Comment un simple champ électrique entre deux plaques permet de dessiner une courbe sur l'écran d'un oscilloscope à tube cathodique — et de comprendre pourquoi il ne suffit pas, seul, à trier des ions.
Un faisceau d'électrons pénètre horizontalement dans un condensateur plan (deux plaques parallèles distantes de d = 2,0 cm, de longueur L = 6,0 cm), avec une vitesse initiale v₀ = 2,0×10⁷ m/s. Une tension U est appliquée entre les plaques, créant un champ électrique uniforme \(E = U/d\). On néglige le poids de l'électron.
Choisis une tension U (de 50 à 250 V : au-delà de 253 V, l'électron heurterait une plaque), observe la trajectoire, puis clique sur l'écran (ligne verticale à droite, placée à D = 3,0 cm des plaques) pour mesurer la position d'impact et la comparer à la valeur théorique.
L'écran est placé à D = 3,0 cm après les plaques. Après les plaques, l'électron ne subit plus de force : sa trajectoire est une droite de pente \(\tan\theta = \dfrac{v_y}{v_0} = \dfrac{2\,y_L}{L}\). La position d'impact vaut donc :
Le graphique ci-dessous montre des mesures simulées (incertitude d'environ ±0,3 mm), la droite de régression (verte) et la droite théorique (pointillés).
Le tube cathodique d'un oscilloscope : un faisceau d'électrons balaye un écran phosphorescent. Deux paires de plaques perpendiculaires (l'une horizontale, l'autre verticale) dévient le faisceau, exactement comme dans ce TP. (Les anciens téléviseurs, eux, utilisaient des bobines créant un champ magnétique.)
Le spectromètre de masse : des ions sont d'abord accélérés par une tension \(U_{\text{acc}}\), puis traversent une zone de déviation. Peut-on trier les ions selon leur masse avec une déviation par un champ électrique seul ? Attention : l'intuition « le plus léger est le plus dévié » n'est vraie que si tous les ions entrent avec la même vitesse.
Contexte. Un ingénieur doit concevoir un tube cathodique dont l'écran mesure 20 cm de large. Les électrons arrivent avec \(v_0 = 2{,}0\times10^{7}\ \text{m/s}\), traversent des plaques de longueur \(L = 4{,}0\ \text{cm}\) espacées de \(d = 1{,}5\ \text{cm}\), puis parcourent encore \(D = 15\ \text{cm}\) avant d'atteindre l'écran (mouvement rectiligne uniforme après les plaques). Il souhaite qu'une tension maximale de \(U = 300\ \text{V}\) permette de dévier le faisceau jusqu'au bord de l'écran (10 cm depuis le centre).
| Compétence | A | B | C | D |
|---|---|---|---|---|
| S'approprier Extraire et reformuler les données, comprendre le problème posé |
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| Analyser Construire une stratégie : modèle (champ uniforme, 2ᵉ loi de Newton), grandeurs à relier |
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| Réaliser Établir les équations horaires, mener les calculs avec les bonnes unités |
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| Valider Contrôler les ordres de grandeur, vérifier les conditions (pas de collision), conclure au regard de la question |
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| Communiquer Rédiger une réponse structurée, avec les schémas et justifications nécessaires |
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