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Exercices

Sommaire

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Exercice corrigé

8

Étude d’un coup droit au tennis.

Lors d’un coup droit au tennis, la raquette exerce une force sur la balle d’environ 900 N.
1.
À l’aide d’une phrase de structure « objet A + verbe d’action + objet B », décris l’action exercée par la raquette sur la balle.
2.
Est-ce une force qui s’exerce par contact ou à distance ? Est-elle répartie ou localisée ?
3.
Détermine les caractéristiques de cette force.
4.
Représente cette force sur un schéma en prenant l’échelle 1 cm pour 200 N.
Doc. 1
Tennis.

Étapes de la méthode

  • Le verbe d’action choisi, l’objet A et l’objet B doivent être cohérents.
  • Les quatre caractéristiques d’une force sont : direction, sens, intensité et point d’application.
  • Pour représenter une force, on doit dessiner une flèche qui possède les mêmes caractéristiques que la force (direction, sens, valeur) et qui commence au point d’application.

Corrigé :

  • L’action qui a lieu est : la raquette frappe la balle.
  • C’est une force qui s’exerce par contact. Elle est répartie sur un côté de la balle.
  • Cette force a pour caractéristiques :
    ▪ un point d’application (fictif) : à l’arrière de la balle ;
    ▪ une direction : à peu près horizontale et parallèle à l’axe central du court de tennis ;
    ▪ un sens : vers le côté opposé du terrain ;
    ▪ une intensité : 900 N.
  • Cette intensité se représente par 4,5 cm puisque l’échelle indique 1 cm pour 200 N (900×1200−4,5900 \times \dfrac{1}{200} - 4\text{,}5).
Doc. 2
Raquette.
9

Quel vent pour naviguer ?

Pour avancer, une planche à voile a besoin que le vent souffle suffisamment fort. Il est agréable de naviguer quand il exerce une force de 3,5 kN.
1.
À l’aide d’une phrase de structure « objet A + verbe d’action + objet B », décris la force exercée par le vent sur la voile.
2.
Est-ce une force qui s’exerce par contact ou à distance ? Est-elle répartie ou localisée ?
3.
Détermine ses quatre caractéristiques.
4.
Représente cette force sur un schéma en prenant l’échelle 1 cm pour 1 000 N.

Je m'entraine

10

Représenter une force à la bonne échelle.

1.
Détermine l’échelle utilisée pour représenter la force sur chaque schéma.
Doc. 1
Représenter une force.
11

Associe un schéma à une situation.

1.
Attribue à chacun des schémas ci-contre les titres correspondants.
Doc. 2
Un schéma, une situation.
12

Actions mécaniques par contact ou à distance ?

1.
Classe les actions mécaniques suivantes selon leur mode d’action, à distance ou par contact.
13

Actions mécaniques réparties ou localisées ?

1.
Classe les actions mécaniques suivantes selon qu'elles sont réparties ou localisées.
14

Des mots pour une phrase.

Utilise les mots dans l’ordre que tu souhaites pour construire des phrases correctes.
1.
dynamomètre - newtons - force - intensité.
2.
force - représente - point d’application - flèche.
15

Un dynamomètre improvisé.

Un dynamomètre fonctionne grâce à un ressort qui s’allonge plus ou moins en fonction de la force qu’il subit.
1.
Parmi les objets suivants, lequel pourrait remplacer un dynamomètre ?
un élastique - une barre de fer - une règle.
2.
Propose un protocole pour déterminer l’intensité d’une force avec l’objet choisi.
Doc. 3
Dynamomètre.
16

Équilibré ou pas ?

1.
Identifie les situations d’équilibre.
Doc. 4
Équilibré ou pas.
17

Des points d’application un peu étranges !

Pour modéliser une action mécanique, les physiciens doivent déterminer un point d’application. Pour les forces réparties, on prend le milieu de la zone concernée même si la représentation obtenue est suprenante.
Trace un schéma afin de déterminer les points d’application des forces qui modélisent les actions mécaniques suivantes. Que remarques-tu ?
1.
La main transporte un donut à l’horizontal.
2.
Le bus pèse sur le sol.
3.
La Terre attire une montgolfière.
18

Question d’échelle.

