Cours de Physique : Les Interactions dans l'Univers
Cours complet, structuré et illustré conforme au programme officiel tunisien pour la 3ème Année Informatique (Interaction électrique, loi de Coulomb, champ électrique, interaction magnétique, expérience d'Oersted, vecteur champ B et champ terrestre).
نص الوثيقة
نسخة نصية من الملف للقراءة والبحث. الملف الأصلي بصيغة PDF أعلاه.
CHAPITRE : LES INTERACTIONS DANS L’UNIVERS
Discipline : Physique | Niveau : 3
ème
Année Secondaire | Section : Informatique
Volume horaire indicatif : 13 à 15 heures | Année Scolaire : 2025-2026
Objectifs du Chapitre (Programme Officiel Offert)
À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :
— Énoncer et appliquer la Loi de Coulomb pour deux charges électriques ponctuelles
immobiles.
— Mettre en évidence expérimentalement l’existence du champ électrique créé par une
charge ponctuelle.
— Déterminer les caractéristiques du vecteur champ électrique
⃗
E et représenter la force
électrique
⃗
F = q ·
⃗
E.
— Reconnaître la forme d’un spectre électrique (charge ponctuelle, ensemble de deux charges,
champ uniforme).
— Mettre en évidence expérimentalement les interactions magnétiques (aimant-aimant,
aimant-courant, courant-courant).
— Définir et représenter le vecteur champ magnétique
⃗
B et interpréter les lignes de
champ.
— Caractériser un champ magnétique uniforme et la composante horizontale du champ
magnétique terrestre
⃗
BH .
PARTIE I : L’INTERACTION ÉLECTRIQUE
1. Loi de Coulomb
Loi de Coulomb (1785)
Deux charges électriques ponctuelles qA et qB , placées en deux points A et B séparés par
une distance r dans le vide ou dans l’air, s’exercent mutuellement des forces d’interaction
électrostatique
⃗
FA/B (force exercée par A sur B) et
⃗
FB/A (force exercée par B sur A).
Ces forces présentent les caractéristiques suivantes :
— Direction : la droite support (AB) passant par les deux charges.
— Intensité (norme) :
F = ∥
⃗
FA/B ∥ = ∥
⃗
FB/A∥ = K ·
|qA · qB |
r
2
— Sens : opposés (
⃗
FA/B = −
⃗
FB/A, conformément au principe des actions réciproques).
Unités SI : F en Newton (N), qA, qB en Coulomb (C), r en mètre (m), et la constante
K ≈ 9,0 × 10
9
N · m
2
· C
−2
.
1
+
Charge qA > 0
+
Charge qB > 0
⃗
F
B/A
⃗
F
A/B
r
(a) Charges de même signe : Répulsion
+
qA > 0
−
qB < 0
⃗
F
B/A
⃗
F
A/B
r
(b) Charges de signes contraires : Attraction
Fig. 1 — Forces d’interaction électrostatique de Coulomb.
2. Le Champ Électrique
Définition : Champ Électrique
Toute charge électrique qS (charge source) modifie les propriétés de l’espace environnant en y
créant un champ électrique noté
⃗
E.
Lorsqu’une charge d’épreuve q est placée en un point M de cet espace, elle subit une force
électrique :
⃗
F = q ·
⃗
E(M )
Relations vectorielles :
— Si q > 0, la force
⃗
F et le champ
⃗
E ont le même sens.
— Si q < 0, la force
⃗
F et le champ
⃗
E ont des sens opposés.
Unité SI : L’intensité du champ
⃗
E s’exprime en Newton par Coulomb (N · C
−1
) ou en Volt
par mètre (V · m
−1
).
2.1 Champ créé par une charge ponctuelle
Une charge ponctuelle qS située au point O crée en tout point M distant de r un vecteur champ
électrique
⃗
E caractérisé par :
— Direction : la droite (OM ) (direction radiale).
— Sens : centrifuge (s’éloignant de O) si qS > 0 ; centripète (dirigé vers O) si qS < 0.
— Norme : E = K ·
|qS |
r
2 .
2.2 Champ électrique uniforme
Un champ électrique
⃗
E est dit uniforme dans une région de l’espace si le vecteur
⃗
E conserve la
même direction, le même sens et la même norme en tout point de cette région.
Réalisation expérimentale : Entre deux plaques métalliques planes et parallèles soumises à
une différence de potentiel U = VA − VB , le champ électrique est uniforme. Son intensité vaut :
E =
U
d
où U est la tension électrique en Volts (V) et d la distance séparant les plaques en mètres (m).
Plaque A (+U )
+
+
+
+
Plaque B (0 V)
−
−
−
−
⃗
E
d
2
Fig. 2 — Champ électrique uniforme entre deux armatures parallèles.
Exemple d’Application 1 (Résolu)
Énoncé : Deux charges ponctuelles qA = +2,0 × 10
−9
C et qB = −3,0 × 10
−9
C sont placées
dans l’air en deux points A et B distants de r = 10 cm = 0,10 m.
1. Calculer l’intensité de la force d’attraction électrostatique exercée entre ces deux charges.
2. Déterminer l’intensité du vecteur champ électrique
⃗
EA créé par la charge qA au point B
et préciser son orientation.
