Physique-Chimie1ère

Force électrique et lois qualitatives
Exercices corrigés

Maîtrisez la force électrique et les lois qualitatives : loi de Coulomb, forces électrostatiques, interactions entre charges, propriétés des forces électriques grâce à ces 5 exercices détaillés.

Concepts & Exercices
\(\vec{F} = k\frac{q_1q_2}{r^2}\vec{u}_r\)
Loi de Coulomb
Force électrique
\(\vec{F} = k\frac{q_1q_2}{r^2}\vec{u}_r\)
Loi de Coulomb
Constante de Coulomb
\(k = 8.99 \times 10^9 \frac{Nm^2}{C^2}\)
Constante fondamentale
Force et champ
\(\vec{F} = q\vec{E}\)
Relation fondamentale
⚡
Force électrique : Force d'interaction entre charges électriques, attractive ou répulsive selon les signes
⚖️
Proportionnalité : Force proportionnelle au produit des charges et inversement proportionnelle au carré de la distance
🔄
Lois qualitatives : Charges de même signe se repoussent, charges de signes opposés s'attirent
Exercice 1
Deux charges q₁ = +3μC et q₂ = -5μC sont séparées de 10 cm. Calculer la force électrique entre elles.
Exercice 2
Trois charges identiques q = +2μC sont disposées aux sommets d'un triangle équilatéral de côté 5 cm. Calculer la force résultante sur une charge.
Exercice 3
Une charge q = -4μC est placée dans un champ électrique uniforme de 1000 N/C. Calculer la force subie et sa direction.
Exercice 4
Expliquer qualitativement les interactions entre charges de même signe et de signes opposés.
Exercice 5
Deux charges q₁ = +6μC et q₂ = +4μC sont séparées de 8 cm. Où placer une charge q₃ pour qu'elle soit en équilibre ?
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Force électrique entre deux charges
Définition :

Loi de Coulomb : La force électrique entre deux charges q₁ et q₂ est donnée par : \(\vec{F} = k\frac{q_1q_2}{r^2}\vec{u}_r\), où k est la constante de Coulomb.

Méthode de calcul :
  1. Identifier les charges q₁ et q₂
  2. Identifier la distance r entre les charges
  3. Appliquer la loi de Coulomb
  4. Calculer le produit q₁q₂
  5. Calculer r²
  6. Effectuer le calcul numérique
Données
q₁ = +3μC, q₂ = -5μC, r = 10 cm
Formule
F = k|q₁q₂|/r²
Résultat
F = 13.5 N (attractive)
Étape 1 : Identifier les données

Charge 1 : q₁ = +3 μC = +3×10⁻⁶ C
Charge 2 : q₂ = -5 μC = -5×10⁻⁶ C
Distance : r = 10 cm = 0.1 m
Constante de Coulomb : k = 8.99×10⁹ N·m²/C²

Étape 2 : Appliquer la loi de Coulomb

\(F = k\frac{|q_1q_2|}{r^2}\)
Le signe du produit détermine le sens de la force

Étape 3 : Calculer le produit des charges

\(|q_1q_2| = |3 \times 10^{-6} \times (-5) \times 10^{-6}| = 15 \times 10^{-12}\) C²

Étape 4 : Calculer le carré de la distance

\(r^2 = (0.1)^2 = 0.01\) m²

Étape 5 : Effectuer le calcul

\(F = 8.99 \times 10^9 \times \frac{15 \times 10^{-12}}{0.01} = 8.99 \times 10^9 \times 1.5 \times 10^{-9} = 13.485\) N

Étape 6 : Déterminer le sens de la force

Comme q₁ et q₂ sont de signes opposés, la force est attractive.

\(F = 13.5\) N (force attractive)
Réponse finale :

La force électrique entre les deux charges est de 13.5 newtons et elle est attractive.

Règles appliquées :

• Nature de la force : Charges opposées → force attractive

• Direction : La force est dirigée le long de la ligne joignant les charges

• Intensité : Proportionnelle à |q₁q₂| et inversement proportionnelle à r²

2 Force résultante dans un triangle équilatéral
Définition :

Superposition des forces : La force résultante sur une charge est la somme vectorielle des forces exercées par les autres charges.

Données
q = +2μC, a = 5 cm
Symétrie
Triangle équilatéral
Calcul
F_res = 2F cos(30°)
Étape 1 : Analyser la configuration

Triangle équilatéral de côté a = 5 cm avec une charge +q à chaque sommet.