Une force de 20 N est représentée sur un schéma par une flèche de 8,0 cm de longueur.
1.
Quelle est l’échelle utilisée sur ce schéma ?
2.
Avec la même échelle, quelle serait la taille de la flèche pour une force de 8 N ?
19

Conversions d’unité.

1.
Convertis les valeurs des forces dans l’unité demandée.

Une notion, trois exercices

20

Une statue.

Arthur visite le château de Versailles et, en regardant la statue de Louis XIV, se dit qu’une statue si grande doit être soumise à des forces gigantesques. Il décide d’étudier le système statue + socle. L’ensemble socle + statue est attiré par la Terre avec une force de 1 000 000 N.
1.
Établis le DOI de la statue.
2.
On néglige l’interaction avec l’atmosphère (on étudie le système comme si l’interaction n’existait pas). Propose une explication à cela.
3.
Nomme les deux forces subies par la statue.
4.
Pour chacune de ces forces, précise sa direction, son sens et son point d’application.
5.
La statue étant immobile, que peux-tu dire des deux forces ?
6.
Place ces deux forces sur un schéma en respectant les propriétés mises en évidence dans les questions précédentes (échelle 1 cm pour 200 000 N).
20

Un ballon sous l’eau.

Anne s’amuse à maintenir un ballon sous l’eau pour le relâcher et le voir jaillir hors de l’eau. On s’intéresse aux forces qui s’exercent sur le ballon juste avant qu’Anne ne le relâche. La force d’attraction de la Terre sur le ballon est de 4,4 N et Anne exerce une force de 52 N pour maintenir le ballon vers le bas. L’eau exerce une force de poussée sur le ballon. Cette force, appelée poussée d’Archimède, est celle qui permet au ballon de flotter.
1.
Identifie les trois forces auxquelles est soumis le ballon.
2.
Précise pour chaque force exercée sur le ballon sa direction, son sens et son point d’application.
3.
Le ballon étant immobile, que peux-tu dire de ces forces ?
4.
Place ces forces sur un schéma (échelle 1 cm pour 10 N).
20

Le flipper buissonnier

Alexandra sèche les cours et préfère aller jouer au flipper. Son professeur de Physique-Chimie la prend en flagrant délit et décide de lui donner un exercice supplémentaire en lien avec ce jeu. Alexandra doit analyser les interactions subies par le lance-billes lorsque le joueur, qui exerce une action horizontale de 25 N dessus, est sur le point de le lâcher pour propulser la bille.
1.
Le lance-billes est immobile avant que le joueur ne le relâche : que peux-tu dire des forces qu’il subit ?
2.
Détermine ces forces avec leurs caractéristiques.
3.
Place ces forces sur un schéma (échelle 1 cm pour 10 N).
Doc. 1
Poignée.

J'approfondis

21

Manèges à sensations.

La plupart des grands huit commencent par une grande montée pour transférer de l’énergie de position aux wagons. De nouveaux manèges commencent cependant par un départ « à plat ». Les wagons sont alors propulsés par un puissant compresseur hydraulique (65 kN) au moment où l’on desserre les freins.
1.
Établis le DOI d’un wagon au moment où le compresseur est actif mais que les freins n’ont pas encore été relâchés.
2.
Donne les quatre caractéristiques de la force exercée par le compresseur hydraulique.
3.
Tant que les freins sont activés, quelle est la vitesse du wagon ? Déduis-en la valeur de la force exercée par les freins.
4.
Représente ces deux forces sur un schéma en prenant pour échelle 1 cm pour 10 000 N.
22

Étalonnage d’un ressort : méthode graphique.

Les mesures de l’allongement d’un ressort en fonction de la force qu’il subit sont reportées dans le tableau suivant :
1.
Trace le graphique qui correspond aux mesures en prenant pour échelle : 1 cm pour 2 mm d’allongement en ordonnée et 1 cm pour 2 N en abscisse.
2.
Grâce à ton graphique, estime la force nécessaire pour allonger le ressort de 1,6 cm.
Force (N)361015
Allongement (cm)0,40,81,32,0
Doc. 1
Allongement d'un ressort en fonction de la force qu'il subit.
23

Étalonnage d’un ressort : méthode calculatoire.

Les mesures de l’allongement d’un ressort en fonction de la force qu’il subit sont reportées dans le tableau suivant :
1.
Détermine la raideur du ressort (le coefficient de proportionnalité entre l’allongement du ressort et la force qu’il subit).
2.
Quel sera l’allongement du ressort pour une force de 50 N ?
Force (N)10254055
Allongement (cm)4101622
Doc. 2
Méthode circulatoire.
24

Sécurité en escalade.

