Physique 5043 - Commission scolaire de Laval

Commission scolaire
des Laurentides
CORRIGÉ
Physique 5043
Forme A
FORCE ET ÉNERGIE
PHYSIQUE 5043
Préparé par Isabelle Lapierre
PRETEST
Janvier 2003
Physique 5043
Prétest
(Forme A)
Force et énergie
1.
Dites si les énoncés suivants sont vrais ou faux. Corrigez chaque énoncé faux de
façon à le rendre valide.
A. Sur la lune, si on laisse tomber une pierre et une plume d'une hauteur de 3 m, les 2 objets
arriveront en même temps au sol. Vrai
B. Sur le Terre, Jérôme a un certain poids. Il affirme que sur Mars son poids sera identique
puisque le poids est invariable d'un endroit à l'autre. Faux
C. Comme le rayon de la Terre au pôle est inférieur au rayon de la Terre à l'équateur, la
gravité est plus grande à l'équateur qu'au pôle. Faux
D. La force attractive combinée de la lune et du soleil sur la Terre est responsable du
phénomène de marées. Vrai
E. D'après la loi de la gravitation universelle de Newton, si la distance entre 2 corps diminue
de moitié, la force augmente du double. Faux
F. Les facteurs influençant la grandeur de la force d'attraction entre 2 corps sont la masse des
objets en présence et la distance qui les sépare. Vrai
B. … sa masse … puisque la masse est invariable.
C. … la gravité est plus faible…
E. … la force augmente de 4.
(3 bonnes corrections = 2 points, 2 bonnes = 1 point, 1 bonne = 0 point)
3 points
2.
F
_ _300 _ _ _
A)
Trouvez les énoncés faux.
1) Le Newton est l'équivalent du kg  m/s2. Vrai
2) La variation de la quantité de mouvement d'un corps est proportionnelle à la force nette
appliquée. Cet énoncé s'applique à la deuxième loi de Newton. Vrai
3) L'angle de 300 n'a pas d'influence sur la force avec laquelle l'objet est tiré. Faux
4) Si la force F disparaissait, aucune force n'agirait sur l'objet donc, il serait en équilibre de
translation. Faux
5) Le fait de tirer l'objet vers la droite provoque une réaction vers la gauche. Vrai
6) Un corps ne peut pas être déformé par une force car celle-ci dépend seulement de la
masse d'un corps et de son accélération. Faux
(0 ou 1 point)
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B.
Justifiez les énoncés vrais.
1. Puisque F= ma
donc, 1N = 1kg  m
s2
N = kg x m
s2
2. On sait que F = ma
F = m v
t
F = m p
et
p = mv
p = v
m
F = p
m  t
t
e
5. À toute action, il y a réaction (3 loi de Newton)
(3 bonnes justifications = 2 points, 2 bonnes = 1 point, 0 ou 1 bonne = 0 point)
3 points
3.
Lorsque l'on met les substances suivantes dans l'eau (densité = 1), les résultats
observés sont :
densité
substance
effet
0.92
7.80
0.68
11.3
2.49
0.92
glace
fer
essence
plomb
chlore
huile
flotte
coule
flotte
coule
coule
flotte
A.
Que pouvez-vous dire de ces résultats?
Lorsque la densité d'un objet est supérieure à celle du liquide déplacé, l'objet s'enfonce.
Lorsque la densité d'un objet est inférieure à celle du liquide déplacé, l'objet flotte.
(0 ou 1 point)
B.
Comparez la flottaison de la glace à celle de l'huile.
Le poids du liquide déplacé (l'eau) est identique pour l'huile et la glace, car leur densité est
pareille. (0 ou 1 point)
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C.
Si les substances étaient placées dans l'alcool (densité = 0,79), quel serait l'effet sur la
flottaison de chacun?
substance
effet
glace
fer
essence
plomb
chlore
huile
coule
coule
flotte
coule
coule
coule
(0 ou 1 point)
3 points
4.
1
2
3
4
5
Une bille part de la position 1 pour se retrouver à la position 5. Décrivez ce qui se
passe des positions 1 à 5 en terme d'énergie cinétique, d'énergie potentielle et de
conservation de l'énergie. Considérez qu'il n'y a aucune force de frottement.
Position 1 :
Position 2 :
L'énergie totale = Énergie potentielle (Et = Ep = mgh)
L'énergie totale = Énergie potentielle qui a diminué + Énergie cinétique qui
apparaît. (Et = Ep + Ek + = mgh'+ ½ mv12)
Position 3 : L'énergie totale = É cinétique maximale car la bille est au sol
(Et= Ek' = ½ mv2max)
Position 4 : L'énergie totale = É cinétique maximale car il n'y a aucun frottement.
(Et = Ek' = ½ mv2max)
Position 5 : L'énergie totale = É cinétique qui diminue et É potentielle du ressort qui
augmente. (Et = Ek2' + Epk = ½ mv22 + ½ kl2
(5 bonnes explications = 5 points, 3 ou 4 bonnes = 2 points,
2 bonnes = 1 point, 0 ou 1 bonne = 0 point)
5.
3 points
Les routes de campagne sont en mauvais état à cause des véhicules lourds qui y
circulent.
A. Quel moyen pourrait-on prendre pour que les véhicules lourds aient un effet moindre
sur les routes de campagne?
Exemples de bonne réponse : - augmenter le nombre de roues;
- diminuer les cargaisons.
(0 ou 2 points)
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B. Justifiez à l'aide de la définition de pression.
Puisque P = F/A, la force appliquée par le camion ne varie pas mais elle est divisée sur plus
de roues. L'aire est plus grande. Si A augmente, P diminue puisque c'est inversement
proportionnel. (0 ou 1 point)
3 points
6.
Voici un objet en chute libre à différents moments :

