1910 et 1920 on met en évidence l’existence du noyau.

-  En 1930, J. Chadwick découvre le neutron.

-  Quelles sont les remarques que l’on peut faire à la lecture du tableau :

-  Remarque 1 : C est le symbole du coulomb unité de charge électrique.

-  Remarque 2 : e représente la charge élémentaire.

-  La charge élémentaire est égale à la valeur absolue de la charge portée par un électron.

-  Une charge électrique q est une grandeur physique dont la valeur est positive négative ou nulle.

-  Elle s’exprime en coulomb symbole C.

-  Toute charge électrique s’exprime en un nombre entier positif ou négatif de charges élémentaires :

-  q = n . e

-  Remarque 3 : La masse du neutron est voisine de celle du proton : m_p ≈ m_n

-  Remarque 4 : La masse de l’électron est 1846 fois plus petite que celle du proton et du neutron.

-  Remarque 5 : la charge électrique portée par un électron est opposée à celle portée par un proton.

-  Remarque 6 : le neutron est électriquement neutre. Sa charge globale est nulle.

b)-  Pour aller plus loin.

-  Les nucléons ne sont pas des particules élémentaires.

-  Ils sont constitués de particules : les quarks.

-  Les briques fondamentales de la matière sont donc :

-  Les quarks qui sont les constituants des protons et des neutrons.

-  Et les électrons.

-  Les protons et neutrons du noyau sont composés de 3 quarks.

-  On étudie au CERN les interactions entre quarks pour découvrir comment les particules se sont formées dans les premiers instants de l'Univers.

-   

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2)- L’atome.

a)-  Présentation.

-  Les particules élémentaires s’assemblent pour former des atomes.

 

►  Un atome est constitué :

-  D’un noyau contenant A nucléons : Z protons et (A – Z) neutrons.

-  D’un nuage électronique constitué de Z électrons.

-  Le nombre de nucléons est noté A, on l’appelle aussi le nombre de masse.

-  Le nombre de protons que contient le noyau est noté Z, on l’appelle aussi le numéro atomique ou le nombre de charge.

►  Conséquences :

-  Un atome est électriquement neutre.

-  La masse d’un électron étant négligeable devant celle des nucléons,

-  La masse d’un atome est pratiquement égale à la masse de son noyau.

-  Dimension des atomes.

-  L’atome appartient au domaine de l’infiniment petit.

-  Le plus petit des atomes : atome d’hydrogène : r_H ≈ 52,9 pm   

-  L’un des plus gros : atome de Césium : r_Cs ≈ 265 pm   

-  Le rayon des atomes est de l’ordre de 100 pm (p pour pico : 10^{– 12}) c’est à dire 10^{– 10} m.

-  Le rayon du noyau d’un atome est de l’ordre du femtomètre c’est à dire 10 ^{– 15} m.

-  Conséquence : Le rayon de l’atome est cent mille fois du grand que celui de son noyau.

 -  La matière a une structure lacunaire. Elle est essentiellement faite de vide.

b)-  Symbole du noyau d’un atome.

-  Les deux grandeurs A et Z suffisent pour caractériser un noyau ou un atome.

-  Le symbole du noyau s’obtient à partir du symbole de l’atome correspondant.

-  Un atome de symbole X qui a pour nombre de masse A

et pour nombre de charge Z

est représenté symboliquement par :

-  L’atome étant électriquement neutre, le nombre d’électrons d’un atome est égal au nombre de protons.

-  Cet atome possède un cortège électronique constitué de Z électrons.

-  Exemple : symbole du noyau de l’atome de cuivre.

-  Le noyau de l’atome de cuivre est constitué de Z = 29 protons, A – Z = 34 neutrons.

-  Cet atome possède un cortège électronique constitué de Z = 29 électrons.

-  Un atome comprend : Z protons et Z électrons, et A – Z neutrons.

c)-  Les isotopes.

-  Des noyaux isotopes possèdent le même nombre de protons mais des nombres différents de neutrons.

-  Il existe environ 350 noyaux naturels et plus de 2500 noyaux artificiels obtenus en laboratoire.

-  Exemples :

 

II-   Les interactions fondamentales.