Lorsqu’on pratique l’escalade on doit s’assurer, c’est-à-dire utiliser une corde fixée au sommet de la paroi qui nous retiendrait si on devait chuter. Si tout se passe bien pendant l’ascension, cette corde ne sera pas sollicitée.
1.
Fais le DOI du grimpeur lors d’une ascension normale.
2.
Donne les caractéristiques (sauf l’intensité) de la force exercée par la paroi sur le grimpeur.
3.
Si le grimpeur rate sa prise, que se passe-t-il ?
4.
Établis le nouveau DOI du grimpeur.
Doc. 3
Sécurité en escalade.
25

Tir à la corde.

Émile et Théo jouent au tir à la corde. Émile exerce une force de 70 N vers la droite et Théo une force de 600 dN vers la gauche.
1.
Représente ces deux forces sur un schéma (1 cm pour 20 N).
2.
La corde va-t-elle rester en équilibre ?
3.
Lequel des deux va gagner ?
26

Célébration au champagne.

Le vainqueur d’un Grand Prix automobile reçoit souvent une bouteille de champagne. Quand il la secoue, la pression du gaz à l’intérieur de la bouteille augmente et le bouchon saute.
1.
Quelles sont les forces qui s’exercent sur le bouchon de la bouteille fermée et au repos ?
2.
Donne la direction, le sens et le point d’application de chacune de ces forces.
3.
Représente ces forces sur un schéma.
4.
Quel changement a lieu dans la bouteille lorsque le pilote la secoue, juste avant que le champagne ne jaillisse ?
27

Étonnants hélicoptères.

Un hélicoptère est capable de faire un vol stationnaire (c’est-à-dire de voler tout en restant sur place). La force exercée par la Terre sur l’hélicoptère est compensée par la force exercée par l’air sur l’hélicoptère grâce au moteur qui fait tourner les pales.
1.
Représente les forces que subit l’hélicoptère durant le vol stationnaire, sans tenir compte de l’échelle.
2.
Établis le DOI de l’hélicoptère durant le vol stationnaire.
3.
Sur quelle force jouent les pilotes pour prendre de l’altitude ?
4.
Comment évoluera la situation si le moteur cesse de fonctionner ?
28

Représenter une force.

On tire sur un ressort avec une force de 15 N.
1.
Recopie le schéma et trace la flèche qui représente la force Fmain/ressort en prenant pour échelle 1 cm pour 5 N.
Doc. 4
Représenter une force.
29

Le pogo-stick.

Le pogo-stick est un sport dans lequel on fait des figures au cours de sauts réalisés à l’aide d’un bâton-sauteur. Ce dernier est composé d’une fourche à guidon et d’une béquille centrale reliées par un ressort.
1.
Établis le DOI du système fourche à guidon lorsque le pogo-stick est en contact avec le sol.
2.
Dans les trois cas suivants, sans faire de calcul, compare l’intensité de la force exercée par le sauteur sur la fourche à celle de la force exercée par le ressort :
  • lorsque le ressort du pogo-stick vient de toucher le sol après un saut ;
  • lorsque le ressort est étiré au maximum ;
  • lorsque le ressort est en train de reprendre sa forme avant le saut suivant.
3.
Schématise ces deux forces dans le cas correspondant à la situation d’équilibre, en considérant que l’appui du sportif sur la fourche est alors de 700 N. On utilisera l’échelle 1 cm pour 200 N.
Doc. 5
Le pogo-stick.
30

Géologie.

La zone rocheuse située entre deux plaques tectoniques peut subir des forces incroyables ! Si les plaques s’éloignent, cela crée des fissurations pouvant mener à l’apparition d’un rift, puis d’une nouvelle mer. À l’inverse, deux plaques qui convergent sont responsables de la création de nouvelles montagnes par orogenèse.
1.
Indique pour chaque photo s’il s’agit d’un rift ou d’une orogenèse.
2.
Reproduis le schéma ci-dessus, puis ajoute les représentations des forces exercées par les deux plaques dans le cas d’une convergence.
Doc. 6
Géologie.
31

Un poster à fixer.

