Exercices: Phénomènes gravitationnels, électriques et magnétiques

Votre sandwich vous tombe des mains et finit par terre. Quelle force l'a amené jusque-là ? Fallait-il que quelque chose le touche ou le pousse vers le bas ? Comment s'appellent les forces qui agissent sans contact ?

Compléter la phrase : « La gravité est une force de la nature qui attire $\dots$ les objets vers le centre de la $\dots$, sans qu'il soit nécessaire d'avoir un $\dots$ avec eux ».

En enlevant un pull en polaire en hiver, vous entendez des crépitements et vous sentez vos cheveux se dresser. Quel type de force produit ces effets : gravitationnelle, électrique ou magnétique ? Agit-elle par contact ou à distance ?

Manon joue avec deux aimants droits dont les pôles sont indiqués, comme le montre la figure.

Que se passe-t-il si elle rapproche deux pôles nord l'un de l'autre ? Et si elle rapproche un pôle nord et un pôle sud ? Écrire la règle générale des pôles magnétiques.

Qu'est-ce qu'une boussole et à quoi a-t-elle servi pendant des siècles ? Pourquoi son aiguille indique-t-elle toujours approximativement le nord ?

Classer ces phénomènes selon la force de la nature qui les produit (gravitationnelle, électrique ou magnétique) :

1. a) Une poire se détache de l'arbre et tombe.
2. b) Un trombone reste collé à l'aimant du réfrigérateur.
3. c) En sortant le linge du sèche-linge, des chaussettes restent collées à un tee-shirt.
4. d) La Lune tourne autour de la Terre sans s'échapper.

Les planètes du système solaire tournent autour du Soleil sans quitter leurs orbites. Quelle force les retient ? Le Soleil a-t-il besoin de toucher les planètes pour les attirer ?

Marine approche un aimant d'une punaise et celle-ci « saute » vers l'aimant avant de le toucher, comme le montre la figure.

1. a) Comment appelle-t-on les forces qui, comme celle-ci, agissent sans contact ?
2. b) Une punaise en plastique sauterait-elle de la même façon ? Pourquoi ?

En classe, on frotte deux tiges en plastique avec le même chiffon et on suspend l'une d'elles à un fil. Lorsqu'on approche la seconde tige, celle qui est suspendue s'écarte, comme le montre la figure.

1. a) Les tiges s'attirent-elles ou se repoussent-elles ?
2. b) Que indique le résultat sur le signe de leurs charges ?
3. c) De quel type est la force observée ?

Vous approchez un ballon que vous avez frotté avec de la laine d'un mince filet d'eau du robinet et l'eau se courbe vers le ballon, comme le montre la figure.

1. a) Quel type de force dévie l'eau ?
2. b) Pourquoi dit-on qu'elle agit à distance ?
3. c) Le filet se courberait-il si le ballon n'avait pas été frotté ? Justifier.

Une balance de cuisine de $1\ \text{kg}$ voyage jusqu'à la Lune.

1. a) A-t-elle toujours $1\ \text{kg}$ de masse là-bas ?
2. b) Pèse-t-elle la même chose sur la Lune que sur la Terre ?
3. c) Expliquer avec ses propres mots la différence entre masse et poids.

Sur la Lune, la gravité est environ $6$ fois plus faible que sur la Terre. Avec votre meilleure impulsion, vous parvenez à décoller les pieds de $30\ \text{cm}$ du sol sur la Terre.

1. a) Quelle hauteur atteindriez-vous sur la Lune avec la même impulsion ?
2. b) Expliquer pourquoi les astronautes avançaient en faisant de petits « bonds » à la surface lunaire.

Théo déplace un trombone au-dessus de la table en faisant glisser un aimant sous le plateau, sans jamais toucher le trombone, comme le montre la figure.

1. a) Quel type de force s'exerce sur le trombone ?
2. b) Nommer une autre force de la nature qui agit aussi sans contact.
3. c) Indiquer une ressemblance et une différence entre la force magnétique et la force gravitationnelle.

L'aiguille d'une boussole indique le nord, mais lorsqu'on approche un aimant puissant, elle dévie de sa position.

1. a) Pourquoi l'aiguille est-elle déviée ?
2. b) Que nous indique cela sur la raison pour laquelle la boussole indique le nord lorsqu'il n'y a pas d'aimants à proximité ?
3. c) Serait-il fiable de s'orienter avec une boussole placée dans une boîte remplie d'aimants ?

Pendant un orage, des charges électriques se séparent à l'intérieur des nuages, puis un éclair jaillit soudain vers le sol, comme le montre la figure.

1. a) À quel type de force de la nature l'éclair est-il dû ?
2. b) De nombreux bâtiments sont équipés d'un paratonnerre : une pointe métallique placée en hauteur et reliée au sol. À quoi sert-il ?

On teste un aimant avec des objets pris dans un tiroir : un trombone, une bille en verre, une cuillère en acier, une gomme, une vis en fer et un bouchon de liège.