1)- Introduction.

►  Les structures de l’Univers sont régies par quatre interactions fondamentales :

-  L’interaction gravitationnelle ;

-  L’interaction électromagnétique ;

-  L’interaction forte ;

-  L’interaction faible.

►  Selon la taille du système étudié, l’une des quatre interactions prédomine devant les trois autres.

2)- L’interaction gravitationnelle :   Cours de seconde : Phys. N° 05 La gravitation Universelle.

a)-  Rappels.

-  La gravitation universelle est une des interactions de l’Univers.

-  Elle est attractive et s’exerce à distance.

  Énoncé :

Deux corps ponctuels, de masses m et m’, séparés par une distance d, exercent l’un sur l’autre des forces attractives, de même valeur :

 

-  Les forces se représentent par des flèches, appelées vecteurs, de même longueur, de même direction, mais de sens opposés.

-  Caractéristiques du vecteur force :

Caractéristiques du vecteur force :

-  Ce résultat se généralise à des corps à répartition sphérique de masse.

-  La masse est répartie de façon régulière autour du centre du corps.

-  C’est le cas de la Terre, de la Lune, des planètes et des étoiles.

►  En résumé :

-  Cette interaction est toujours attractive.

-  Elle agit entre particules ayant une masse.

-  Sa portée est infinie, mais sa valeur diminue quand la distance augmente.

-  À l’échelle Astronomique, elle est prédominante devant les autres interactions.

-  Elle explique la cohésion des édifices astronomiques.

b)-  Application.

-  Calculer la valeur de la force F_TL d’attraction gravitationnelle exercée par la Terre sur la Lune.

-  Donner les caractéristiques du vecteur force  .

-  Faire un schéma de la situation : Échelle : 1 cm ↔ 1,0 × 10²⁰ N

-  Données : Masse de la Lune : m_L = 7,4 × 10 ²² kg ; masse de la Terre : m_T = 6,0 × 10 ²⁴ kg 

-  Distance Terre-Lune : d_TL = 3,84 × 10 ⁵ km :

-  Constante universelle de gravitation : G ≈ 6,67 × 10 ^{– 11} m ² . kg^{– 2} . N

►  Solution :

-  Schéma réalisé avec Celestia :

 

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Caractéristiques du vecteur force  :

-  Valeur de la force :

-   

 

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3)- L’interaction électromagnétique.

a)-  Introduction.

-  L’interaction électrostatique, étudiée cette année (Chap. N° 06 Cohésion de la matière à l’état solide),

fait partie de l’interaction électromagnétique.

-  L’interaction électrique (électrostatique) est un cas particulier de l’interaction électromagnétique.

-  Lorsque les charges électriques sont immobiles, l’interaction est seulement électrique (statique).

-  Lorsque les charges sont en mouvement, il apparaît en plus l’interaction magnétique.

-  On parle alors d’interaction électromagnétique.

►  En résumé :

-  L’interaction électromagnétique peut être répulsive ou attractive.

-  Elle agit entre particules portant une charge électrique.

-  Sa portée est infinie, mais sa valeur diminue quand la distance augmente.

-  Elle prédomine de l’échelle atomique à l’échelle humaine.

-  Elle explique la cohésion de l’atome.

b)-  Interaction électrostatique : Loi de Coulomb

(elle est étudiée cette année : Chap. N° 06 Cohésion de la matière à l’état solide)

-  Charles Augustin Coulomb : 1785.

  Énoncé ;

Deux corps ponctuels A et B, de charges qA et qB, séparés par une distance r, exercent l’un sur l’autre des forces attractives ou répulsives telles que :

 

c)-  Application : Comparaison entre l’interaction gravitationnelle et l’interaction électromagnétique.

►  Énoncé :

-  La molécule de diazote est constituée de deux atomes d’azote dont les noyaux comportent 7 protons.

-  Ces noyaux sont à la distance d = 140 pm l’un de l’autre.

-  La masse de chaque noyau est m = 2,33 x 10 ^{– 26} kg.

-  Déterminer la valeur des forces d’interaction électrique entre les deux noyaux.

-  Ces forces sont-elles attractives ou répulsives ?

