les forces - IES Drago

Les forces
Unité 2
LES FORCES
Les physiciens emploient le mot « force » pour décrire des actions : pousser,
tirer, attirer, repousser, étirer, comprimer, écraser, frapper, donner un coup de pied,
traîner, heurter...
1. Complétez
Le vent pousse le voilier
Il tire les rideaux
On dit que le vent exerce
une force sur le voilier
Il exerce __________
_________________
L’aimant attire le fer.
L’aimant exerce ____
_________________
Le tue-mouches écrase la
mouche
Le tue-mouches __
_________________
La Terre attire la pomme
La Terre exerce ____
__________________
Les ballons se repoussent
Elle étire le ressort
Elle exerce ________
_________________
Chaque ballon exerce
________________
sur l’autre ballon
Le footballeur donne un coup
de pied dans le ballon
Le footballeur ______
_________________
Le basketteur lance
le ballon
Le basketteur ______
_________________
1
Les forces
La voiture traîne une
caravane
La voiture _________
_________________
La raquette frappe la balle
La raquette _________
__________________
L’athlète soutient les
haltères
L’athlète __________
_________________
2. Combien de corps est-il nécessaire pour produire une force ? ________
La force est une grandeur physique qui sert à mesurer l’interaction produite entre
deux corps.
Effets des forces sur les corps
Les forces peuvent provoquer différents effets sur un corps :
-
-
Le déformer
Modifier son mouvement:
- le mettre en mouvement
- augmenter ou diminuer sa vitesse (la quantité)
- changer sa trajectoire (la direction ou le sens de la vitesse)
Dans tous les cas on modifie la vitesse du corps
S’opposer à l’effet d’une autre force
3. Indiquez, dans les exemples antérieurs, la modification que les forces
provoquent sur les corps.
Le voilier ________________________________________________
Les rideaux_______________________________________________
La pomme_________________________________________________
Le fer ___________________________________________________
Les ballons _______________________________________________
Le ressort ________________________________________________
La mouche ________________________________________________
Le ballon de football ________________________________________
Le ballon de basket _________________________________________
La caravane _______________________________________________
La balle __________________________________________________
Les haltères ______________________________________________
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Les forces
Vecteur force
Pour tenir une pomme, il faut exercer une force d’intensité supérieure que pour
supporte un livre. Toutes les forces ont une certaine intensité.
L’unité d’intensité d’une force selon le S.I. est le newton (symbole : N).
L’appareil qui sert à mesurer les forces s’appelle dynamomètre. Lorsqu’on tire
sur une extrémité, le dynamomètre se déforme et indique la valeur de la force exercée.
4. Complétez le schéma avec les mots suivants : index (lecture de la valeur),
anneau pour accrocher, crochet, ressort, graduation (en newtons), corps
(protection), gros fil de fer.
Dans le tableau on trouve des exemples d’intensités de différentes forces
Force
Intensité (N)
Force exercée par un doigt sur le poussoir d’un stylo
1
Force exercée par la Terre sur une personne de 60 kg
600
Force exercée par une raquette sur une balle
1 100
Force exercée par les gaz d’un moteur de fusée
6 000 000
Force exercée par le Soleil sur la Terre
3’5 ⋅ 1022
Pour supporter une pomme ou un livre il faut exercer une force dans la direction
verticale et de bas en haut. Les forces se caractérisent par :
- une intensité
- une direction
- un sens
r
On peut donc représenter la force par un vecteur, F :
- La longueur du vecteur force est proportionnelle à l’intensité de la force (F).
- La droite du vecteur force indique la direction.
- La flèche du vecteur repère le sens.
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Les forces
Dans l’exemple de la main qui porte la pomme ou le livre :
r
F main, pomme
r
F
main, livre
5. Pourquoi la longueur du premier vecteur est-elle la moitié de celle du second
vecteur ?
On a précisé le corps qui exerce la force (l’auteur) et celui qui la subit (le receveur).
r
Une force représentée par un vecteur est notée F
auteur, receveur
Troisième loi de Newton
Quand vous marchez, vous pensez peut-être que sont vos pieds qui travaillent,
mais le sol travaille tout autant. Quand vos pieds poussent fort vers le bas, le sol pousse
vers le haut avec exactement la même force. Si le sol poussait moins fort, votre pied
s’enfoncerait comme il s’enfonce dans l’eau. Si le sol poussait plus fort, il vous
enverrait dans les airs. En fait, chaque fois qu’un objet agit sur un autre avec une
certaine force, le second agit sur le premier avec une force exactement égale et
opposée. Quand une voiture avance, les pneus poussent la route vers l’arrière, et la
route pousse les pneus vers l’avant. Quand vous poussez l’eau avec vos jambes et vos
bras pour nager, l’eau agit en vous poussant avec la même force.
