Physique-Chimie Cycle 4

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Thème 1 - Organisation et transformations de la matière
Ch. 1
L'eau que nous buvons est-elle pure ?
Ch. 2
La matière : états, masse et volume
Ch. 3
Les changements d'état de la matière
Ch. 4
Les mélanges
Ch. 5
La matière à l'échelle microscopique
Ch. 6
Que trouve-t-on dans l'air ?
Ch. 7
Les transformations chimiques et la pollution
Ch. 8
Modélisation des transformations chimiques
Ch. 9
Les ions dans notre quotidien
Ch. 10
Quand les acides et les bases réagissent
Ch. 11
Introduction à la masse volumique
Ch. 12
La masse volumique
Ch. 13
La matière, dans l'espace et dans l'Univers
Ch. 14
De l'Univers aux atomes
Thème 2 - Mouvement et interactions
Ch. 15
Introduction à la vitesse et au mouvement
Ch. 16
Repérage de mouvement et mesure de vitesse
Ch. 17
Vitesse et mouvement
Ch. 18
Les interactions
Ch. 19
Les forces
Thème 3 - L'énergie et ses conversions
Ch. 21
Introduire la notion d'énergie
Ch. 22
Conversion et transfert de l'énergie
Ch. 23
La conservation de l'énergie
Ch. 24
Les circuits électriques
Ch. 25
La tension et l'intensité
Ch. 26
Relations entre grandeurs dans les circuits électriques
Ch. 27
Résistance et loi d'Ohm
Ch. 28
Puissance et énergie en électricité
Thème 4 - Des signaux pour observer et communiquer
Ch. 29
Le son
Ch. 30
La lumière
Ch. 31
Vitesse de propagation des signaux
Ch. 32
Des signaux au-delà de la perception humaine
Chapitre 7

Exercices

12 professeurs ont participé à cette page
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Je me teste

Je sais

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1
Le symbole de l'unité du poids est :




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2
Quelle relation est incorrecte ?




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3
La valeur de la force de gravitation est donnée par :







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4
Le poids d'un objet change :




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5
De quelle couleur est la courbe juste ?

Placeholder pour Le poids d'un objet peut changer.Le poids d'un objet peut changer.
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La courbe juste est .
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6
Quel est mon nom ?

Je suis né au XVIIe siècle. J'ai compris que les phénomènes physiques s'expliquent partout par les mêmes lois. J'ai découvert que la force de gravitation est universelle.
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7
Trouve les cinq erreurs dans l'énoncé.

La force de gravitation entre deux objets de masses m1 et m2 a pour valeur : F = g \dfrac{m_{1} + m_{2}}{d} avec F en kg, g en N.m2/kg2, d en m, m1 et m2 en g.
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Je sais faire

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8
Un dynamomètre donne son résultat :




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9
Un dynamomètre mesure :




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10
La valeur de la vitesse d'un objet qui tombe, sans vitesse initiale, sous l'effet de son poids :




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11
Lorsqu'on réalise une chronophotographie :



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Exercice corrigé

Compétence : Produire et transformer des tableaux ou des documents graphiques
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12
Un chat qui tombe.

On dit que les chats retombent toujours sur leurs pattes.

Données : masse du chat : 4 200 g ; g = 9,8 N/kg.
Placeholder pour Chaton.Chaton.
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1. Le système étudié dans l'exercice est le chat. Réalise le DOI du chat en chute libre.

2. Quelles sont les quatre caractéristiques de la ou des force(s) agissant sur le chat ?
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Étapes de la méthode
1. Se souvenir des conventions pour réaliser un diagramme objet-interaction.
  • Le système est le chat.
  • Il y a une interaction entre le chat et la Terre.
  • Envisager les autres objets agissant sur le chat et déterminer si l'action peut être négligée.
2. Se souvenir des caractéristiques du poids que l'on modélise par une force.
  • Le point d'application est le centre de gravité G.
  • La direction est la verticale.
  • Le sens est vers le bas.
  • L'intensité est P = m × g.
3. Attention aux unités.
  • Comme toutes les forces, l'unité du poids est le newton (N).
  • g = 9,8 N/kg sur Terre en moyenne.
  • m est la masse et s'exprime en kilogramme (kg).
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Corrigé
1. Voici le diagramme objet-interaction. Si l'on néglige l'action de l'air, la seule force qui agit est la force de gravitation exercée par la Terre sur le chat (le poids du chat).

