Fiche de révision : Interactions fondamentales, forces et champs

📋 Plan du Cours

1. Cohésion de la matière
2. Interaction gravitationnelle
3. Interaction électrique
4. Interactions nucléaires
5. Prédominance selon l’échelle
6. Notion générale de champ
7. Champ gravitationnel terrestre
8. Champ électrique

📖 1. Cohésion de la matière

📝 Points essentiels

• La cohésion de la matière, des atomes d’une molécule aux planètes du système solaire, peut être expliquée par les interactions fondamentales.

• Les physiciens distinguent quatre interactions fondamentales, dont les interactions gravitationnelle et électromagnétique sont particulièrement étudiées dans ce cours.

📖 2. Interaction gravitationnelle

★ À maîtriser

📐 Formule — La force gravitationnelle entre deux corps ponctuels A et B vérifie $\vec{F}_{A/B}=-\vec{F}_{B/A}=-G\frac{m_A m_B}{d_{A/B}^{2}}\vec{u}_{A/B}$.

📌 La loi de gravitation universelle s’applique aux corps à répartition sphérique de masse et sa portée est infinie.

Compléments

📐 Formule — La force gravitationnelle entre un électron et un proton séparés de $d=1{,}0\times10^{-10}\ \mathrm{m}$ vaut environ $F_g=1{,}01\times10^{-47}\ \mathrm{N}$.

💡 Astuce mémo

Deux masses reliées par une attraction dirigée l’une vers l’autre.

📖 3. Interaction électrique

★ À maîtriser

📐 Formule — La valeur de la force électrique entre deux charges ponctuelles vérifie $F=k\frac{|q_A||q_B|}{d^2}$, avec $k=9{,}0\times10^9$.

📌 Deux charges électriques de signes opposés s’attirent, tandis que deux charges électriques de même signe se repoussent.

• Pour un électron et un proton, le rapport des forces vaut environ $F_e/F_g=2{,}2\times10^{39}$, si bien que l’interaction électrique prédomine très largement sur l’interaction gravitationnelle à l’échelle atomique.

Compléments

📐 Formule — Pour un électron et un proton séparés de $d=1{,}0\times10^{-10}\ \mathrm{m}$, la force électrique vaut environ $F_e=2{,}309\times10^{-8}\ \mathrm{N}$.

💡 Astuce mémo

Charges opposées s’attirent, charges de même signe se repoussent.

📖 4. Interactions nucléaires

★ À maîtriser

• L’interaction forte, très intense et de courte portée, combat la répulsion électrique entre les protons et assure la cohésion du noyau.

• L’interaction faible est responsable notamment de la radioactivité β et régit les réactions thermonucléaires qui produisent l’énergie des étoiles.

Compléments

• La portée de l’interaction forte est de l’ordre du femtomètre, soit environ $10^{-15}\ \mathrm{m}$.

• La portée de l’interaction faible est d’environ un millième de femtomètre, soit $10^{-18}\ \mathrm{m}$, ce qui en fait quasiment une interaction de contact.

💡 Astuce mémo

Répulsion des protons → interaction forte → cohésion du noyau.

📖 5. Prédominance selon l’échelle

★ À maîtriser

• À l’échelle du noyau, les interactions forte et faible prédominent.

• À l’échelle atomique, l’interaction électromagnétique prédomine.

Compléments

• À l’échelle humaine et à l’échelle astronomique, l’interaction gravitationnelle prédomine.

💡 Astuce mémo

Noyau → atome → humain → astronomie : forte/faible → électromagnétique → gravitationnelle.

📖 6. Notion générale de champ

🔑 Notions clés & Définitions

• Champ physique : Cartographie dans l’espace d’une grandeur physique.

📝 Points essentiels

📌 Un champ scalaire décrit une grandeur scalaire, comme la température ou la pression, tandis qu’un champ vectoriel décrit une grandeur vectorielle, comme la vitesse, le champ gravitationnel ou le champ électrostatique.

💡 Astuce mémo

Champ scalaire = grandeur sans direction ; champ vectoriel = grandeur avec direction.

📖 7. Champ gravitationnel terrestre

★ À maîtriser

📐 Formule — Le champ gravitationnel vérifie $\vec{g}=\frac{\vec{F}}{m}$ et sa valeur près d’une masse terrestre est $g=G\frac{m_T}{R_T^2}$.

• Le champ gravitationnel terrestre est dirigé vers le centre de la Terre et il est non uniforme.

• Le champ de pesanteur local vaut $g=9{,}81\ \mathrm{N\,kg^{-1}}$ et est dirigé verticalement vers le bas.

Compléments

📐 Formule — Au voisinage de la Terre, en négligeant l’effet de sa rotation, la force gravitationnelle et le poids sont assimilés, donc $\vec{F}=\vec{P}$ et $\vec{g}=\vec{G}$.

💡 Astuce mémo

Champ gravitationnel non uniforme, pesanteur locale uniforme.

📖 8. Champ électrique

📝 Points essentiels

📐 Formule — Une charge ponctuelle Q crée en un point M un champ électrostatique vérifiant $\vec{E}(M)=k\frac{Q}{r^2}\vec{u}$, où r est la distance entre Q et M et $\vec{u}$ est orienté de Q vers M.

• Un champ électrostatique s’exprime en newtons par coulomb ou en volts par mètre, et ses lignes de champ partent des charges positives vers les charges négatives.

📐 Formule — Une charge q plongée dans un champ électrique $\vec{E}$ subit une force électrostatique vérifiant $\vec{F}=q\vec{E}$.

💡 Astuce mémo

Charge source → champ électrique → force sur une charge plongée dans le champ.

📊 Tableaux de synthèse

Interactions fondamentales et échelles