Interactions et champs : exercices de physique-chimie en première – PDF gratuit à télécharger et imprimer

1. Qu’appelle-t-on interaction ? Quelle propriété ont les deux forces d’une interaction entre deux corps ?
2. Énonce la loi de la gravitation et précise les unités.
3. Énonce la loi de Coulomb et précise ce qui détermine son sens.
4. Qu’est-ce qu’un champ uniforme ? Donne un exemple.
5. Dans quelle unité mesure-t-on un champ magnétique ?

Dis si chaque affirmation est vraie ou fausse, et justifie.

a. La force gravitationnelle peut être répulsive.
b. Si la distance entre deux charges est doublée, la force est divisée par 2.
c. Le champ de pesanteur terrestre vaut environ 9,81 N/kg à la surface.
d. Une charge négative subit une force de même sens que le champ électrique.
e. Les lignes de champ magnétique d’un aimant sortent par son pôle nord, à l’extérieur.
f. Le champ existe seulement quand un objet est placé au point considéré.

1. Calcule la valeur de la force gravitationnelle exercée par la Terre sur la Lune.
2. Quelle est la valeur de la force exercée par la Lune sur la Terre ? Justifie sans calcul.
3. En déduis l’accélération de la Lune sous l’effet de cette seule force, à l’aide de a = F ÷ M_L.

1. Exprime puis calcule g à la surface de la Terre.
2. Calcule le poids d’une personne de masse 70 kg.
3. Justifie que l’unité N/kg est équivalente à m/s².

Un astronaute de masse 80 kg (équipement compris) marche sur la Lune.

1. Calcule l’intensité du champ de gravitation à la surface de la Lune.
2. Calcule le poids de l’astronaute sur la Lune, puis sur la Terre.
3. Sa masse change-t-elle ? Que vaut le rapport des poids ?

Le graphique donne l’intensité g du champ de gravitation terrestre en fonction de l’altitude h au-dessus de la surface.

1. Quelle valeur lit-on pour h = 0 ? À quoi correspond-elle ?
2. Lis g à l’altitude 1 000 km.
3. Calcule g à l’altitude de la Station spatiale (h = 400 km) et compare au graphique.
4. À quelle altitude g vaut-il la moitié de sa valeur au sol ? Donne la lecture graphique puis la valeur calculée.

Deux petites sphères A et B portent les charges q_A = +2,0 µC et q_B = −3,0 µC. Elles sont séparées de 10 cm.

1. Les sphères s’attirent-elles ou se repoussent-elles ?
2. Calcule la valeur de la force exercée par A sur B.
3. Représente les deux forces sur un schéma à l’échelle 1 cm pour 2 N.
4. Que vaut la force de B sur A ? Justifie.

Deux charges q₁ et q₂ à la distance d exercent l’une sur l’autre la force F. Sans calculer les valeurs, donne par quel facteur est multipliée F dans chaque cas.

a. La distance est doublée.
b. q₁ est triplée.
c. La distance est divisée par 3 et q₂ est doublée.
d. Les deux charges sont doublées et la distance est doublée.
e. Même question pour deux masses (gravitation) dont les deux masses sont triplées, la distance restant la même.

Dans le modèle de l’atome d’hydrogène, un électron est à r = 5,3 × 10⁻¹¹ m d’un proton.

1. Calcule la force électrostatique entre l’électron et le proton.
2. Calcule la force gravitationnelle entre ces deux particules.
3. Calcule le rapport des deux forces et conclus sur l’interaction qui assure la cohésion de l’atome.

Une petite sphère porte la charge Q = +4,0 nC (1 nC = 10⁻⁹ C). On étudie le champ au point M situé à 0,50 m.

1. Calcule la valeur du champ électrostatique en M.
2. Recopie le schéma et représente le vecteur champ en M (donne sa direction et son sens).
3. On place en M une charge q = −2,0 nC. Calcule la valeur de la force subie et donne son sens.

Deux plaques parallèles A et B, distantes de d = 2,0 cm, sont soumises à la tension U = 300 V (A est reliée à la borne positive). Un électron est placé au milieu.

1. Représente sur un schéma le champ électrique entre les plaques et calcule sa valeur.
2. Calcule la force électrique subie par l’électron et donne son sens.
3. Calcule l’accélération de l’électron sous l’effet de cette seule force.
4. Compare la force électrique au poids de l’électron. Peut-on négliger le poids ?

