Mouvements des particules chargées dans un champ électrique uniforme
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
Dans un champ électrique uniforme $\vec{E}$ créé entre deux plaques parallèles (condensateur plan), une particule de charge $q$ et de masse $m$ est soumise à une force électrique : $\vec{F} = q\vec{E}$.
Loi de Newton : Dans le référentiel terrestre supposé galiléen, $\sum \vec{F} = m\vec{a} \Rightarrow q\vec{E} = m\vec{a}$.
Accélération : $\vec{a} = \frac{q}{m}\vec{E}$. Si $\vec{E}$ est dirigé vers le bas (axe $Oy$), $\vec{a} = (0, \frac{qE}{m}, 0)$.
Équations horaires : Par intégration successive, on obtient les coordonnées de la vitesse $\vec{v}(t)$ et de la position $G(t)$.
Équation de la trajectoire : En éliminant le temps $t$, on obtient une équation de la forme $y = ax^2 + bx + c$, ce qui prouve que la trajectoire est une portion de parabole.
Méthodes à maîtriser
Établir les équations horaires : Toujours commencer par le bilan des forces, appliquer la 2ème loi de Newton, projeter sur les axes, puis intégrer en utilisant les conditions initiales ($t=0, x_0, y_0, v_{0x}, v_{0y}$).
Déterminer l'équation de la trajectoire : Isoler $t$ dans l'équation de $x(t)$ et le remplacer dans $y(t)$.
Condition de sortie : La particule sort du champ si son abscisse $x$ atteint la longueur des plaques $L$. On calcule alors l'ordonnée $y(L)$ pour savoir si elle heurte une plaque.
Exemples corrigés
Exemple : Un électron ($q = -e$) entre dans un champ $\vec{E}$ vertical ascendant avec une vitesse horizontale $v_0$.
$\vec{a} = \frac{-e}{m}\vec{E}$. Comme $\vec{E}$ est vers le haut, $\vec{a}$ est dirigé vers le bas.
$x(t) = v_0 t$ et $y(t) = -\frac{1}{2}\frac{eE}{m}t^2$.
Trajectoire : $y = -\frac{eE}{2mv_0^2}x^2$. C'est une parabole tournée vers le bas.
Erreurs fréquentes
Oublier le signe de la charge $q$ (très important pour le sens de la déviation).
Confondre le champ électrique $\vec{E}$ (en $V/m$) avec la tension $U$ (en $V$). Rappel : $E = U/d$.
Se tromper dans les conditions initiales lors de l'intégration (ne pas oublier les constantes $v_{0x}$ et $v_{0y}$).
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🎯 Mouvements des particules chargées dans un champ électrique uniforme
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Quelle est la trajectoire d'une particule chargée dans un champ électrique uniforme si $\vec{v}_0$ est parallèle à $\vec{E}$ ?
❓ Questions fréquentes
Est-ce que le poids de la particule est toujours négligeable ?
Dans la majorité des exercices de ce chapitre, oui. Pour une particule chargée comme un électron ou un proton, la force électrique $F_e = |q|E$ est extrêmement grande devant le poids $P = mg$. On le justifie souvent par un calcul rapide : $F_e/P \approx 10^{10}$ ou plus. Si l'énoncé ne demande pas de le négliger, comparez les ordres de grandeur.
💡 À retenir : Sauf mention contraire ou particule très massive, le poids est négligé devant la force électrique.
Kifach n7seb l'acceleration ila kan l'electron ghadi f'tariq horizontal?
Applique la 2ème loi de Newton : $\vec{F} = m\vec{a} \Rightarrow q\vec{E} = m\vec{a}$.
Projette sur l'axe $Oy$ (direction du champ) : $a_y = \frac{qE}{m}$.
Comme le mouvement initial est horizontal, $a_x = 0$.
L'accélération est donc un vecteur vertical : $\vec{a} (0, \frac{qE}{m})$.
💡 À retenir : L'accélération est toujours colinéaire au champ électrique $\vec{E}$.
Est-ce que la vitesse initiale v0 change quand la particule est dans le champ ?
Oui, la vitesse change car il y a une accélération. La composante $v_x$ reste constante (si $a_x=0$), mais la composante $v_y$ augmente au cours du temps selon $v_y(t) = a_y \cdot t + v_{0y}$. La vitesse totale est $v = \sqrt{v_x^2 + v_y^2}$.
💡 À retenir : Seule la composante de la vitesse parallèle à $\vec{E}$ est modifiée.
Chno hiya l'equation d'trajectoire o kifach n'l9aha?
C'est l'équation qui relie $y$ et $x$ sans le temps $t$.
Tu as $x(t) = v_0 \cdot t \Rightarrow t = x / v_0$.
Tu remplaces ce $t$ dans l'expression de $y(t)$.
