Cours de physique générale PDF

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Ou accéder à la page web suivante : https://student.turningtechnologies.eu/#/ Connectez-vous sur la session entrez sous physgen2024 guest/invité Chapitre 4 Matière et interactions fondamentales Pr François Bochud FBM – BMed – module B1.1 Cours de physique générale  Objectifs Décrire les principales particules élémentaires de la matière courante Comparer les caractéristiques principales des quatre interactions fondamentales de la Nature Calculer la force s'exerçant entre deux masses ou entre deux charges électriques Nous sommes composés d’éléctrons, protons et neutrons. : protons et neutrons ( nucléons,composent le noyau) : ne sont pas des particules élémentaires car sont composés de particules : Les Quarks ——> 12 particules élémentaires de matière et une foule d’autre particules composites. Chaque particule a une antiparticule correspondante. Lorsqu’une particule de matière rencontre son antiparticule, elles s’annihilent sous forme de photons Les particules sont soumises a 4 forces fondamentales, se transmettant dans l’espace avec une vitesse de la lumière (300’000km/s) et par l’échange d’une particule appelée vecteur de force (ex.: celui de la force électromagnétique : le photon). Les forces fondamentales sont les interactions qui ne sont pas réductibles a des interactions plus basiques. Les interactions gravitationnelles et électromagnétiques produisent d’importantes forces a longue portée. Les interactions fortes et faible produisent des forces à des distances infimes a l’échelle nucléaire. Une force peut être définie comme : une interaction changera le mouvement d’un objet. Elle est décrite par une amplitude et une direction. Son unité SI EST LE NEWTON N  Pourquoi faire 2 heures de sport par jour quand on est astronautes ? https://www.esa.int/kids/es/Multimedia/Videos/Paxi_en_la_ISS/Exercising_in_space  Pourquoi faire 2 heures de sport par jour quand on est astronautes ? (plusieurs réponses possibles) 1. On aime ça ! 2. Pour éviter une atrophie des muscles (y compris du cœur) 3. Pour ralentir l'ostéoporose 4. Pour réduire le risque de calculs rénaux  Microgravité et effet sur les os échelles macro méso micro nano perte de densité microarchitecture microdommages partie minérale taille & nbre de cavités distribution minéraux type-chimie-cristal et collagène Coulombe, J., Senwar, B. & Ferguson, V.L. Spaceflight-Induced Bone Tissue Changes that Affect Bone Quality and Increase Fracture Risk. Curr Osteoporos Rep 18, 1–12 (2020). https://doi.org/10.1007/s11914-019-00540-y  Quelle interaction fondamentale de la Nature est à l'origine de tous ces problèmes ? 1. Interaction forte 2. Force nucléaire 3. Interaction faible 4. Interaction électromagnétique 5. Interaction gravitationnelle  Interaction ou force gravitationnelle Lune  m1 m2  F G = G 2 ur m1  r FG r  force uniquement attractive, FG pour autant que les objets aient une masse m2 description newtonienne Terre La Force gravitationnelle: agit de manière attractive entre tous les objets dotés d’une masse ou énergie Elle nous maintient à la surface de la terre cohésion des objets de grandes taille : système solaire, terre, soleil pour 2 objet de masse m1 et m2 séparés d’une distancer, la force gravitationnelle définie par Newton suppose que la force se propage instantanément quelle que soit la distance À l’échelle du noyau, la force gravitationnelle est plus faible que les autres (~10^38 fois moins intense que la force forte) a plus grande échelle la force gravitationnelle de newton permet d’envoyer les satellites en orbite ou des hommes sur la lune mais ne parvient pas a décrire avec précision le mouvement des corps de grande masses (trous noir) La théorie de la relativité restreinte n’est pas une théorie de la gravitation mais postule que les lois de la physique ont la même forme et que la vitesse de la lumière dans le vide a la même valeur dans tous les référentiels inertiels*. La théorie prédit que le temps s’écoule plus lentement pour un objet en mouvement que pour un objet au repos. Théorie de la relativité générale Proposée par Einstein, englobe la théorie universelle de la gravitation de newton. La gravitation n’est plus une force mais la manifestation de la courbure de l’espace-temps, produite par la distribution de la masse dans l’univers. Un objet laissé a lui meme adopte une trajectoire en ligne droite généralisée : géodésique. le temps étant lié a l’espace, implique que le temps avance plus lentement dans les régions les plus courbées de l’espace-temps. La théorie prédit des effets absents