Le graphique donne la valeur du champ électrostatique E créé par une charge ponctuelle Q en fonction de la distance r à cette charge.

1. Quelle est la valeur de E à r = 0,40 m ?
2. Lis E à r = 0,25 m (le point est sur la courbe sans être marqué).
3. Calcule E × r² pour trois points. Que remarques-tu ? Retrouve la loi E = k Q ÷ r².
4. Déduis la valeur de Q.
5. À quelle distance E vaut-il 100 V/m ?

Un aimant droit est posé sur une table ; son pôle nord est à droite. On étudie le champ aux points A, B, C et D.

1. Recopie le schéma et trace quelques lignes de champ à l’extérieur de l’aimant, avec leur sens.
2. Dessine en chacun des points A, B, C et D le sens du vecteur champ magnétique.
3. Une boussole est placée en B. Dans quelle direction pointe son extrémité nord ? Même question en C.
4. Que se passe-t-il si l’on retourne l’aimant ?

Un solénoïde comporte N = 500 spires sur une longueur L = 0,25 m. Il est parcouru par un courant d’intensité I = 2,0 A. Le champ à l’intérieur est donné par B = µ₀ N I ÷ L.

1. Calcule la valeur du champ magnétique à l’intérieur du solénoïde.
2. Le champ magnétique terrestre vaut 48 µT environ. Compare les deux champs.
3. Que devient B si l’on double l’intensité ? si l’on double la longueur L avec le même nombre de spires ?
4. Comment doit-on faire pour inverser le sens du champ ?

Une boussole est posée à plat. Sans aimant, son aiguille indique le nord : la composante horizontale du champ terrestre vaut B_h = 2,0 × 10⁻⁵ T. On approche un aimant qui crée en ce point un champ horizontal B_a = 3,5 × 10⁻⁵ T, perpendiculaire à B_h. L’aiguille s’oriente dans la direction du champ total.

1. Représente les deux champs et leur somme.
2. Calcule la valeur du champ total.
3. De quel angle l’aiguille est-elle déviée par rapport au nord ? On utilisera tan α = B_a ÷ B_h.

Deux billes identiques de masse 1,0 g, séparées de 10 cm, s’attirent par gravitation.

1. Calcule la force gravitationnelle entre elles.
2. On charge les deux billes de la même charge q, de même signe. Quelle valeur de q rend la force électrique égale à la force gravitationnelle ?
3. Combien d’électrons cette charge représente-t-elle ? Que penser de ce nombre ?

Un vaisseau se trouve sur la droite Terre-Lune. En un certain point, les champs de gravitation de la Terre et de la Lune ont la même valeur et des sens opposés.

1. Exprime g_T et g_L en fonction de la distance du vaisseau à chaque astre.
2. Exprime le rapport d_T ÷ d_L en fonction des masses, puis calcule-le.
3. Sachant que d_T + d_L = D, détermine la distance de ce point à la Lune puis à la Terre.

Deux petites boules identiques portent la même charge q. On mesure la force F qui les sépare en fonction de leur distance d. Le graphique donne F en fonction de 1 ÷ d², et le tableau les mesures.

1. Calcule F × d² pour chaque mesure. Que constates-tu ?
2. Que peut-on dire de la courbe F = f(1 ÷ d²) ? En déduis la loi reliant F et d.
3. Détermine le coefficient directeur de la droite, avec ses unités.
4. À partir de la loi de Coulomb, calcule la charge q de chaque boule.

Un satellite géostationnaire évolue à l’altitude h = 35 800 km.

1. Calcule l’intensité du champ de gravitation terrestre à cette altitude.
2. Compare-la à celle de la surface (rapport).
3. Les astronautes de la Station spatiale (h = 400 km) flottent pourtant dans leur cabine. Calcule g à cette altitude et explique ce paradoxe.

Lors d’un orage, la base d’un nuage chargé se trouve à 2,0 km au-dessus du sol. On modélise le champ entre le nuage et le sol par un champ uniforme de valeur E = 1,5 × 10⁵ V/m. Le champ nécessaire pour que l’air devienne conducteur est de l’ordre de 3 × 10⁶ V/m.

1. Calcule la tension entre le nuage et le sol dans ce modèle.
2. Quelle tension faudrait-il pour atteindre le champ de claquage sur 2,0 km ?
3. Pourtant des éclairs se produisent. Propose des explications.
4. Explique pourquoi un paratonnerre pointu protège les bâtiments.