Tu obtiens une expression du type $y = f(x)$.
💡 À retenir : L'élimination du temps $t$ est l'étape clé pour trouver la trajectoire.
Est-ce que le champ électrique peut freiner une particule ?
Oui. Si la force électrique $\vec{F} = q\vec{E}$ est opposée au vecteur vitesse $\vec{v}$, alors le travail de la force est résistant et la particule ralentit. C'est le principe du freinage électrique.
💡 À retenir : Si $\vec{F} \cdot \vec{v} < 0$, la particule est freinée.
Tu calcules l'ordonnée $y$ à la sortie du champ, c'est-à-dire pour $x = L$ (longueur des plaques).
Si $|y(L)| < d/2$ (où $d$ est la distance entre les plaques), la particule sort.
Si $|y(L)| \geq d/2$, la particule percute l'une des plaques.
💡 À retenir : La condition de sortie est $|y(L)| < d/2$.
Le champ électrique est-il toujours uniforme ?
Dans le cadre du programme de 2ème Bac, nous étudions uniquement le champ électrique uniforme créé entre deux armatures planes parallèles chargées de signes opposés.
💡 À retenir : Dans ce chapitre, $\vec{E}$ est constant en tout point.
Est-ce que la masse de la particule influence la déviation ?
Oui, énormément. Comme $\vec{a} = \frac{q}{m}\vec{E}$, plus la masse $m$ est grande, plus l'accélération est faible. À charge égale, une particule plus lourde sera moins déviée qu'une particule légère.
💡 À retenir : La déviation est inversement proportionnelle à la masse.
Pourquoi on dit que le mouvement est parabolique ?
Parce que l'équation de la trajectoire est de la forme $y = ax^2 + bx + c$. En mathématiques, c'est l'équation d'une parabole. Ici, comme $v_{0y}=0$ et $y_0=0$, on a souvent $y = \frac{qE}{2mv_0^2}x^2$.
💡 À retenir : L'accélération constante et perpendiculaire à la vitesse initiale impose une trajectoire parabolique.
Est-ce que la charge q peut être nulle ?
Si $q=0$, alors $\vec{F} = 0$. La particule ne subit aucune force électrique, elle garde son mouvement rectiligne uniforme (principe d'inertie). Ce n'est pas un cas d'étude classique pour ce chapitre.
💡 À retenir : Une particule neutre n'est pas déviée par un champ électrique.
Est-ce que le champ électrique dépend de la vitesse de la particule ?
Non, le champ électrique $\vec{E}$ est créé par les plaques du condensateur, il est indépendant de la particule qui y pénètre.
💡 À retenir : $\vec{E}$ est une propriété du milieu (le condensateur), pas de la particule.
Comment calculer la déviation verticale yS à la sortie ?
C'est simplement la valeur de $y$ lorsque $x = L$. Tu utilises l'équation de la trajectoire $y(x) = \frac{qE}{2mv_0^2}x^2$ et tu remplaces $x$ par $L$.
💡 À retenir : $y_S = \frac{qEL^2}{2mv_0^2}$.
✍️ Exercices type examen national
Exercice 1
Un électron pénètre en $O$ dans un champ électrique uniforme $\vec{E}$ créé entre deux plaques horizontales de longueur $L=5,cm$ séparées d'une distance $d=2,cm$. La tension entre les plaques est $U = 100,V$. L'électron a une vitesse initiale $v_0 = 10^7,m/s$ horizontale.
Dans un champ électrique uniforme E créé entre deux plaques parallèles (condensateur plan), une particule de charge q et de masse m est soumise à une force électrique : F=qE.
Loi de Newton : Dans le référentiel terrestre supposé galiléen, ∑F=ma⇒qE=ma.
Accélération : a=mqE. Si E est dirigé vers le bas (axe Oy), a=(0,mqE,0).
Équations horaires : Par intégration successive, on obtient les coordonnées de la vitesse v(t) et de la position G(t).
Équation de la trajectoire : En éliminant le temps t, on obtient une équation de la forme y=ax2+bx+c, ce qui prouve que la trajectoire est une portion de parabole.
Méthodes à maîtriser
Établir les équations horaires : Toujours commencer par le bilan des forces, appliquer la 2ème loi de Newton, projeter sur les axes, puis intégrer en utilisant les conditions initiales (t=0,x0,y0,v0x,v0y).
Déterminer l'équation de la trajectoire : Isoler t dans l'équation de x(t) et le remplacer dans y(t).
Condition de sortie : La particule sort du champ si son abscisse x atteint la longueur des plaques L. On calcule alors l'ordonnée y(L) pour savoir si elle heurte une plaque.