Afin de fixer le poster de son chanteur préféré, Céline utilise des punaises.
1.
Établis le DOI de la punaise lorsque Céline l’enfonce. Quelle(s) interaction(s) peux-tu négliger ?
2.
Sur la première punaise, Céline appuye perpendiculairement au mur avec toute l’intensité dont elle est capable (120 N), mais sans que la pointe ne s’enfonce car elle est tombée sur une pierre très solide dans le mur.

a. Donne les quatre caractéristiques de la force exercée par Céline.
b. Quelle force permet d’expliquer que la punaise ne s’enfonce pas ? Donne ses quatre caractéristiques.
c. Représente sur un schéma cette situation (échelle 1 cm pour 30 N).
3.
Céline réessaie un peu plus loin et cette fois, la punaise s’enfonce dans le mur. Que peux-tu dire de cette nouvelle situation ?

Je résous un problème

Problématique

1.
Lorsque Vincent est debout, il connait son diagramme objet-interaction. Il se demande ce qui change quand il est immobile et lorsqu’il marche.

Explique à Vincent, grâce à un bilan de forces Terre ↔\leftrightarrow Vincent ↔\leftrightarrow Sol (noms, principales propriétés) et à un schéma, la différence entre les deux cas.
Doc. 1
DOI de Vincent lorsqu’il est debout et immobile.
Doc. 2
Quelques précisions sur la marche.
Quand nous marchons, nos deux pieds n’effectuent pas la même action sur le sol. De ce fait, l’action du sol n’est pas identique sur chacun d’eux. Les actions du sol s’exercent dans la direction de chaque jambe.

Sur le pied arrière, l’action du sol permet de mettre le corps en mouvement. Sur le pied avant, l’action du sol permet d’ajuster la mise en mouvement.

Exercices supplémentaires

Suis-je une force ?

1.
Parmi les propositions suivantes, l’une ne correspond pas à une force. Laquelle ?

Proportionnalité.

1.
Si un ressort s’allonge de 5 cm lorsqu’on lui applique une force de 12 N, de combien s’étirera-t-il si on lui applique une force de 5 N ?

Erreur de vocabulaire.

Lorsqu’on se retrouve dans un manège qui tourne, on se sent projeter vers l’extérieur du manège. On entend souvent les gens dire qu’ils subissent une force centrifuge.
1.
Rappelle la façon dont on doit décrire une force.
2.
Le rôle de la structure du manège est-il de nous projeter vers l’extérieur ou de nous retenir ?
3.
Explique alors pourquoi le terme de force est mal employé dans l’expression force centrifuge.

Une histoire de sens.

Lorsqu’on lâche un ballon, il va atteindre le sol. Au moment de l’impact, il exerce donc une force sur le sol.
1.
Dans quelle direction et dans quel sens est la force du ballon qui percute le sol ?
2.
Quels sont alors la direction et le sens de la force exercée par le sol sur le ballon ?
3.
Explique l’influence que cela aura sur le mouvement du ballon.

Parcours de compétences

Parcours de compétences

Le Air Hockey se joue sur une table spécifique qui n’agit que verticalement sur le palet. Leyana a fait la chronophotographie suivante d’un palet qui vient d’être lancé (durée entre chaque position : 10 ms). Le principe d’inertie affirme que, par rapport au sol, un corps soumis à des forces qui se compensent est soit au repos, soit animé d’un mouvement rectiligne uniforme.

◉     ◉     ◉     ◉     ◉     ◉     ◉     ◉     ◉     ◉     ◉
1.
Montre que cet énoncé est bien vérifié par le palet.

Niveau 1 - J'ai compris le problème à résoudre.

Coup de pouce : Relis bien l’énoncé du principe d’inertie et identifie ce que tu cherches à montrer.

Niveau 3 - J'organise certaines étapes de mon raisonnement de façon pertinente.

Coup de pouce : Quelles informations sur le mouvement sont données par la chronophotographie ?

Niveau 2 - Je distingue certaines étapes du raisonnement.

Coup de pouce : Quelle condition doivent respecter les forces qui agissent sur le système ?

Niveau 4 - J'organise toutes les étapes du raisonnement permettant de résoudre le problème.

Coup de pouce : Ta réponse montre-t-elle que chaque condition de l’énoncé du principe d’inertie est vérifiée ?
Livre du professeur

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