Grandeurs et forces

I- Cohésion de la matière

1) Les constituants de la matière

a. Les particules élémentaires

Une particule est dite élémentaire lorsqu'elle n'est pas constituée d'autres particules qu'elle-même.

La physique ne fournit pas de modèle définitif :

  • certaines particules sont connues car des expériences ne peuvent les étudier directement, comme notamment les électrons, les neutrons et les protons,
  • d'autres sont confirmées au travers d'expériences indirectes où il n'y a pas d'autres explications aux résultats que l'existence d'une particule aux propriétés biens définies, comme notamment les quarks qui composent les protons et les neutrons, les neutrinos ν ou le boson de Higgs dont l'existence a été confirmée par le LHC en 2012,
  • d'autres encore sont hypothétiques : les physiciens sont encore à la recherche d'une théorie qui serait capable de tout expliquer et beaucoup sont en attente de validation. De nombreuses théories proposent l'existence de particules aux prorpiétés caractéristiques que l'on espère pourvoir détecter dans les accélérateurs de particules ou en observant les étoiles.

Voici actuellement la tableau des particules élémentaires :

Dans la suite du cours, on ne s'intéressera qu'aux électrons, protons et neutrons et nous considèrerons que les neutrons et les protons sont des particules élémentaires.

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Caractéristiques :

Particule Masse (kg) Charge (C)
Electron 9,1×10-31 -1,6×10-19
Proton 1,67×10-27 +1,6×10-19
Neutron 1,67×10-27 0

b. Les ordres de grandeur de l'Univers

Un petit rappel des ordres de grandeur dans l'Univers au travers d'une animation qui les traverse, de l'infiniment grand, à l'infiniment petit.

2) Les forces gravitationnelles et électromagnétiques

Deux corps de masses m1 et m2 dont les centres de gravité respectifs sont distants d'une distance d s'attirent avec une force mutuelle Fg dont l'expression est :

Fg = G× m1×m2 d2

Avec :
Fg, force d'attraction gravitationnelle en newtons (N)
m1, m2 en kilogrames (kg)
d, distance en mètres (m)
G, constante de gravitation universelle
G = 6.67×10-11N.m2.kg-2

Deux corps de charges q1 et q2 séparés par une distance d exercent avec une force mutuelle Fem dont l'expression est :

Fem=k×q1×q2d2

Avec :
Fem, force électromagnétique en newtons (N)
q1, q2 charge électrique en coulombs (C)
d, distance en mètres (m)
k, constante de Coulomb
k = 9,0×109N.m2.C-2 dans le vide.

Si q1 et q2 sont de même signe, la force est répulsive et attractive sinon.

Applications :

Rayan Montaigu et Jamie-Lee Capulet ayant épuisé leurs forfaits téléphoniques respectifs, sont obligés de se parler au balcon.
Calculer leur attraction gravitationnelle réciproque sachant que Kevin a une masse de 70kg, qu'ils sont séparés d'une distance de 3m et qu'on ne demande pas son poids à une fille, mais que ce ne doit pas être loin de 60kg.

Issam a une masse de 65kg et un poids de 637.7 N à la surface de la Terre.
Calculer la masse de notre planète sachant que son rayon est de 6370km

 

Calculer la force d'attraction gravitationnelle avec laquelle un électron est attiré par un proton distant de 1,0×10-10m.

Calculer la force électromagnétique entre un électron et un proton distant de 1,0×10-10m.
- Cette force est-elle attractive ou répulsive ?

 

3) Les forces de cohésion du noyau

➢Aux grandes échelles (plus grandes que l'homme), la force gravitationnelle est la force prédominante. C'est elle qui structure les astéroïdes, planètes, étoiles, galaxies et au-delà.
➢Aux échelles intermédiaires (organismes vivants, molécules), c'est la force électromagnétique qui prend le dessus et est notamment responsable de toutes les réactions chimiques.

Cependant un problème se pose au niveau du noyau atomique : comment des protons tous chargés positivement peuvent coexister dans un espace si petit (10-15m) ?
Si on calcule la force répulsion électromagnétique existant entre 2 protons, on trouve des grandeurs de l'ordre de 102N : à notre échelle, si nous étions capables de supporter une force similaire, nous serions capables de soulever 5 fois la masse... du Soleil !

Dès lors, les protons d'un noyau devraient exploser de toutes part rendant l'existence des atomes impossibles !

Les physiciens ont donc proposé l'existence d'une force encore plus grande à l'échelle du noyau qui maintiendrait les protons (mais aussi les neutrons) ensembles : l'interaction nucléaire forte : aux dimensions du noyau, elle est 1000 fois plus intense que la répulsion électrique.