Placeholder pour Chat - Terre.Chat - Terre.
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2. Les caractéristiques du poids du chat sont :
  • son point d'application: le centre de gravité du chat, point choisi par convention ;
  • sa direction : la verticale ;
  • son sens : du haut vers le bas ;
  • son intensité : P = m × g = 4,2 × 9,8 = 41,16 N.
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13
Lancer de ballon.

Fais le même exercice en considérant un ballon de basket-ball de masse 600 g.
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Je m'entraine

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14
Une balance sur la Lune.

On imagine qu'un astronaute équilibre une balance à plateaux sur la Lune.

Placeholder pour Une balance sur la lune.Une balance sur la lune.
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1. S'il retournait ensuite sur la planète Terre sans rien toucher à ce dispositif, comment évoluerait l'équilibre de la balance à plateaux ? Explique ta réponse.
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15
Schématisation.

Compétence
Produire et transformer des tableaux ou des documents graphiques

1. Schématise le protocole expérimental permettant de mesurer le poids d'un objet.
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16
Passe-temps.

Dans la salle d'attente du pédiatre, Marion empile des cubes en bois pour passer le temps. Elle en profite en pour faire un peu de Physique.

1. Fais un schéma représentant deux cubes (identiques) superposés.

2. Représente par une flèche bleue le poids de chaque cube (aucune échelle n'est demandée, on rappelle que les cubes sont identiques).

3. Représente par une flèche rouge le poids de l'ensemble des deux cubes.

4. Mêmes questions pour un empilement de trois cubes.
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17
Le train gravitationnel.

Que se passerait-il si un train empruntait un tunnel qui traverse la Terre de part en part ? C'est l'idée du train gravitationnel : la théorie de la force de gravitation dit que le mouvement du train traversant la Terre serait accéléré jusqu'au milieu du trajet puis ralenti jusqu'à la sortie. Tous les trajets dureraient 43 minutes !

Placeholder pour Le train gravitationnel.Le train gravitationnel.
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1. Pourquoi le mouvement serait-il accéléré sur première moitié du trajet ?

2. Pourquoi serait-il ralenti ensuite ?

3. Pour quelles raisons ce moyen de transport n'est-il pas envisageable dans la réalité ?
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18
Mouvement d'un ballon.

Observe la chronophotographie du ballon.

Placeholder pour Mouvement d'un ballon.Mouvement d'un ballon.
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1. Décris dans quelles portions de la trajectoire la valeur de la vitesse augmente ou diminue, d'une position à la suivante.

2. Quelle force agit pendant ce mouvement ?
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19
Ballons sur la Terre.

1. Complète le schéma avec des flèches représentant le poids de chacun des ballons posés sur la Terre. Pour ce faire, utilise l'outil dessin en cliquant sur l'image.

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20
Proportionnalité.

Compétence
Comprendre et interpréter des tableaux ou des documents graphiques
Pour préparer un exposé sur la proportionnalité en mathématiques, Sébastien a utilisé le logiciel Geogebra pour représenter l'évolution du poids en fonction de la masse sur les planètes Mercure, Jupiter et Terre. Il a juste oublié d'indiquer les noms des planètes sur son graphique.

Données :
  • g_{\text{Mercure}} = 3{,}7 N/kg ;
  • g_{\text{Terre}} = 9{,}8 N/kg ;
  • g_{\text{Jupiter}} = 25 N/kg.
Placeholder pour Proportionnalité.Proportionnalité.
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1. Fais correspondre les droites tracées aux planètes en utilisant les valeurs d'intensité de pesanteur données. Explique ton raisonnement.
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21
L'assistance gravitationnelle.

L'assistance gravitationnelle consiste à utiliser la force de gravitation subie par une sonde spatiale lorsqu'elle passe assez près d'une planète pour dévier sa trajectoire et être accélérée ou ralentie.
Placeholder pour L'assistance gravitationnelle.L'assistance gravitationnelle.
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1. D'après ce que tu sais sur la force de gravitation universelle, quelle trajectoire est plausible pour la sonde ? Explique ton choix.
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22
De la danse aérienne.

Compétence
Produire et transformer des tableaux ou des documents graphiques
Placeholder pour La danse aérienne.La danse aérienne.
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1. Représente le DOI du danseur lorsqu'il est à l'équilibre.

2. Quelles sont les forces agissant sur le danseur ?

3. Représente ces forces.

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23
Dans un ascenseur.

