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Physique · Classes prépa (CPGE) — 1ère année — TSI

Mouvement de particules chargées

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

La force de Lorentz s'exprime par : $\vec{F} = q(\vec{E} + \vec{v} \wedge \vec{B})$.

  • Si $\vec{B} = \vec{0}$ : Mouvement rectiligne uniformément varié (accélération constante).
  • Si $\vec{E} = \vec{0}$ : La force magnétique $\vec{F}_m = q\vec{v} \wedge \vec{B}$ est perpendiculaire à $\vec{v}$, donc le travail est nul : l'énergie cinétique est conservée ($v = cste$).
  • Dans un champ $\vec{B}$ uniforme, la trajectoire est circulaire (si $\vec{v} \perp \vec{B}$) ou hélicoïdale.

Méthodes à maîtriser

  1. Appliquer le PFD : $\sum \vec{F} = m\vec{a}$.
  2. Choisir un repère adapté (souvent Frenet pour les trajectoires courbes).
  3. Utiliser les conditions initiales pour déterminer les constantes d'intégration.
  4. Établir l'équation différentielle du mouvement.

Exemples corrigés

Exemple : Particule de charge $q$ entrant perpendiculairement dans un champ $\vec{B}$. Le PFD donne $q(\vec{v} \wedge \vec{B}) = m\vec{a}$. Comme $\vec{a} = \frac{v^2}{R}\vec{n}$, on trouve $R = \frac{mv}{|q|B}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier que la force magnétique ne travaille pas.
  • Confondre le sens du produit vectoriel (règle de la main droite).
  • Négliger le poids sans justification (souvent négligeable devant la force électrique).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Mouvement de particules chargées

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La force de Lorentz est donnée par :

❓ Questions fréquentes

Chno hiya l'farq bin l'force électrique w l'force magnétique f l'mouvement?
  1. La force électrique $\vec{F}_e = q\vec{E}$ peut modifier la norme de la vitesse (accélérer ou freiner).
  2. La force magnétique $\vec{F}_m = q\vec{v} \wedge \vec{B}$ modifie uniquement la direction de la vitesse, pas sa norme, car elle est toujours perpendiculaire au déplacement.

💡 À retenir : Seule la force électrique travaille, la force magnétique dévie la trajectoire sans changer l'énergie cinétique.

Kifach n7seb l'rayon dial l'masar f champ magnétique?
  1. Applique le PFD : $m\vec{a} = q\vec{v} \wedge \vec{B}$.
  2. Projette sur le vecteur normal $\vec{n}$ du repère de Frenet.
  3. Utilise $a = \frac{v^2}{R}$ et la norme du produit vectoriel $|\vec{v} \wedge \vec{B}| = vB \sin(\theta)$.
  4. Isole $R$ : $R = \frac{mv}{|q|B \sin(\theta)}$.

💡 À retenir : Si $\vec{v} \perp \vec{B}$, alors $R = \frac{mv}{|q|B}$.

Wach l'wazn dima kan-hmlouh f had l'chapiitre?

Oui, dans la majorité des exercices sur les particules chargées (électrons, protons), le poids $P = mg$ est négligeable devant la force de Lorentz car la masse est extrêmement faible ($10^{-31}$ kg pour l'électron).

💡 À retenir : Justifie toujours par « $F_{Lorentz} \gg P$ » avant de négliger le poids.

Quelle est la condition pour que la trajectoire soit rectiligne dans un champ électromagnétique croisé ?

La force totale doit être nulle : $\vec{F} = q(\vec{E} + \vec{v} \wedge \vec{B}) = \vec{0}$. Il faut donc $\vec{E} = - \vec{v} \wedge \vec{B}$.

💡 À retenir : Cela impose une vitesse spécifique $v = E/B$.

Pourquoi la période de révolution est-elle indépendante de la vitesse ?

Le rayon $R = \frac{mv}{qB}$ et la vitesse $v$ sont proportionnels. La période $T = \frac{2\pi R}{v} = \frac{2\pi m}{qB}$.

💡 À retenir : La période dépend uniquement de la masse, de la charge et du champ magnétique.

Comment déterminer le signe de la charge q ?

Utilise la règle de la main droite pour le produit vectoriel $\vec{v} \wedge \vec{B}$ et compare avec le sens de la déviation observée. Si la déviation est opposée à la force magnétique théorique pour une charge positive, alors $q < 0$.

💡 À retenir : Le signe de $q$ inverse le sens de la force.

Est-ce que l'énergie cinétique change dans un champ magnétique uniforme ?

Non, car le travail de la force magnétique est nul ($W = \int \vec{F}_m \cdot d\vec{l} = 0$ car $\vec{F}_m \perp \vec{v}$).

💡 À retenir : $E_c = \frac{1}{2}mv^2 = cste$.

Comment se comporte une particule si vec{v} n'est pas perpendiculaire à vec{B} ?

Le mouvement est hélicoïdal. On décompose $\vec{v}$ en $\vec{v}{//}$ (parallèle à $\vec{B}$) et $\vec{v}{\perp}$ (perpendiculaire). $\vec{v}{//}$ reste constante et $\vec{v}{\perp}$ subit une rotation.

💡 À retenir : Le pas de l'hélice est $p = v_{//} \cdot T$.

Quelle est l'unité de B dans le système international ?

L'unité est le Tesla (T).

💡 À retenir : $1 T = 1 N \cdot s \cdot C^{-1} \cdot m^{-1}$.

Est-ce que le champ électrique peut dévier une particule ?

Oui, comme dans le tube cathodique, le champ électrique exerce une force $\vec{F}_e = q\vec{E}$ qui courbe la trajectoire (trajectoire parabolique).

💡 À retenir : Analogie avec la chute libre dans un champ de pesanteur.

Comment fonctionne un spectromètre de masse ?

Il utilise un champ magnétique pour séparer les ions selon leur rapport masse/charge ($m/q$). Comme $R = \frac{mv}{qB}$, deux ions de masses différentes auront des rayons de courbure différents.

💡 À retenir : Plus la masse est grande, plus le rayon est grand.

Est-ce qu'une particule au repos peut être mise en mouvement par un champ magnétique ?

Non, car si $\vec{v} = \vec{0}$, alors $\vec{F}_m = q(\vec{0} \wedge \vec{B}) = \vec{0}$.

💡 À retenir : Un champ magnétique ne peut pas mettre en mouvement une particule immobile.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un électron ($m = 9,1 \times 10^{-31}$ kg, $q = -e = -1,6 \times 10^{-19}$ C) pénètre en $O$ avec une vitesse $\vec{v}_0 = v_0 \vec{i}$ dans une région où règne un champ magnétique uniforme $\vec{B} = B \vec{k}$.

  1. Établir l'équation du mouvement.
  2. Déterminer la nature de la trajectoire.
  3. Calculer le rayon $R$ si $v_0 = 10^6$ m/s et $B = 0,1$ T.
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Une particule chargée $q$ entre dans un condensateur plan (champ $\vec{E} = E\vec{j}$) avec une vitesse $\vec{v}_0 = v_0 \vec{i}$.

  1. Établir les équations horaires $x(t)$ et $y(t)$.
  2. Déterminer l'équation de la trajectoire.
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Exercice 3

Déterminer la vitesse $v$ d'un proton ($m_p, q_p$) pour qu'il ne soit pas dévié par un filtre de Wien ($E, B$ perpendiculaires).

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