Fr
Fg
Fr


Fg
Fg
temps = 0 seconde
temps = 2 secondes
Fg = Fr
temps = 3 secondes
(vitesse limite)
(0 ou 1 point)
A. Sur les 3 schémas, indiquez le point d'application des forces.
B. Proposez 2 moyens de diminuer le frottement :
Changer la forme de l'objet ou la rugosité de sa surface. Sinon, changer sa masse.
(0 ou 2 points)
C. Quelles seraient les conséquences d'une diminution de frottement sur le mouvement
de l'objet?
L'objet tombera plus rapidement car Fg sera supérieure à Fr qui la freine.
(0 ou 1 point)
4 points
7.
Voici plusieurs ressorts :
Ressort A :
Au repos, il mesure 5 cm. Il s'allonge de 3 cm quand une masse de 200 g est
accrochée sur lui.
l = 0.03 m
Fg = mg
F = kl
m = 0.2 kg
Fg = 0,2 x 9.8
1.96 = Kx0.03
Fg = 1.96N
k = 65.3N/m
Ressort B :
Au repos, il mesure 10 cm. Lorsqu'une force de 5N est appliquée sur lui, sa
longueur est de 10,2 cm.
l = 0.002 m
F = kl
F = 65N
65 = k x 0.002
k = 32 500 N/m
Au repos, il mesure 20 mm. Une masse de 0.5 kg provoque une déformation
de 2.5 mm.
m = 0.5 kg
Fg = mg
F = kl
l = 0.0025 m
Fg = 0.5x9.8
4.9 = k x 0.0025
Fg = 4.9N
k = 1960 N/m
Ressort C :
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A. Parmi ces ressorts, lequel correspond à la situation suivante :
F(N)
392 294 196 98 –
0.05
0.10
0.15
0.20
l (m)
Réponse : C (0 ou 2 points)
B. Justifiez votre réponse :
Puisque la pente d'un graphique donne k, la constante de rappel d'un ressort, on trouve que
k = 1960 N/m et le ressort C à la même constante. (0 ou 2 points)
4 points
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8.
point d'appui
Fm
Fr
|------lr--|
|---------lm------------|
Voici un tire-bouchon qui est un levier inter-résistant.
A. Indiquez sur le schéma les éléments suivants :
le point d'appui, le point d'application de la force motrice et résistante, la longueur du
bras de levier moteur et résistant. (0 ou 2 points)
B. Si on désire avoir un effort minimal, comment devraient varier certains éléments?
Utilisez la loi des leviers pour vous aider.
Le rapport des forces étant inversement proportionnel à celui des bras de leviers, on peut
jouer sur le lr ou sur le lm pour avoir la force motrice la plus petite possible. (augmenter lm ou
diminuer lr) (0 ou 2 points)
4 points
9.
Jacques tire son fils couché dans un landau qui a une masse de 15 kg. La force de
50N avec laquelle Jacques tire fait un angle de 250 avec l'horizontal. Quelle est la
masse du fils de Jacques si la force de frottement entre le trottoir et les roues du
landau est de 6N et que l'accélération donnée au landau est de 1 m/s2?
50N
350
-------------
 Frestante = 40.96N - 6N = 34.96N
 F = ma
34.96 = mx1
m = 34.96 kg (0 ou 2 points)
6N
mlandeau = 15 kg
Fs = 50 cos 350 = 40.96N
Ff = 6N
a = 1 m/s2
 Donc : 34.96 kg - 15 kg = 19.95 kg = masse du fils
(0 ou 2 points)
4 points
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10.
Quel est le poids d'une personne de 715N sur Terre si cette personne va sur
une planète ayant une masse 4 fois supérieure à la Terre et un diamètre 3 fois plus
grand que la Terre?
(masse de la Terre = 5.98x1024kg, rayon de la Terre = 6.38x106m)
Terre : Fg = mg
Planète ; Fg = 6.67x1011x72.96x(4x5.98x1024)
715 = m x 9.8
(3x6.38x106)2
m = 72.96 kg
Fg = 317N
(0 ou 2 points)
4 points
11.
Mariette est en chaise roulante (masse Mariette + chaise = 80 kg) et utilise une rampe
d'accès pour entrer à la banque. La rampe a une longueur de 4 m et fait un angle de
200 par rapport au sol. Mariette arrive en haut de la rampe avec une vitesse de 1.5 m/s
car les forces de frottement sont de 12N.
4m
200
A. Calculez le travail total effectué pour monter la rampe d'accès.
wi = ½ mv2
wi = ½ x 80x1.52
wi = 90J
Contre la pesanteur : wg = mgh
wg = 80x9.8x1.37
h = sin20 = h
wg = 1073J
4
h = 1.37 m
Contre l'inertie :
Contre le frottement : wf = Ff . s
wf = 12 x 4
wf = 48J
Travail total : 1073 + 90 + 48 = 1211J
(0 ou 2 points)
B. Si les forces de frottement sont négligeables et que Mariette glisse et se retrouve à la
moitié de la rampe, quelle est alors sa vitesse?
wTOTAL = wg + wi = 1073 + 90 = 1163J
wg = mgh
wT = wg + wi
wi = ½ mv2
wg = 80x9.8x0.68
1163 = 533 + wi
630 = ½ x80xv2
h=sin20=h
wg = 533J
wi = 630J
v = 4 m/s
2
(0 ou 2 points)
h= 0.68 m
4 points
12.
Jude est sur une piste experte du Mont-Tremblant. Elle et ses skis ont une masse de
58 kg. Elle dévale la piste à une vitesse de 22 m/s. La pente fait un angle de 430 par
rapport à l'horizontal et la piste a une longueur de 114 m. Quelle quantité de chaleur
le frottement a-t-il produit pendant la descente?
m = 58 kg
Ep = mgh
Ek = ½ mv2
Echaleur = Ep-Ek
v = 22 m/s
Ep = 58x9.8x77.7
Ek = ½ x58x222
Echaleur = 44197-14036
s = 114 m
Ep = 44 197J
Ek = 1 4036J
Echaleur = 3 0156J
θ = 430
(0 ou 1 point)
(0 ou 2 points)
h = sin43= h
114
h = 77.7 m
(0 ou 1 point)
4 points
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13.
Une pierre sphérique de 4 cm de rayon a une masse volumique de 2.7 g/cm3. Cette
pierre est plongée dans l'eau. Quel est son poids apparent?
(volume d'une sphère = 4/3r3, peau = 1 000 kg/m3
r = 4 cm = 0.04 m