Le constructeur d'un ascenseur a indiqué sur une plaque bien visible que le poids maximum autorisé pour que l'ascenseur fonctionne est de 8 000 N.

Données : g = 9,8 N/kg.

1. Pourquoi est-ce qu'un poids maximum est indiqué par le constructeur ?

2. Quel type d'appareil est intégré à l'ascenseur et mesure ce poids pour empêcher son mouvement en cas de dépassement ?

3. Calcule la masse totale que ne doivent pas dépasser les utilisateurs de l'ascenseur.
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Une notion, trois exercices
Différenciation

Compétence : Pratiquer le calcul numérique et le calcul littéral
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24-A
Ton poids sur la Lune

Le poids d'un objet à la surface d'un astre correspond à la force de gravitation exercée par l'astre sur cet objet.
Données :
  • Masse de la Terre : 5,97 × 1024 kg ;
  • Rayon de la Terre : 6 370 km ;
  • Masse de la Lune : 7,3477 × 1022 kg ;
  • Rayon de la Lune : 1 737 km.
  • Rappel : la force de gravitation a pour valeur : F = G \dfrac{m_{A} \times m_{B}}{d^{2}} avec :
    • G = 6,67 × 10-11 N.m2/kg2
    • mA et mB en kg
    • d en m
1. On note mA ta masse et mB celle de l'astre. Donne la formule que tu vas utiliser pour calculer ton poids sur un astre et justifie ton choix.

2. Convertis le rayon de la Terre en mètres.

3. Calcule PTerre ton poids à la surface de la Terre.

4. Convertis le rayon de Lune en mètres.

5. Calcule PLune ton poids à la surface de la Lune.

6. Compare les deux résultats.
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24-B
Ton poids sur Mars

Données :
  • Masse de la Terre : 5,97 × 1024 kg ;
  • Rayon de la Terre : 6 370 km ;
  • Masse de la Mars : 6,42 × 1023 kg ;
  • Rayon de la Mars : 3 390 km.
  • Rappel : la force de gravitation a pour valeur : F = G \dfrac{m_{A} \times m_{B}}{d^{2}} avec :
    • G = 6,67 × 10-11 N.m2/kg2
    • mA et mB en kg
    • d en m
1. On note mA ta masse et mB celle de l'astre. Donne la formule que tu vas utiliser pour calculer ton poids sur un astre et justifie ton choix.

2. Calcule ton poids à la surface de la Terre.

3. Calcule ton poids à la surface de Mars.
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24-C
Est-ce que mon poids change en haut de l'Everest ?

Données :
  • Rayon de la Terre : 6 370 km ;
  • Hauteur de l'Everest : 8 850 m ;
  • Masse de la Terre : Masse de la Terre : 5,97 × 1024 kg.
1. Existe-t-il une différence entre le poids d'un objet et la force de gravitation exercée par la Terre sur cet objet ? Donne la formule qui te permet de calculer la force de gravitation entre deux objets.

2. Calcule ton poids au niveau de la mer et en haut de l'Everest.
Placeholder pour Est-ce que mon poids change en haut de l'Everest ?Est-ce que mon poids change en haut de l'Everest ?
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J'approfondis

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25
Le vol du colibri.

Les colibris sont une famille d'oiseaux présents en Amérique du Sud. Ils sont capables de maintenir un vol stationnaire et même de voler en arrière ! On trouve le plus petit d'entre eux à Cuba. Sa masse est de m = 2 g.

Placeholder pour Le vol du colibri.Le vol du colibri.
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1. Calcule le poids de ce colibri.

2. Fais le schéma d'un colibri en vol stationnaire (immobile) sur lequel tu représenteras le poids du colibri. Précise l'échelle utilisée.

3. Quelle autre force agit sur le colibri ? Pourquoi estelle nécessaire ?

4. Représente cette force en expliquant ton raisonnement.
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26
Le dynamomètre est-il cassé ?

Anna veut vérifier que son dynamomètre fonctionne. Elle prend une trousse dont elle mesure la masse avec une balance et le poids avec son dynamomètre. Elle trouve 200 g pour la masse de la trousse et 20 N pour le poids.

1. Calcule l'intensité de la pesanteur g à partir des mesures effectuées par Anna.

2. Ce dynamomètre fonctionne-t-il correctement ?
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27
Lancer du marteau en athlétisme.

