TP 1 de physique : Comprendre l`électrisation

TP 1 de physique : Comprendre l’électrisation
I- Analyse de texte
Charles de Cistenay Dufay est né à Paris en 1698. L’histoire a retenu de lui qu’il fût
le premier à comprendre grâce à ses expériences qu’on devait distinguer deux sortes
d’électricité. Voici des extraits de son rapport à l’Académie des sciences 1:
“ On frotte un tube de verre pour le rendre électrique, et, le tenant dans une
situation bien horizontale, on laisse tomber dessus une parcelle de feuille d’or. […]
Sitôt qu’elle a touché le tube, elle est repoussée en haut, à la distance de 8 ou 10
pouces et elle demeure presque immobile en cet endroit. […] Il demeure donc
constant que les corps devenus électriques sont chassés par ceux qui les ont rendus
électriques […] car […] lorsqu’on laisse tomber la feuille sur le tube, il attire
vivement cette feuille qui n’est nullement électrique, mais dès qu’elle a touché le
tube […], elle est rendue électrique elle-même, et, par conséquent, elle en est
repoussée, et s’en tient toujours éloignée. […]
Ce qui me déconcerta prodigieusement fut l’expérience suivante : ayant élevé en
l’air une feuille d’or par le moyen du tube, j’en approchai un morceau de gomme
copal 2 frotté et rendu électrique ; la feuille fut s’y attacher sur le champ. […]
J’avoue que je m’attendais à un résultat tout contraire parce que, selon mon
raisonnement, le copal, qui était électrique, devait repousser la feuille qui l’était
aussi ; je répétai l’expérience un grand nombre de fois. […] La même chose arriva
en approchant de la feuille un morceau d’ambre 3 ou de cire d’Espagne 4 frotté.
Après plusieurs tentatives, qui ne me satisfaisaient nullement, j’approchai de la
feuille chassée par le tube une boule de cristal de roche frottée et rendue électrique
: elle repoussa cette feuille de même que le tube. Un autre tube de verre la chassa
de même. Enfin, je ne pus pas douter que le verre et le cristal de roche ne fissent
précisément le contraire de la gomme copal, de l’ambre et de la cire d’Espagne, en
sorte que la feuille repoussée par les uns à cause de l’électricité qu’elle avait, était
attirée par les autres ; cela me fit penser qu’il y avait peut-être deux genres
d’électricité différents et je fus confirmé dans ces idées par les expériences
suivantes. […]
Voilà donc deux électricités bien démontrées et je ne puis me dispenser de leur
donner des noms différents. […] J’appellerai donc l’une électricité vitrée, l’autre
électricité résineuse […] parce que le verre et le copal sont les deux matières qui
m’ont donné lieu de découvrir ces deux différentes électricités5. ”
1
Quatrième mémoire sur l’électricité, De l’attraction et de la répulsion des corps électriques,
1733.
2
Résine d’une plante exotique de la famille des légumineuses.
3
Résine fossile.
4
Cire végétale extraite d’une espèce de palmier.
5
Extraits pris dans l’Histoire de la physique, t. I, sous la direction de J. ROSMORDUC, TEC
et DOC, p. 139, et dans le Bulletin de l’Union des physiciens, n° 760, janvier 1994, p. 27-60.
Questions :
1. Donner les trois expériences successives réalisées par Dufay.
2. Énoncer les deux modèles successifs du phénomène d'électrisation des
substances énoncés par le savant (l'un erroné et l'autre juste).
3. Classer les substances expérimentées entre électricité vitreuse et résineuse dans
un tableau.
4. Quelle est la substance prise comme référence par Dufay pour classer les autres
substances ?
II- Expérimentation
Dufay dit : “ … et je fus confirmé dans ces idées par les expériences suivantes… ”.
Raisonnons un peu il l’a fait il y a de cela 300 ans. On reprend les expériences de
Dufay avec des matériaux plus modernes, moins coûteux et plus efficaces.