Étape 2 : Calculer la force entre deux charges

\(F = k\frac{q^2}{a^2} = 8.99 \times 10^9 \times \frac{(2 \times 10^{-6})^2}{(0.05)^2}\)

Étape 3 : Calculer le dénominateur

\(a^2 = (0.05)^2 = 0.0025\) m²

Étape 4 : Calculer le numérateur

\(q^2 = (2 \times 10^{-6})^2 = 4 \times 10^{-12}\) C²

Étape 5 : Effectuer le calcul de F

\(F = 8.99 \times 10^9 \times \frac{4 \times 10^{-12}}{0.0025} = 8.99 \times 10^9 \times 1.6 \times 10^{-9} = 14.384\) N

Étape 6 : Analyser la géométrie

Dans un triangle équilatéral, les angles sont de 60°. Les deux forces forment un angle de 120° entre elles.

Étape 7 : Calculer la résultante

Par symétrie, la composante perpendiculaire s'annule.
\(F_{résultante} = 2F\cos(30°) = 2 \times 14.384 \times \cos(30°)\)
\(\cos(30°) = \frac{\sqrt{3}}{2} \approx 0.866\)
\(F_{résultante} = 2 \times 14.384 \times 0.866 = 24.93\) N

\(F_{résultante} = 24.93\) N
Réponse finale :

La force résultante sur une charge est de 24.93 newtons, dirigée vers le centre du triangle.

Règles appliquées :

• Superposition : \(\vec{F}_{résultante} = \vec{F}_1 + \vec{F}_2 + ...\)

• Symétrie : Utilisée pour simplifier les calculs vectoriels

• Angles : Les angles dans la géométrie influencent la résultante

3 Force sur une charge dans un champ électrique
Définition :

Relation force-champ : La force subie par une charge q placée dans un champ électrique \(\vec{E}\) est : \(\vec{F} = q\vec{E}\).

Données
q = -4μC, E = 1000 N/C
Formule
F = qE
Calcul
F = -4×10⁻³ N
Étape 1 : Identifier les données

Charge : q = -4 μC = -4×10⁻⁶ C
Champ électrique : E = 1000 N/C

Étape 2 : Appliquer la relation fondamentale

\(\vec{F} = q\vec{E}\)

Étape 3 : Calculer l'intensité de la force

\(|F| = |q| \times E = 4 \times 10^{-6} \times 1000 = 4 \times 10^{-3}\) N

Étape 4 : Déterminer la direction

Comme q < 0, la force est opposée au champ : \(\vec{F} = -|q|\vec{E}\)

Étape 5 : Interpréter le résultat

La force a une intensité de 4×10⁻³ N et est opposée au sens du champ.

Étape 6 : Vérification

Une charge négative subit une force dans le sens opposé au champ électrique.

\(F = 4 \times 10^{-3}\) N (opposée au champ)
Réponse finale :

La charge subit une force de 4×10⁻³ N dirigée dans le sens opposé au champ électrique.

Règles appliquées :

• Direction : Pour q > 0, F et E sont dans le même sens

• Sens opposé : Pour q < 0, F et E sont dans des sens opposés

• Intensité : |F| = |q| × E

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Lois qualitatives des interactions électriques
Définition :

Lois qualitatives : Les charges électriques interagissent selon des règles simples : charges de même signe se repoussent, charges de signes opposés s'attirent.

Loi 1
+q₁ repousse +q₂
Loi 2
+q₁ attire -q₂
Loi 3
-q₁ attire +q₂
Étape 1 : Analyser les interactions entre charges de même signe

Deux charges positives ou deux charges négatives s'éloignent l'une de l'autre.

Étape 2 : Analyser les interactions entre charges de signes opposés

Une charge positive et une charge négative s'attirent mutuellement.

Étape 3 : Expliquer l'origine de ces lois

Ces comportements découlent de la loi de Coulomb : F ∝ q₁q₂

Étape 4 : Étudier la dépendance avec la distance

La force diminue avec le carré de la distance entre les charges.

Étape 5 : Considérer la symétrie de l'interaction

La force exercée par q₁ sur q₂ est égale et opposée à celle exercée par q₂ sur q₁.

Étape 6 : Applications pratiques

Phénomènes d'électrisation, foudre, fonctionnement des condensateurs.

Mêmes signes → répulsion, Signes opposés → attraction
Réponse finale :

Les charges de même signe se repoussent et les charges de signes opposés s'attirent, conformément à la loi de Coulomb.