Solution détaillée :
1. Calcul de la force de Coulomb : D’après la loi de Coulomb :
F = K ·
|qA · qB |
r
2
Application numérique :
F = 9,0×10
9
×
|(+2,0 × 10
−9
) × (−3,0 × 10
−9
)|
(0,10)
2
= 9,0×10
9
×
6,0 × 10
−18
10
−2
= 5,4×10
−6
N
2. Caractéristiques du champ
⃗
EA au point B : L’intensité du champ électrique s’ex-
prime par :
EA = K ·
|qA|
r
2
= 9,0 × 10
9
×
2,0 × 10
−9
(0,10)
2
= 1800 N · C
−1
(ou V · m
−1
)
Puisque qA > 0, le vecteur champ
⃗
EA(B) est centrifuge, orienté de A vers B.
PARTIE II : L’INTERACTION MAGNÉTIQUE
1. Mise en évidence expérimentale des interactions magnétiques
Les phénomènes magnétiques se manifestent à travers trois expériences fondamentales :
a) Interaction Aimant – Aimant : Deux aimants interagissent à distance. Deux pôles de même
nom (Nord-Nord ou Sud-Sud) se repoussent, tandis que deux pôles de noms différents (Nord-
Sud) s’attirent.
b) Interaction Aimant – Courant (Expérience de Oersted, 1820) : Lorsqu’un conducteur
rectiligne placé au-dessus d’une aiguille aimantée est traversé par un courant électrique, l’aiguille
dévie de sa position d’équilibre initiale. Un courant électrique crée un champ magnétique
dans son voisinage.
3
G
K R
Fil conducteur
Courant I
Aiguille aimantée déviée
S N
Fig. 3 — Expérience de Oersted : déviation d’une aiguille aimantée par un courant.
c) Interaction Courant – Courant : Deux fils conducteurs parallèles parcourus par des courants
électriques de même sens s’attirent. Si les courants circulent en sens contraires, les deux fils se
repoussent.
2. Le Champ Magnétique
Caractéristiques du Vecteur Champ Magnétique
⃗
B
Un champ magnétique existe dans toute région de l’espace où une aiguille aimantée subit une
action mécanique qui l’oriente.
En tout point M , le champ magnétique est représenté par un vecteur
⃗
B caractérisé par :
— Direction : l’axe de l’aiguille aimantée placée en équilibre au point M .
— Sens : du pôle Sud (S) vers le pôle Nord (N ) de l’aiguille aimantée.
— Norme (Intensité) : mesurée à l’aide d’un teslamètre. L’unité SI est le Tesla (symbole
T).
2.1 Lignes de champ et spectres magnétiques
Les lignes de champ magnétique sont des lignes orientées, tangentes au vecteur
⃗
B en chacun
de leurs points. À l’extérieur d’un aimant droit, les lignes de champ sortent par le pôle Nord et
entrent par le pôle Sud.
S N
Aiguille aimantée
⃗
B
Fig. 4 — Spectres magnétiques et orientation du vecteur champ
⃗
B.
2.2 Le Champ Magnétique Terrestre
La Terre se comporte comme un aimant géant et génère un champ magnétique global
⃗
BT . En un
lieu donné (en Tunisie par exemple), la composante horizontale
⃗
BH oriente l’aiguille de la boussole
vers le Nord magnétique.
4
On retient la décomposition vectorielle :
⃗
BT =
⃗
BH +
⃗
BV
En Tunisie, la norme de la composante horizontale vaut approximativement :
BH ≈ 2,0 × 10
−5
T
Exemple d’Application 2 (Résolu)
Énoncé : Une aiguille aimantée est mobile autour d’un axe vertical. En l’absence d’autre
source, elle s’oriente selon le méridien magnétique sous l’action de la composante terrestre
BH = 2,0 × 10
−5
T.
On approche un aimant droit créant au centre de l’aiguille un champ magnétique
⃗
B0 perpen-
diculaire au méridien magnétique, d’intensité B0 = 2,0 × 10
−5
T.
1. Schématiser la superposition des champs magnétiques.
2. Calculer l’angle de déviation α pris par l’aiguille aimantée.
3. Déterminer l’intensité du champ magnétique résultant
⃗
Btot.
Solution détaillée :
1. Construction vectorielle : L’aiguille prend la direction du champ résultant
⃗
Btot =
⃗
BH +
⃗
B0.
⃗
BH
⃗
B0
⃗
Btot
α
2. Calcul de l’angle de déviation α : Dans le triangle rectangle formé par la composition
vectorielle :
tan(α) =
B0
BH
=
2,0 × 10
−5
2,0 × 10
−5
= 1,0 =⇒ α = 45
◦
3. Calcul de la norme de Btot : D’après le théorème de Pythagore :
Btot =
√
B
2
H
+ B
2
0
=
√
(2,0 × 10
−5
)
2
+ (2,0 × 10
−5
)
2
= 2,0 × 10
−5
×
√
2 ≈ 2,83 × 10
−5
T
5
PARTIE III : L’ESSENTIEL DU COURS (RÉCAPITULA-
TIF)
Synthèse des Formules et Unités du Chapitre
Notion / Loi Formule mathématique Unités Système International (SI)
Loi de Cou-
lomb
F = K ·
|qA · qB |
r
2
F en N, q en C, r en m, K = 9,0 × 10
9
N · m
2
· C
−2
Force élec-
trique
⃗
F = q ·
⃗
E F en Newton (N), E en N · C
−1
ou V · m
−1
Champ
ponctuel
E = K ·
|qS |
r
2
qS en Coulomb (C), r en mètre (m)
Champ uni-
forme
E =
U
d
U tension en Volt (V), d distance en mètre (m)
Champ ma-
gnétique
Vectoriel :
⃗
Btot =
∑
⃗
Bi Norme B en Tesla (T)
Champ ter-
restre
⃗
BT =
⃗
BH +
⃗
BV En Tunisie : BH ≈ 2,0 × 10
−5
T
6