La Science. Guide pratique de jeunesse
Judith Hann
6. Décrivez les situations suivantes et indiquez si elles sont vraies ou fausses.
r
F
r
F
pied, sol
r
F
r
F sol, pied
sol, pied
sol, pied
r
F
pied, sol
r
F
pied, sol
4
Les forces
7. Dessinez la force qu’exerce le pneu sur la route et la force qu’exerce la
route sur le pneu.
8. Dessinez la force qu’exerce le nageur sur l’eau et la force qu’exerce l’eau
sur le nageur.
9. Enoncez la troisième loi de Newton.
Bilan de forces dans une interaction
Faire un bilan des forces consiste à recenser toutes les forces qui s’exercent sur un
corps ou sur un système.
10. Représentez et notez toutes les forces qui existent dans les systèmes
suivants :
Une pomme qui tombe,
attirée par la Terre
La Terre autour du Soleil
Une pomme fixée à
une branche
Un poisson dans la mer
Un livre sur une table
Un enfant pousse
son jouet
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Les forces
Différents types de forces
Dans la nature, il n’y a que trois types de forces :
- Les forces nucléaires présentes à l’intérieur du noyau des atomes.
- Les forces gravitationnelles qui provoquent la chute des corps et le mouvement
des astres.
- Les forces électromagnétiques, parmi lesquelles se trouvent les forces
électrostatiques et les forces magnétiques.
11. Complétez le schéma suivant :
12. Classifiez les forces suivantes :
NN
O
O
EE
SS
-
-
L’aiguille aimantée d’une boussole s’oriente en direction du pôle Nord. La
Terre exerce une ___________________ sur l’aiguille.
Une pierre tombe après avoir été lancée.
Un chalumeau, frotté avec de la laine, attire des petits bouts de papier. Le
chalumeau exerce _________________________________________
La Lune tourne autour de la Terre. La Terre ______________________
________________________________________________________
En reprenant sa forme, un arc exerce ____________________________
Sur la flèche.
Les protons et les neutrons s’attirent à l’intérieur du noyau des atomes. __
________________________________________________________
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Les forces
Les forces gravitationnelles
La chute de corps révèle la force d’attraction exercée à distance par la Terre.
L’intensité de cette force d’attraction, dans un certain lieu de la surface de la terre,
dépend de la masse du corps.
r
Le poids ( P ) d’un objet est la force
d’attraction que la Terre exerce sur l’objet dans un
certain lieu de sa surface. Il a pour direction la
verticale et pour sens va de haut en bas.
r
F
Terre, pomme =
r
P
On peut mesurer le poids avec le dynamomètre.
13. Déterminez le poids de différentes masses et complétez le tableau
suivant :
m (kg)
P (N)
P (N)
Tracez un graphe et représentez la
valeur du poids P (N) en fonction de
la masse m (kg).
m (kg)
Quelle est la relation entre la masse et le poids d’un corps ? ______________
____________________________________________________________
Nous constatons que le poids d’un corps est proportionnel à sa masse :
P/m = cte ;
P/m = g
ou
P=m⋅g
« g » est l’intensité de la pesanteur. Sa valeur est voisine de 10 N/kg, plus précisément
9’8 N / kg
14. Une bouteille en verre de masse 200 g, contient 1 L d’eau quand elle est
pleine.
a) Calculez la masse de la bouteille pleine (1 L d’eau a une masse de 1
kg).
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Les forces
b) Calculez le poids de la bouteille pleine.
15. Complétez le tableau suivant
masse
poids
Unité de mesure (S.I.)
Appareil de mesure
Dépend du lieu à la
surface de la Terre
Dépend de la planète
La force d’attraction existant entre les astres est aussi gravitationnelle. La force
qui nous maintient au sol est la même que la force qui maintient la Terre en orbite
autour du soleil, la Lune autour de la Terre ou qui provoque les marées.
Les forces d’attraction de la Lune
et du Soleil s’additionnent. Il y aura
des marées de “vive-eau”.
La Lune et le Soleil se trouvent à
angle droit. Ils exercent une
attraction beaucoup plus faible Il y
aura des marées de “morte-eau”.