La feuille d'or est remplacée par des petites boulettes de polystyrène (PS) que vous
éplucherez d'un emballage. Vous pouvez également déchirer de tous petits
morceaux de papier genre brouillon.
Comme tiges à électriser vous disposer d'une tige de plexiglas, d'une règle en PCV,
d'un bâton en ébonite, des stylos plastiques de votre trousse et enfin une tige
métallique. On utilisera les pendules électrostatiques c'est à dire les boules en
aluminium suspendues à des fils en nylon. Vous frotterez soit avec la laine soit avec
une peau de chat.
1- Électrisation simple (par frottement)
Pour commencer, reproduisez une expérience similaire à la première expérience de
Dufay pour vous familiariser avec les phénomènes d’électrisation.
Décrire une expérience basique (à l’aide d’un schéma par exemple) avec les
boulettes de PS (ou autre) pour savoir si un corps s'électrise avec une autre
substance.
2- Comportement des deux types d'électricité
Attention : les électrisations sont délicates à réaliser : l’humidité de l’atmosphère
gènes considérablement les expériences : il faut frotter fort et utiliser un sèche
cheveu quand les objets sont humides. De plus les forces mises en jeu sont faibles
vis-à-vis des forces de contact. On déchargera la boule entre chaque expérience en
la touchant légèrement avec la main.
a) Frotter avec le même tissu 2 pailles (A et B). Chercher à approcher la paille B
de la partie électrisée de a paille A. Observez.
Recommencer la même expérience en remplaçant la paille B par une tige en
verre préalablement chargée par frottement (attention à ne pas vous blesser en
frottant la tige). La paille A étant à nouveau rechargée bien sur. Observez.
Lorsque l’on approche la paille B de la paille A, pour une certaine distance la
paille A est repoussée. L’approche de B vers A se fait-elle sans résistance ?
Comment qualifie-t-on les actions de B sur A et A sur B ?
Dans la 2ième expérience, la charge portée par la tige de verre diffère-t-elle de
celle portée par la paille ? Quelles sont les 2 « sortes » d’électricité ? (précisez
dans notre cas)
b) Réaliser et décrire une autre expérience montrant les interactions entre les deux
types d'électricité. Dessiner les forces de l'interaction électrostatique.
Dans un tableau classer les substances en fonction du type de charge
qu'elles ont prises dans vos expériences. Comme référence l'électricité qui
se développe sur le plexiglas est de type vitreuse c'est à dire de signe (+).
Sur vos dessins utilisez les signes + et - pour repérer les charges électriques.
c) D'après vos connaissances sur l'atome et sachant que les noyaux des différents
atomes ne retiennent pas identiquement leurs électrons, chercher à expliquer
que le frottement d'un corps sur une substance différente puisse entraîner son
électrisation. Comparer les signes des corps en présence. Vérifier
expérimentalement si possible.
d) Pourquoi l'air doit-il être sec ?
e) Comment expliquer que la tige frottée puisse attirer la boule (neutre au départ) ?
3- Isolant et conducteur
Tous les corps s’électrisent-ils par frottement ? Reprendre l’expérience précédente
avec le pendule électrostatique en utilisant une tige de verre frottée avec un morceau
de laine. Recommencer à nouveau l’expérience avec une tige métallique,
graphite…..après l’avoir frottée énergétiquement et l’approcher du pendule non
électrisé.
Classer dans un tableau les substances étudiées en isolant et en conducteur.
III- Déviation d’un mince filet d’eau
Approcher une paille frottée au voisinage d’un filet d’eau et observer.
Chercher la position optimale pour obtenir une bonne déviation. Recommencer avec
une tige de verre frottée. Observer.
Le sens de la déviation dépend-il du signe de la charge portée par le corps
chargé ?