-  Déterminer la valeur des forces d’interaction gravitationnelle entre les deux noyaux.

-  Ces forces sont-elles attractives ou répulsives ?

-  Comparer les valeurs de ces deux forces d’interaction et conclure.

 

►  Réponse :

-  Valeur des forces d’interaction électrique entre les deux noyaux :

-   

 

-  Les forces sont répulsives (les deux noyaux portent des charges électriques de mêmes signes)

-  Valeur des forces d’interaction gravitationnelle entre les deux noyaux :

-   

 

-  Les forces sont attractives.

-  Comparaison :

-   

-  On peut faire le calcul différemment sachant que m ≈ A . m_p ≈ 14 m_p.

-   

-  À l’échelle de l’atome, la force gravitationnelle est négligeable par rapport à la force électrique.

4)- Les interactions forte et faible.

►  L’interaction forte :

-  L’interaction forte assure la cohésion du noyau atomique.

-  L’interaction forte est attractive.

-  Elle unit ensemble les nucléons et elle prédomine devant l’interaction électrique (répulsion entre les protons).

-  L’interaction forte est intense mais de très courte portée (de l’ordre du femtomètre : 10^–15 m, soit un milliardième de micromètre).

-  Remarque :

-  La stabilité des noyaux résulte de la compétition entre l’interaction forte, responsable de l’attraction des nucléons

-  et de l’interaction électromagnétique responsable de la répulsion entre les protons.

►  L’interaction faible :

-  L’interaction faible est responsable de certains types de radioactivité

(la radioactivité est étudiée cette année : Chap. N° 05 Radioactivité et réactions nucléaires).

-  Sa portée est extrêmement faible. Elle est de l’ordre du diamètre d’un nucléon (10^–16 m)

-  L’interaction faible, comme son nom l'indique, est l'interaction fondamentale qui a l'intensité la plus faible (en dehors de la gravitation).

-  Elle s'applique à toutes les particules de matière (quarks, électrons, neutrinos, etc.).

-  En particulier, les neutrinos, qui sont électriquement neutres et qui ne sont pas des quarks, ne sont sensibles qu'aux interactions faible et gravitationnelle, les deux interactions fondamentales les moins intenses

-  Additif : l'interaction faible est responsable de la désintégration b.

-  Elle est portée par les bosons W (W⁺ et W^–) et Z (Z⁰).

-  L'interaction faible met en jeu les neutrinos, les leptons chargés et les quarks.

►  Noyaux instables : Noyaux radioactifs.

-  Dans certains cas la cohésion n’est pas suffisante, on dit que les noyaux sont instables.

-  Ils se désintègrent spontanément, on dit qu’ils sont radioactifs. Ce sont des radionucléides.

-  Un noyau est instable s’il possède trop de protons par rapport au nombre de neutrons.

-  Un noyau est instable s’il possède trop de neutrons par rapport au nombre de protons.

-  Un noyau est instable s’il possède trop de protons et trop de neutrons.

-  Un noyau instable est un noyau qui possède :

-  Trop de protons, ou trop de neutrons, ou trop de nucléons.

►  À l’échelle atomique, l’interaction forte est prédominante par rapport à l’interaction faible.

III- Récapitulatif : dimensions et interactions fondamentales :

►  De l’infiniment grand à l’infiniment petit :

►  Échelle de grandeurs : pour faire voisiner l’infiniment grand et l’infiniment petit.

 

 

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IV- Applications.

1)- QCM : Pour chaque question, indiquer la (ou les) bonne(s) réponse(s).

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2)- Exercices : Exercices :  énoncé avec correction

a)-  Exercice 7 page 128. Exprimer une charge.

b)-  Exercice 8 page 128. Déterminer un numéro atomique.

c)-  Exercice 9 page 128. Déterminer la composition d’un atome.

d)-  Exercice 12 page 128. Comparer des ordres de grandeur.

e)-  Exercice 13 page 128. Connaître les interactions.

f)-  Exercice 15 page 129. Autour du mercure.

g)-  Exercice 18 page 129. Noyaux radioactifs.

h)-  Exercice 20 page 130. Interpréter l’expérience de Rutherford.