On ne sait pas exactement comment agit la gravité, mais on sait que c’est une
force d’attraction qui s’exerce sur la matière. L’intensité de cette force dépend de la
masse des objets et de la distance qu’il y a entre eux. Newton énonce en 1665 la loi de
gravitation.
Deux objets A et B, exercent l’un sur l’autre une force attractive dirigée suivant
la droite qui les joint. Cette force varie proportionnellement au produit de leurs masses
et à l’inverse du carré de la distance qui les sépare :
r
r
mA
FB , A
FA, B mB
m A ⋅ mB
F =G
d2
d
F: valeur des forces d’interaction gravitationnelle (N)
mA et mB, masses de A et de B (kg)
d : distance entre les centres (m)
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Les forces
G : constante de gravitation (G = 6’67 ⋅ 10–11 N⋅m2/kg2)
16. Déterminer les caractéristiques de la force de gravitation exercée par la
Terre sur la Lune.
Données :
mT = 5’98 ⋅ 1024 kg
mL = 7’34 ⋅ 1022 kg
G = 6’67 ⋅ 10–11 N⋅m2/kg2
dT-L= 3’84 ⋅ 105 km
La loi de gravitation universelle sert aussi à calculer le poids des corps. Un objet
de masse m, situé à la surface de la Terre, est soumis à la force gravitationnelle
exercée par la Terre, cette force est appelée poids :
m ⋅ m G mT
F =P=G T 2 =
⋅m = g ⋅m
RT
RT2
r
r
FTerre,objet = P
d = RT = 6380 km, rayon de la Terre
mT = 5’98 ⋅ 1024 kg
Le coefficient g =
G mT
, est la valeur de l’intensité de la pesanteur que nous avons déjà
RT2
étudiée.
17. Calculez le poids d’un corps de masse m = 5 kg placé sur la Terre. Employez la
loi de gravitation universelle et l’expression P = m ⋅ g
18. Calculez le poids d’un corps de masse m = 5 kg placé sur la Lune.
Données : mL = 7’34 ⋅ 1022 kg ; RL = 1’74 ⋅ 106 m
19. Ordonnez les groupes de mots pour trouver une phrase.
entre deux corps
les séparant.
et inversement proportionnelle
l'attraction gravitationnelle
au carré de la distance
est directement proportionnelle
au produit des masses des deux corps,
20. Roméo et Juliette sont assis sur un banc l’un à côté de l’autre à une distance de
1’00 m l’un de l’autre (distance de leur centre). La masse de Roméo est de 75 kg
et la masse de Juliette est de 58 kg.
a) Calculez la valeur des forces d’interaction gravitationnelle subies par chacun.
b) Calculez les valeurs de leur poids respectif. On donne : g = 9’8 N/kg.
c) Comparer les valeurs des forces calculées et donner une conclusion.
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Les forces
La pomme de Newton : c'est la légende qui permit à Newton de faire son
hypothèse sur la gravitation universelle, en voyant tomber une pomme à terre. Il
se posa la question suivante : "Pourquoi la Lune, qui est semblable à une gigantesque
pomme, fort éloignée mais non suspendue à une branche, ne tombe-t-elle pas sur la
Terre ?". Voici l'explication qu'apporte Newton. On ne l'explique pas autrement
aujourd'hui !
Imaginons un canon à la surface de la Terre qui tire des boulets en ligne
droite parallèlement au sol. Plus la vitesse initiale du boulet est grande, plus il
retombe loin. Appelons L cette distance. Un boulet tiré, commence par parcourir
une ligne droite dans l'alignement du fût du canon, puis progressivement s'en
éloigne car il chute vers le sol.
Un boulet tiré avec une faible
vitesse initiale retombe sur le
sol rapidement
D
E
Un boulet tiré avec plus de puissance
retombe plus loin. L'effet de courbure de la
terre commence à être visible
Maintenant considérons le cas d'un boulet tiré avec une très grande vitesse
initiale. Comme prévu, il commence par
suivre la ligne de tir puis progressivement
D
s'en éloigne pour chuter. Mais il nous faut
E
considérer le phénomène suivant : étant
donné qu'il parcourt une très grande
F
distance avant d'atteindre le sol, il va voir
le sol s'éloigner de lui ! Parce que la Terre
est ronde et si vous vous déplacez dans
l'air suivant une exacte ligne droite, inévitablement vous vous éloignez du sol,
puisqu'il est courbe.