1. a) Prévoir quels objets l'aimant attirera.
2. b) Qu'ont en commun les objets attirés ?
3. c) Pourquoi dit-on que la force magnétique est « sélective » alors que la gravité ne l'est pas ?

Comparer les trois forces de la nature étudiées dans le thème (gravitationnelle, électrique et magnétique) en répondant pour chacune aux questions suivantes : attire-t-elle tous les objets ou seulement certains ? Peut-elle aussi repousser ? Nécessite-t-elle un contact ? Terminer en donnant un exemple de la vie quotidienne pour chacune.

Imaginer que, du jour au lendemain, la gravité de la Terre devienne deux fois plus intense. Décrire et justifier trois changements que vous remarqueriez dans votre vie quotidienne, en pensant par exemple à votre cartable, au sport que vous pratiquez ou à la façon dont les objets tombent.

À la surface de Mars, la gravité est environ $3$ fois plus faible que sur Terre.

1. a) Si vous pesez $450\ \text{N}$ sur Terre, combien pèseriez-vous sur Mars ?
2. b) Votre masse aurait-elle changé ? Justifier.
3. c) Serait-il plus facile ou plus difficile d'y soulever votre cartable ? Pourquoi ?

Vous voulez vérifier comment la force d'un aimant dépend de la distance. Concevoir l'expérience avec un aimant, un trombone et une règle : expliquer ce que vous mettriez en place, ce que vous mesureriez, ce que vous compareriez et quel résultat vous vous attendez à obtenir.

En plein orage, à la campagne, il convient d'éviter certains endroits.

1. a) Pourquoi est-il dangereux de s'abriter sous un grand arbre isolé ?
2. b) Les paratonnerres sont placés au point le plus haut des bâtiments et reliés au sol : expliquer pourquoi cette position et cette liaison.
3. c) Pourquoi recommande-t-on, selon vous, de sortir de l'eau de la piscine ou de la plage en cas d'orage ?

Un randonneur a perdu sa boussole, mais il a sur lui une aiguille à coudre, un petit aimant et un bouchon de liège, et il peut se procurer un verre d'eau.

1. a) Proposer une méthode pour improviser une boussole avec ces objets.
2. b) Expliquer pourquoi l'aiguille finira par indiquer approximativement le nord.
3. c) Que se passerait-il pour toutes les boussoles du monde si la Terre cessait de se comporter comme un aimant ?

Après avoir frotté un ballon avec un chiffon sec, le ballon attire vos cheveux alors que ceux-ci ne sont pas chargés.

1. a) Expliquer comment le ballon peut attirer les cheveux sans les toucher.
2. b) L'astuce cesse de fonctionner au bout d'un moment : où pensez-vous que partent les charges du ballon ?
3. c) Prévoir si l'expérience fonctionnera mieux par temps sec ou par temps humide, et justifier la réponse.

Un vaisseau spatial voyage de la Terre à Mars.

1. a) Quelle force de la nature s'exerce sur le vaisseau pendant tout le voyage ?
2. b) Lorsque le vaisseau s'éloigne de la Terre, l'attraction que la Terre exerce sur lui augmente-t-elle ou diminue-t-elle ?
3. c) Lorsque le vaisseau sera beaucoup plus proche de Mars que de la Terre, quel corps l'attirera, selon vous, avec la plus grande force ? Justifier les réponses en pensant à la masse des corps et à la distance.

Défi du thème. Concevoir votre propre dynamomètre maison et analyser les forces de la vie quotidienne dans votre environnement.

1. Étalonnage expérimental : Accrocher un élastique à un support fixe. Y suspendre différentes masses connues à l'aide de récipients contenant de l'eau ($50\text{ ml}$, $100\text{ ml}$, $150\text{ ml}$ et $200\text{ ml}$, sachant que $100\text{ ml} \approx 0,1\text{ kg}$). Mesurer chaque allongement $\Delta l$ avec une règle en notant son incertitude ($\pm 0,1\text{ cm}$) et calculer le poids correspondant avec $P = m \cdot g$ (en prenant $g = 9,8\text{ m/s}^2$).

2. Traitement des données : Construire un tableau avec vos valeurs et tracer le graphique $P$ en fonction de $\Delta l$ pour vérifier la loi de Hooke et en déduire la constante de raideur $k$. Justifier pourquoi le système atteint l'équilibre des forces lorsque le poids s'immobilise.

3. Forces à distance : Frotter énergiquement un stylo en plastique avec un vêtement en laine et l'approcher d'un petit morceau de papier suspendu (ou approcher un aimant de réfrigérateur d'un trombone métallique suspendu). Observer et expliquer comment cette interaction électrostatique ou magnétique agit comme un agent de changement capable de vaincre le repos à distance.

Rédiger un court compte rendu scientifique comprenant le tableau de données, le graphique et vos conclusions argumentées.

Seront évalués :

• La rigueur des mesures réalisées à la maison et l'indication claire de l'incertitude liée à l'instrument.

• La qualité du graphique réalisé et le calcul correct de la constante de raideur $k$.

• La justification physique de l'équilibre statique et des effets des forces à distance.