Exemples corrigés
Exemple : Un électron (q=−e) entre dans un champ E vertical ascendant avec une vitesse horizontale v0.
a=m−eE. Comme E est vers le haut, a est dirigé vers le bas.
x(t)=v0t et y(t)=−21meEt2.
Trajectoire : y=−2mv02eEx2. C'est une parabole tournée vers le bas.
Erreurs fréquentes
Oublier le signe de la charge q (très important pour le sens de la déviation).
Confondre le champ électrique E (en V/m) avec la tension U (en V). Rappel : E=U/d.
Se tromper dans les conditions initiales lors de l'intégration (ne pas oublier les constantes v0x et v0y).
Quelle est la trajectoire d'une particule chargée dans un champ électrique uniforme si v0 est parallèle à E ?
Dans la majorité des exercices de ce chapitre, oui. Pour une particule chargée comme un électron ou un proton, la force électrique Fe=∣q∣E est extrêmement grande devant le poids P=mg. On le justifie souvent par un calcul rapide : Fe/P≈1010 ou plus. Si l'énoncé ne demande pas de le négliger, comparez les ordres de grandeur.
💡 À retenir : Sauf mention contraire ou particule très massive, le poids est négligé devant la force électrique.
Applique la 2ème loi de Newton : F=ma⇒qE=ma.
Projette sur l'axe Oy (direction du champ) : ay=mqE.
Comme le mouvement initial est horizontal, ax=0.
L'accélération est donc un vecteur vertical : a(0,mqE).
💡 À retenir : L'accélération est toujours colinéaire au champ électrique E.
Oui, la vitesse change car il y a une accélération. La composante vx reste constante (si ax=0), mais la composante vy augmente au cours du temps selon vy(t)=ay⋅t+v0y. La vitesse totale est v=vx2+vy2.
💡 À retenir : Seule la composante de la vitesse parallèle à E est modifiée.
C'est l'équation qui relie y et x sans le temps t.
Tu as x(t)=v0⋅t⇒t=x/v0.
Tu remplaces ce t dans l'expression de y(t).
Tu obtiens une expression du type y=f(x).
💡 À retenir : L'élimination du temps t est l'étape clé pour trouver la trajectoire.
Oui. Si la force électrique F=qE est opposée au vecteur vitesse v, alors le travail de la force est résistant et la particule ralentit. C'est le principe du freinage électrique.
💡 À retenir : Si F⋅v<0, la particule est freinée.
Tu calcules l'ordonnée y à la sortie du champ, c'est-à-dire pour x=L (longueur des plaques).
Si ∣y(L)∣<d/2 (où d est la distance entre les plaques), la particule sort.
Si ∣y(L)∣≥d/2, la particule percute l'une des plaques.
💡 À retenir : La condition de sortie est ∣y(L)∣<d/2.
Dans le cadre du programme de 2ème Bac, nous étudions uniquement le champ électrique uniforme créé entre deux armatures planes parallèles chargées de signes opposés.
💡 À retenir : Dans ce chapitre, E est constant en tout point.
Oui, énormément. Comme a=mqE, plus la masse m est grande, plus l'accélération est faible. À charge égale, une particule plus lourde sera moins déviée qu'une particule légère.
💡 À retenir : La déviation est inversement proportionnelle à la masse.
Parce que l'équation de la trajectoire est de la forme y=ax2+bx+c. En mathématiques, c'est l'équation d'une parabole. Ici, comme v0y=0 et y0=0, on a souvent y=2mv02qEx2.
💡 À retenir : L'accélération constante et perpendiculaire à la vitesse initiale impose une trajectoire parabolique.
Si q=0, alors F=0. La particule ne subit aucune force électrique, elle garde son mouvement rectiligne uniforme (principe d'inertie). Ce n'est pas un cas d'étude classique pour ce chapitre.
💡 À retenir : Une particule neutre n'est pas déviée par un champ électrique.
Non, le champ électrique E est créé par les plaques du condensateur, il est indépendant de la particule qui y pénètre.
💡 À retenir : E est une propriété du milieu (le condensateur), pas de la particule.
C'est simplement la valeur de y lorsque x=L. Tu utilises l'équation de la trajectoire y(x)=2mv02qEx2 et tu remplaces x par L.
💡 À retenir : yS=2mv02qEL2.
Exercice 1
Un électron pénètre en O dans un champ électrique uniforme E créé entre deux plaques horizontales de longueur L=5cm séparées d'une distance d=2cm. La tension entre les plaques est U=100V. L'électron a une vitesse initiale v0=107m/s horizontale.
Établir l'expression de l'accélération.
Déterminer l'équation de la trajectoire.
L'électron sort-il du condensateur ? (Données : e=1,6⋅10−19C, me=9,1⋅10−31kg).
Exercice 2
Un ion X2+ de masse m=6,6⋅10−27kg entre dans un champ E avec v0=2⋅105m/s.