Suivant ce raisonnement, si le boulet est tiré suffisamment
vite, il est possible que le sol s'éloigne plus vite du boulet
(du fait de la courbure de la Terre) qu'il ne chute vers le
sol. Dans ce cas le boulet n'atteindra jamais le sol et
partira dans l'espace. Sous certaines conditions, il est
satellisé autour de la Terre, sinon, il est éjecté dans
l'espace et se sépare complètement de la Terre.
Un boulet tiré à très
grande vitesse se
satellise
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Les forces
La Lune est par conséquent un corps qui chute constamment
vers la Terre, mais étant donné sa vitesse et son éloignement,
elle n'atteint jamais la Terre qui se dérobe constamment. Elle
adopte un mouvement circulaire autour de la Terre car la force
de gravitation l'oblige quand même à suivre la Terre dans son
mouvement. Il en est de même pour le mouvement des planètes
par rapport au Soleil. Enfin, c'est là le dernier coup porté à la
physique d'Aristote : les lois qui régissent le mouvement des objets célestes sont
les mêmes sur Terre ! Il n'y a plus de séparation en monde Terrestre et Céleste !
Dans les « Principia », Newton ne se contente pas
de relater cette expérience et d'exposer la loi en
1/R2. Il développe tout d'abord les fondements de la
mécanique, et expose ensuite la gravitation
universelle.
http://elbereth.obspm.fr/~charnoz/grav5.html
21. Complétez le texte suivant
Un ____________, lancé __________________ du haut d’une ____________,
tombe d’autant plus loin qu’on le lance plus __________ S’il n’y y avait pas
d’atmosphère pour le freiner, il reviendrait à son point de départ à une certaine
vitesse : il serait ________________
22. Le Soleil attire la Terre. Pourquoi ne tombe-t-elle pas sur le soleil ?
______________________________________________________________________
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
23. Calculez la force d’attraction que la Terre exerce sur une pomme de 200 g
Pourquoi est-ce qu’on emploie la même expression que pour calculer la force
d’attraction que la Terre exerce sur la lune ?
24. Des élèves ont représenté le poids d’un objet situé à la surface de la Terre.
Indiquez les schémas corrects et justifier les réponses.
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Les forces
Poussée d’Archimède
25. Faites le bilan des forces qui s’exercent sur le bateau et sur la montgolfière.
L’eau exerce une force verticale et vers le haut sur le bateau et l’air exerce une
force verticale vers le haut sur la montgolfière. Ces forces sont appelées poussée
d’Archimède.
26. Plongez un œuf dans un verre d’eau. Qu’est-ce qui se
passe ? __________________________
Faites un bilan des forces. La poussée d’Archimède
est-elle inférieure ou supérieure au poids ?
_____________________________________
_____________________________________
Versez 5 cuillères à café de sel fin dans le verre
et remuez. Qu’est-ce qui se passe ? ___________
_____________________________________
De quoi dépend la poussée d’Archimède ?
_____________________________
___________________________________________________________
27. Faites le bilan des forces et comparez les deux situations suivantes :
Complétez :
Le chargement du deuxième bateau est supérieur donc, le poids du deuxième
bateau est ________________________________________________
Dans les deux cas, le poids est égal à ______________________________
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Les forces
La poussée Archimède, c’est-à-dire, la force qu’exerce l’eau sur le bateau est
supérieure dans ____________________________________________
Le deuxième bateau déplace un volume d’eau ________________________
_________________________________________________________
Nous pouvons conclure que la poussée d’Archimède dépend de ___________
_________________________________________________________
Archimède, savant grec, découvrit vers 200
avant J.-C. les caractéristiques de la force que les
liquides ou l’air exercent sur le corps. Selon la
légende, quand il entra dans son bain et il s’aperçut
qu’il flottait, il cria Eurêka ! (« j’ai trouvé » en
grec). Il venait de découvrir le principe qui porte
son nom.
Tout corps plongé dans un fluide (air, eau…) subit une poussée vers le haut
égale au poids du volume de fluide déplacé.
Un bateau flotte s’il est plus léger que le volume d’eau qu’il déplace.
28. On réalise l’expérience suivante :
26 N
38 N
Quelle est la valeur du poids ? ______________________________________
Quelle est la valeur de la poussée d’Archimède ?
__________________________
Quelle est la valeur de la masse du corps ? _____________________________
Quelle est la valeur du volume du corps ? ______________________________
Donnée :
deau = 1 g/cm3
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