Règles appliquées :

• Loi qualitative : Charges de même signe → répulsion

• Loi qualitative : Charges de signes opposés → attraction

• Intensité : Proportionnelle à |q₁q₂| et inversement proportionnelle à r²

5 Position d'équilibre d'une charge
Définition :

Équilibre électrostatique : Une charge est en équilibre si la force résultante exercée sur elle par les autres charges est nulle.

Données
q₁ = +6μC, q₂ = +4μC, d = 8 cm
Équilibre
F₁ + F₂ = 0
Calcul
x = 4.38 cm de q₁
Étape 1 : Analyser la configuration

Deux charges positives q₁ = +6μC et q₂ = +4μC séparées de d = 8 cm.

Étape 2 : Identifier la position de la charge q₃

Soit x la distance entre q₁ et q₃. Alors la distance entre q₃ et q₂ est (d-x).

Étape 3 : Écrire les forces exercées sur q₃

Force de q₁ sur q₃ : \(F_1 = k\frac{q_1q_3}{x^2}\) (dirigée vers la droite si q₃ > 0)
Force de q₂ sur q₃ : \(F_2 = k\frac{q_2q_3}{(d-x)^2}\) (dirigée vers la gauche si q₃ > 0)

Étape 4 : Condition d'équilibre

Pour que la charge q₃ soit en équilibre : \(F_1 = F_2\)
\(k\frac{q_1q_3}{x^2} = k\frac{q_2q_3}{(d-x)^2}\)

Étape 5 : Simplifier l'équation

\(\frac{q_1}{x^2} = \frac{q_2}{(d-x)^2}\)
\(\frac{6}{x^2} = \frac{4}{(8-x)^2}\)

Étape 6 : Résoudre l'équation

\(6(8-x)^2 = 4x^2\)
\(6(64 - 16x + x^2) = 4x^2\)
\(384 - 96x + 6x^2 = 4x^2\)
\(2x^2 - 96x + 384 = 0\)
\(x^2 - 48x + 192 = 0\)

Étape 7 : Résoudre l'équation du second degré

\(\Delta = 48^2 - 4(1)(192) = 2304 - 768 = 1536\)
\(x = \frac{48 \pm \sqrt{1536}}{2} = \frac{48 \pm 39.19}{2}\)
\(x_1 = \frac{48 - 39.19}{2} = 4.41\) cm ou \(x_2 = \frac{48 + 39.19}{2} = 43.6\) cm

Étape 8 : Interpréter les solutions

Seule la solution x₁ = 4.41 cm est valide car x₂ > d = 8 cm (hors du segment entre les charges).

\(x = 4.41\) cm de q₁
Réponse finale :

La charge q₃ doit être placée à 4.41 cm de la charge q₁ pour être en équilibre.

Règles appliquées :

• Équilibre : \(\sum \vec{F} = \vec{0}\)

• Solution physique : La position doit être entre les deux charges pour charges de même signe

• Stabilité : L'équilibre est instable pour charges de même signe

Cours bien détaillé
\(\vec{F} = k\frac{q_1q_2}{r^2}\vec{u}_r\)
Loi de Coulomb
⚡
Force électrique : Force d'interaction entre charges électriques, peut être attractive ou répulsive.
⚖️
Proportionnalité : Force proportionnelle au produit des charges et inversement proportionnelle au carré de la distance.
🔄
Lois qualitatives : Charges de même signe se repoussent, charges de signes opposés s'attirent.
🔗
Relation champ-force : \(\vec{F} = q\vec{E}\), lien entre force et champ électrique.
💡
Conseil : Toujours tenir compte du signe des charges pour déterminer le sens de la force.
🔍
Attention : La force diminue rapidement avec la distance (en 1/r²).
⚡
Astuce : Utiliser la symétrie pour simplifier les calculs de forces résultantes.
📋
Méthode : Pour l'équilibre, sommer toutes les forces vectoriellement.
✅
Vérification : S'assurer que les unités sont cohérentes dans les calculs.
Méthodes de calcul :
  • Force électrique : \(F = k\frac{|q_1q_2|}{r^2}\)
  • Direction : Le long de la droite joignant les charges
  • Sens : Répulsion si même signe, attraction si signes opposés
  • Superposition : \(\vec{F}_{résultante} = \sum \vec{F}_i\)
Règles importantes :
  • Les charges de même signe se repoussent mutuellement
  • Les charges de signes opposés s'attirent mutuellement
  • La force électrique est proportionnelle au produit des charges
  • La force électrique est inversement proportionnelle au carré de la distance
  • La force électrique est une force à distance
Force électrique et lois qualitatives Champs de forces