Compétence
Produire et transformer des tableaux ou des documents graphiques
Pour lui donner de la vitesse, le boulet qui le constitue est attaché au bout d'un câble en acier tenu par une poignée pour lancer le marteau le plus loin possible. Les athlètes effectuent plusieurs rotations.

1. Réalise le DOI au cours de cette phase.

2. Sur un schéma du boulet et du câble tendu, représente ces forces par des flèches (sans tenir compte des intensités de ces forces).

3. Qu'y a-t-il de similaire entre le mouvement du boulet et les mouvements des planètes (si on néglige le poids du boulet devant la force exercée par l'athlète) ?
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28
Un éléphant et une souris.

Contrairement aux idées reçues, il semblerait que les éléphants n'aient pas peur des souris. Considérons une situation où les centres de gravité d'un éléphant d'Asie et d'une souris grise sont distants de 2 m.

Données :
  • masse de l'éléphant : 2 500 kg ;
  • masse de la souris : 20 g ;
  • G = 6,67 × 10-11 N.m2/kg2.
1. D'après toi, la souris ressent-elle la force de gravitation exercée par l'éléphant tout près d'elle ?

2. Calcule cette force.

3. Calcule le poids de la souris.

4. Compare les deux forces et propose une conclusion.
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29
Le pèse-personne.

Compétence
Présenter mon résultat avec l'unité adaptée
Les modèles courants de pèse-personne à aiguilles fonctionnent grâce à un ressort. Plus le poids est important, plus le ressort se déforme, ce qui fait bouger une aiguille ou tourner un cadran. La raideur du ressort est adaptée au poids d'un adulte et la précision de l'affichage diminue au fur et à mesure que l'on s'éloigne du poids moyen d'un humain.

1. Quelle est l'unité affichée sur un pèse-personne du commerce ?

2. À quel appareil de mesure correspond la description du pèse-personne dans le texte ?

3. En toute rigueur, le pèse-personne est-il une balance ?
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30
Hockey sur glace.

L'objectif des joueurs de hockey sur glace est d'envoyer le palet (un cylindre de caoutchouc d'environ 160 g) dans le but de l'équipe adverse.

1. Le système considéré ici est le palet. Représente le DOI du palet lorsqu'il est immobile sur la glace.

2. Calcule le poids du palet.

3. Représente le poids par une flèche sur ton schéma (tu préciseras l'échelle utilisée).

4. La glace de la patinoire exerce une action de surface sur le palet. On la modélise par une force de réaction appliquée à la surface de contact entre la glace et le palet. Schématise cette force pour que le palet soit à l'équilibre.
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31
Forces sur un mousqueton.

On trouve les indications ci-dessous sur la notice d'un mousqueton utilisé en escalade.

Placeholder pour Notice d'un mousqueton utilisé en escalade.Notice d'un mousqueton utilisé en escalade.
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1. Dans les meilleures conditions d'utilisation, quelle est l'intensité de la force maximum que peut supporter le mousqueton ?

2. Quelle est la masse maximale que l'on peut suspendre à un tel mousqueton ?

3. Quelle est la masse maximale que l'on pourrait suspendre à ce mousqueton s'il était utilisé ouvert ?

4. La force maximale que peut supporter le mousqueton ouvert est très supérieure au poids d'un être humain. Fais des recherches pour déterminer pourquoi la notice mentionne un danger en ce cas (mis à part le fait que la corde puisse sortir).
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32
Sur quel satellite a atterri la sonde ?

Compétence
Pratiquer le calcul numérique et le calcul littéral
Imaginons qu'on ait envoyé une sonde spatiale pour explorer les environs de la planète Jupiter et qu'à la suite d'un incident, la sonde ait dû se poser en catastrophe sur un des nombreux satellites naturels qui entourent Jupiter. La sonde prélève un échantillon de roche. Ses instruments mesurent une masse de 210 g et un poids de 0,26 N.

1. Calcule l'intensité de la pesanteur là où la sonde s'est posée.

2. Déduis des données le satellite de Jupiter sur lequel elle s'est posée.
Satellite de JupiterIoEuropeGanymèdeCalisto
Intensité de la pesanteur (en N/kg)1,791,311,431,23
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33
L'ascenseur spatial.

Le principe de l'ascenseur spatial serait d'avoir un câble de plusieurs dizaines de milliers de kilomètres tendu au-dessus de son point d'attache sur Terre. Comme pour une fronde, la force centrifuge due à la rotation de la Terre compenserait la force de gravité. L'ascenseur remonterait de ce câble et l'espace serait à portée de cabine.