de la théorie newtonienne et vérifiés : l’expansion de l’univers, les ondes gravitationnelle et les trous noirs Permet de faire fonctionner les systèmes de positionnement par satellite Prédit que l’antimatière devrait être accélérée de la meme manière que la matière dans un champs de gravité (le cern conclue que la probabilité que la gravité d’applique dans une direction inverse est quasiment nulle)  Interaction ou force gravitationnelle  m1 m2  F G = G 2 ur r la loi de la gravitation de Newton reste, à l'heure actuelle, la base du calcul Newton des trajectoires dans l'Espace ! C'est une force ! https://www.americanscientist.org/article/the-voyagers-odyssey  Interaction ou force gravitationnelle analogie de la fourmi sur une sphère Newton Einstein C'est une force ! Ce n'est pas une force ! C'est une courbure de l'espace-temps à 4 dimensions à l'échelle de la fourmi, la Terre apparaît plate Que se passe-t-il si les fourmis avancent en ligne droite, en direction d'un pôle ? Explication de Newton Explication d'Einstein Les fourmis s'attirent Ce n'est pas une force, mais la l'une avec l'autre géométrie de l'espace qui fait par une force que les fourmis se rapprochent pour la loi de la gravitation, Einstein fait référence à l'espace-temps à 4 dimensions  Au fur et à mesure que l'Antarctique fond, comment évolue le niveau de l'océan situé à proximité ? 1. Le niveau d'eau descend à 1. Effet gravitationnel de l’Antarctique : L’Antarctique, en tant que masse de glace énorme, proximité, mais monte ailleurs exerce une force gravitationnelle sur les océans environnants. Cette force attire l’eau vers la région antarctique, provoquant une légère élévation du niveau de 2. Le niveau d'eau descend partout la mer à proximité du continent. Lorsque l’Antarctique fond, cette masse diminue, et donc la force gravitationnelle exercée sur l’océan diminue sur la Terre aussi. L’eau précédemment attirée vers l’Antarctique se redistribue ailleurs, entraînant une baisse du niveau de l’eau près du continent. 3. Le niveau d'eau monte à proximité, 2. Redistribution de l’eau : L’eau issue de la fonte se répartit à travers le globe. La perte d’attraction gravitationnelle de l’Antarctique signifie mais descend ailleurs que l’eau s’accumule davantage dans les régions plus éloignées. 3. Montée globale du niveau des océans : 4. Le niveau d'eau monte partout Bien que le niveau d’eau baisse près de l’Antarctique, la fonte des glaces ajoute une grande quantité d’eau douce aux océans, ce qui contribue à une montée globale du sur la Terre niveau des mers ailleurs sur la planète.  Microgravité et effet sur les os échelles macro méso micro nano perte de densité microarchitecture microdommages partie minérale taille & nbre de cavités distribution minéraux type-chimie-cristal et collagène Coulombe, J., Senwar, B. & Ferguson, V.L. Spaceflight-Induced Bone Tissue Changes that Affect Bone Quality and Increase Fracture Risk. Curr Osteoporos Rep 18, 1–12 (2020). https://doi.org/10.1007/s11914-019-00540-y Quelle interaction fondamentale de la Nature est responsable de la cohésion de l'os à l'échelle moléculaire ? interaction electromagnétique hydroxyapatite : minéral naturel, composant principal de l'os et des dents chez les vertébrés  Quelle interaction fondamentale de la Nature était responsable de la cohésion de l'os avant l'accident ? 1. Interaction forte 2. Force nucléaire 3. Interaction faible 4. Interaction électromagnétique 5. Interaction gravitationnelle Quel attribut doit avoir une particule pour être soumise à l'interaction électromagnétique ? 1. Une masse 2. Une charge électrique 3. Un spin  Force électromagnétique et force de Coulomb     F EM = q1 ( E + v × B )  q1 F EM Champ électrique  indiquant v=0 produit par q2 recteur distancles 1 q2 perinage en  q2    ur F EM = q1E E Coulomb = u 2 r 4πε 0 r↳ distence J entre les Constante Charges   1 q1q2  2 F EM = F Coulomb = Si le champs électrique est issu d'une charge ur q2 statique et que la vitesse de la charge Q1 4πε 0 r 2 ou le champ magnétique sont négligeables, la force exercée sur Q1 se résume a la force de coulomb : La force electromagétique et force de Coulomb : lie les électrons au noyau agit de manière attractive ou répulsive sur tous les objets possédant une charge électrique prépondérante a l’échelle de nos molécules et plus intense que la force gravitationnelle (lie les atomes de notre corps) 100x moins intense que la force nucléaire a la distance de 1 Fm Responsable des phénomènes quotidiens ( lumière, rayons X, électricité, chimie,…) la force EM ressentie par une particules de charge électrique q se déplaçant a la vitesse V dépend du Champ électrique E et du champ magnétique B  Que peut-on dire des propriétés d'attraction de la force de Coulomb ? (plusieurs réponses possibles) 1. deux charges positives se repoussent 2. deux charges négatives se repoussent 3. deux charges de signes opposés s'attirent  Par quel facteur est réduite la force de Coulomb, lorsque la distance entre deux charges passe de 0.1 nm à 10 nm   1 q1q2  1. 