Correction TP 1 : Comprendre l’électrisation
I- Analyse du texte
1- Trois expériences
Première expérience : Dufay montre que l'électricité développée sur le verre
repousse l'électricité passée sur la feuille d'or après son contact avec le verre
électrisé.
Deuxième expérience : L'électricité développée sur la résine de Copal attire
l'électricité passée sur la feuille d'or après son contact avec le verre électrisé.
Troisième expérience : L'électricité développée sur le cristal de roche repousse
l'électricité passée sur la feuille d'or après son contact avec le verre électrisé.
2- Deux modèles
Premier modèle : L'électricité est unique et tous les corps électrisés se repoussent.
Deuxième modèle : Il existe deux électricités, vitreuse et résineuse. (On pourrait
rajouter que deux électricités de même nom se repousse et deux de nom différent
s'attire mais ce n'est pas exprimé dans cette partie du texte).
On observe une certaine résistance.
Comment qualifie-t-on les actions de B sur A et A sur B ?
Les actions de B sur A et A sur B sont répulsifs.
Dans la 2ième expérience, la charge portée par la tige de verre diffère-t-elle de
celle portée par la paille ? Quelles sont les 2 « sortes » d’électricité ? (précisez
dans notre cas).
La charge portée par la tige de verre est différente, elle attire la paille A. Les 2
« sorte » d’électricité sont l’attraction et la répulsion.
b) Interaction entre charges
3- Classement des substances
VITREUSE
verre
cristal de roche
RESINEUSE
gomme copal
cire d'Espagne
4- Référence
Dufay a toujours comparé les électricités à celle développée sur le verre. La
substance de référence est donc le verre.
II- Expériences sur l'électrisation
1- Electrisation simple
Tableau de quelques substances
VITREUSE +
Plexiglas
Verre
Quartz
RESINEUSE Silicone
PCV (règle)
Ebonite
c) Mécanisme de l'électrisation par frottement
2- Comportement de deux types d'électricité
a) Existence des deux types d'électricité
Lorsque l’on approche la paille B de la paille A, pour une certaine distance la
paille A est repoussée. L’approche de B vers A se fait-elle sans résistance ?
Lors de l'électrisation les atomes (ou molécules) plus électronégatifs prennent des
électrons en excès (en proportion infime par rapport à ceux présents sur les atomes).
Les deux corps frottés prennent des charges différentes, le plus électronégatif
devenant – et l'autre +.
d) Si l'air n'est pas sec il devient assez conducteur pour disperser les charges et
fausser les observations.
e) Attraction d'un corps neutre
Lorsqu'on approche les charges + de la boule
initialement neutre, la charge nulle de la boule se
sépare en quantité égale de charge + et –.
Les charges – s'approchent de la tige et les charges +
s'en éloignent au maximum. Il se forme un dipôle.
Puisque les charges de signe contraire sont plus
rapprochées que les charges de même signe, il en résulte une attraction un peu plus
faible que sur une charge unique.
3- Isolant et conducteur
CONDUCTEURS
métal
graphite (mine de crayon)
eau
ISOLANT
Plastiques (plexiglas ou PCV)
Verre
alcool
III- Déviation d’un mince filet d’eau
Supposons que l’on approche du jet un
chalumeau chargé négativement. À son
voisinage, les molécules d’eau du jet
s’orientent de telle manière que le
barycentre des charges positives soit plus
proche que le barycentre des charges
négatives.
Conformément à la loi de Coulomb, la
résultante des forces d’attraction entre les Attraction d’une molécule d’eau
dans le cas d’un chalumeau chargé négativement
charges négatives de la paille et le centre
des charges positives des molécules d’eau
est plus intense que la résultante des forces de répulsion entre les charges négatives
de la paille et le centre des charges négatives des molécules d’eau.
Liste du matériel 1S du TP 1 : Comprendre l’électrisation
Paillasse prof :
1 electroscope
Par paillasse élève :
1 tige de plexiglasse
1 pendule électrostatique
Pour le Mercredi 7 septembre à