Données :
  • masse de la Terre : 6 × 1024 kg ;
  • rayon de la Terre : 6 371 km.
Placeholder pour L'ascenseur spatial.L'ascenseur spatial.
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1. Grâce au texte précédent, fais un schéma représentant la Terre et le câble de l'ascenseur spatial. Pour cet exercice, on considérera que le câble fait 70 000 km de long.

2. Calcule la force de gravitation qui s'exercerait sur toi à la surface de la Terre, puis à une altitude de 10 000 km, 20 000 km, etc. jusqu'en haut de l'ascenseur. Reporte tes résultats dans un tableau. Tu pourras utiliser un tableur pour ces calculs.
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34
Chute des corps dans le vide.

Les objets chutent dans le vide à la même vitesse, quelle que soit leur masse ! Galilée puis Newton l'ont compris au XVIIe siècle. Einstein en a fait un des fondements de ses réflexions, en l'appelant le « principe d'équivalence », au 20e siècle. Cette observation est cependant difficile à réaliser car sur Terre les frottements de l'air interviennent.

1. Comment l'action de l'air modifie-t-elle le mouvement de chute des objets ?

2. De deux objets, ayant des masses différentes, c'est celui de plus grande masse que la Terre attire à elle avec la force la plus intense. Comment interpréter que l'objet de masse plus grande n'ait pas un mouvement de chute plus rapide (lorsque l'air n'intervient pas) ?
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Je résous un problème

Compétence : Mettre en œuvre un raisonnement logique simple pour résoudre un problème
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La valeur de l'intensité de pesanteur g dépend de la distance au centre de la Terre et de sa masse. Si la Terre était une sphère parfaite, g devrait être constante. Or il n'en est rien.
À l'aide des données et de tes recherches détermine la forme de la Terre.
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Doc. 1
Différentes valeurs de g en fonction du lieu.

LatitudeVillePaysValeur de g (en N/kg)
77°NQaanaacGroenland9,939
70°NHamerfestNorvège9,834
48,5°NParisFrance9,809
41,23°NBarceloneEspagne9,804
9°NAbujaNigeria9,776
8°SLuandaAngola9,777
33,5°SLe CapAfrique du Sud9,796
54,5°SPort WilliamsChili9,820
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Doc. 2
Plaque posée à proximité du mont Chimborazo, en Équateur.

Placeholder pour Plaque posée à proximité du mont Chimborazo, en Équateur.Plaque posée à proximité du mont Chimborazo, en Équateur.
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Traduction partielle : « Chimbarazo… la montagne la plus élevée au monde depuis le centre de la Terre ». On y lit les distances du centre de la Terre au sommet de l'Everest (6 382 km) et du centre de la Terre au sommet du Chimbarazo (6 384km).
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Exercices supplémentaires

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35
L'impesanteur.

Tu ressens ton poids car il t'entraine vers le sol qui exerce une force opposée au niveau de la surface de contact de tes pieds. En orbite autour de la Terre, tous les objets tombent à la même vitesse sans que rien ne vienne s'y opposer. La sensation de poids disparait : c'est l'impesanteur.
Données :
  • rayon de la Terre : 6 371 km ;
  • altitude de l'ISS (Station Spatiale Internationale) : 400 km ;
  • intensité de la pesanteur sur Terre : g = 9,8 N/kg.
1. Quelle est la trajectoire d'une station spatiale autour de la Terre ?

2. Si une station spatiale autour de la Terre ne subissait aucune force d'attraction de gravitation, quelle serait sa trajectoire ?

3. Calcule l'intensité de la pesanteur g dans l'ISS.

4. Compare ce résultat à l'intensité de la pesanteur sur Terre.
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36
De la science au cinéma.

Anna et Pierre regardent un film de science fiction se déroulant dans une vaisseau spatial en orbite autour de la Terre.
Pierre : « Ce film est incroyable de réalisme ! »
Anna : « C'est quand même bizarre que les cheveux de l'actrice principale ne flottent pas autour de sa tête, non ? »

1. Qu'en penses-tu ?
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37
Une sortie spatiale.

Le 13 janvier 2017, Thomas Pesquet a été le quatrième astronaute français à réaliser une sortie dans l'espace. Pour pouvoir quitter la Station Spatiale Internationale, il a du revêtir un scaphandre