10 F EM = F Coulomb = ur 4πε 0 r 2 2. 100 3. 1'000 4. 10'000 =( 1. + + Lesquelles de ces charges positives ressentent le plus de répulsion ? 2. - + + + + + + - -  Lesquelles de ces charges positives ressentent le plus de répulsion ? + + 1. Situation 1-1 - + + 2. Situation 3-3 ++ ++ - - 3. Aucune différence 1. 1 charge + + interagit + 2. - + 3 charges +++ interagissent + + + + + 3 charges --- interagissent résultante ≈ 0 - - chaque personne contient environ la foudre implique typiquement 2 1028 électrons 1021 électrons (≈ 3 milliards de coulombs. 3 GC) (quelques centaines de coulombs) https://www.meteosuisse.admin.ch/portrait/meteosuisse- blog/fr/2024/08/le-point-sur-la-canicule-et-les-orages.html Quelle interaction fondamentale de la Nature est responsable de la cohésion de l'os à l'échelle atomique ?  Quelle interaction fondamentale de la Nature est responsable de la cohésion des atomes ? 1. Interaction forte 2. Force nucléaire 3. Interaction faible 4. Interaction électromagnétique 5. Interaction gravitationnelle Quelle interaction fondamentale de la Nature est responsable de la cohésion du noyau ? noyau composé de protons (charge +) et de neutrons (charge 0)  Quelle interaction fondamentale de la Nature est responsable de la cohésion des noyaux ? 1. Interaction forte 2. Force nucléaire 3. Interaction faible 4. Interaction électromagnétique 5. Interaction gravitationnelle  La force forte : attractive à très courte distance et confine les quarks à l’intérieur des nucléons —> interaction entre les quark est de type élastique : plus la distance qui les sépare est grande, plus l’attraction est importante. cohésion des objets de taille très petite (échelle du femtometre) : noyau U, nucléons intensité la plus importante agit de manière résiduelle sur la cohésion des noyaux atomique : La Force nucléaire (force de contact)—> lie les nucléons dans le noyau, ni sensible a la charge électrique ni a la masse, amplitude est la même peut importe les nucléons , très attractive en dessous de 0.8fm, possède un cœur répulsif empêchant les nucléons de se chevaucher  La force nucléaire (attractive) domine la force coulombienne (répulsive) à 1 fm force coulombienne (N) force nucléaire (104 N) F F + + distance  Force nucléaire Répulsive à très courte distance force nucléaire (104 N) Attractive entre 1 et 2.5 fm Sans action en dessus de 2.5 fm Pas de différence entre … … neutron - proton … neutron - neutron … proton - proton Quelle interaction fondamentale de la Nature est responsable de la cohésion des protons et des neutrons ? proton neutron (charge +) (charge 0)  Quelle interaction fondamentale de la Nature est responsable de la cohésion des protons et des neutrons ? 1. Interaction forte 2. Force nucléaire 3. Interaction faible 4. Interaction électromagnétique 5. Interaction gravitationnelle  Les protons et les neutrons ne sont pas des particules élémentaires Les protons et les neutrons sont composés de quarks qui tiennent ensembles par l'interaction forte La force nucléaire est une émanation de l'interaction forte, au même titre que la "force chimique" serait une émanation de l'interaction électromagnétique proton Quelle interaction fondamentale de la Nature est responsable de la cohésion des électrons ? électron (charge -)  Quelle interaction fondamentale de la Nature est responsable de la cohésion des électrons ? 1. Interaction forte 2. Force nucléaire 3. Interaction faible 4. Interaction électromagnétique 5. Interaction gravitationnelle 6. Aucune L'électron est une particule élémentaire (membre de la famille des leptons) Il n'y a pas de "sous-particules" qui composent l'électron et qui devraient être maintenues ensemble sous l'effet d'une interaction  Interaction faible Quatrième interaction fondamentale Elle ne joue un rôle qu'à petite échelle ( émission de photons de haute énérgie, de neutrinos et parfois de paire particule-antiparticule moins massives Ex. antiparticule : proton +e/antiproton -e,antiélectron( positron)/electron (possèdent le meme spin et la meme masse) Interaction entre un électron et un positron de faible énergie cinétique—> formation d’une entité instable pendant un court instant puis annihilation sous forme de 2 photons émis dans des directions opposées Anderson et al., 'Observation of the effect of gravity on the motion of antimatter' Nature 621, 716–722 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06527-1  En analysant les trajectoires des atomes d'antihydrogène, on peut estimer _ l'effet de la gravité H (antihydrogène) e+ (positron) T = 0.5 K p- (antiproton) https://physics.aps.org/articles/v16/167?utm_campaign=weekly&utm_medium=email&utm_source=emailalert Et les autres forces ?  Quelle interaction s'oppose à la gravité dans ce cas? 1. Interaction forte 2. interaction faible 3. Interaction électromagnétique 4. Interaction gravitationnelle Fgravité Comparaison des interactions interaction responsable de la cohésion interaction gravitationnelle proton proton + + 1 fm Amplitude Interaction (N) vitesse de transmission : interaction électromagnétique forte 25'000 vitesse de la EM 230 lumière ≈ 300'000 km/s gravitation 2 10-34 interaction forte aka vitesse de causalité Quelques Unité SI de la force : 1N dernières newton (N) précisions et pourtant, tout le monde dit que j'ai de la force Une force n'est pas une chose ni la propriété d'un objet (comme le serait sa masse ou son spin) Une force découle des interactions entre les choses Voici le classement des forces fondamentales de la nature du plus fort au moins fort : 1. Force nucléaire forte (interaction forte) C’est la force la plus puissante. Elle agit entre les quarks à l’intérieur des protons et des neutrons, maintenant la cohésion du noyau atomique. Elle est extrêmement puissante à des distances très courtes (de l’ordre du fermi, 10^{-15} m). 2. Force électromagnétique C’est la force qui agit entre les particules chargées. Elle est responsable de l’interaction entre électrons et protons dans les atomes, ainsi que de phénomènes comme la lumière, l’électricité et le magnétisme. Elle est plus faible que la force nucléaire forte, mais elle est à longue portée et elle domine les phénomènes à l’échelle atomique. 3. Force nucléaire faible (interaction faible) C’est une force responsable de certains types de radioactivité et de réactions nucléaires, comme la désintégration bêta. Elle est plus faible que la force électromagnétique et n’agit qu’à très courtes distances (de l’ordre de 10^{-18} m). 4. Gravité (interaction gravitationnelle) La gravité est la plus faible des forces fondamentales. Elle agit entre toutes les particules possédant de la masse, et elle est toujours attractive. Bien qu’elle soit responsable de la structure de l’univers à grande échelle (formation des planètes, des étoiles, etc.), elle est extrêmement faible comparée aux autres forces à l’échelle subatomique. Elle agit sur des distances infinies, mais son intensité est très faible à l’échelle des particules.  Résumé Composition du corps humain Quatre interactions fondamentales – Electrons – Interaction forte attractive à très courte distance particules élémentaires confine les quarks à l'intérieur des nucléons famille des leptons – Interaction électromagnétique – Protons et neutrons (nucléons) attractive ou répulsive sur tous les objets dotés d'une charge électrique composés de quarks – Interaction faible ne lie aucune particule Composition de la matière responsable de certaines transformations à l'intérieur des nucléons – 12 particules élémentaires – Interaction gravitationnelle beaucoup de composites attractive entre tous les objets dotés d'une masse – Chaque particule a une antiparticule annihilation lorsqu'elles se rencontrent (souvent sous la forme de photons) Transmission dans l'espace avec une vitesse finie – vitesse de la lumière Exemple de question d'examen  Type A. Un électron se trouve à 10-10 m d'un proton. Que se passe-t-il ? 1. Ils s'attirent, et la force électromagnétique est supérieure à la gravité 2. Ils s'attirent, et la gravité est supérieure à la force électromagnétique 3. Ils se repoussent, et la force électromagnétique est supérieure à la gravité 4. Ils se repoussent, et la gravité est supérieure à la force électromagnétique  Objectifs correspondants Décrire les principales particules élémentaires de la matière courante Comparer les caractéristiques principales des quatre interactions fondamentales de la Nature  A la surface de la Terre, nous sommes à environ 6'371 km de son centre et nous sommes soumis à une accélération de la pesanteur égale à g. La Lune orbite en moyenne à 384'400 km. Quelle accélération issue de la pesanteur de la Terre est ressentie par la Lune ? 1. g/6 2. g/36 3. g/60 4. g/3'600  Objectif correspondant Calculer la force s'exerçant entre deux masses ou entre deux charges électriques