v = 4r3

p = m/v
p = 2.7 g/cm3 = 2 700 kg
v = 4(0.04)3
2 700 = m
m3
v = 8.04x10-4m3
8.04 x 10-4
3
v = 4r
m = 2.17 kg
(0 ou 1 point)

Fg = mg

FA = Pgv
Fg = 2.17x9.8=21.28N
FA = 1 000x8.04x10-4x9.8
(0 ou 1 point)
FA= 7.88N

Papp = Fg-FA=21.28-7.88=13.40N
(0 ou 2 points)
4 points
14.
Un ressort au repos mesure 15 cm. Si on suspend une masse de 125 g, il mesure 35
cm. Quelle force permettra à ce ressort d'avoir une longueur de 48 cm?
m = 0.125 kg

Trouver k
l = 0.35 m - 0.15 = 0.20 m
 Fg = mg
F=?
Fg = 0.125x9.8=1.225N
l = 0.48 m
 F= kl
1.225 = k0,2
k = 6.125 N/m (0 ou 2 points)

15.
Trouver F
F = kl
F = 6.125 x 0.48
F = 2.94N
(0 ou 2 points)
4 points
Maurice déménage. Afin de faciliter le déménagement, il décide d'utiliser une
machine simple qui lui évitera de monter les 2 étages de son appartement au rez-dechaussée. Les boîtes passeront par la fenêtre.
Si la machine simple peut soulever une boîte de 100 kg et que la distance entre le sol
et la fenêtre de l'appartement de Maurice est de 4 m, quelle machine sera la meilleure
et permettra de fournir le minimum d'effort?
A.
B.
Fm
100
kg
3m
Fm
1.5 m
0.5 m
100
kg

250
Fm
C.
100
kg
fixé
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Plan incliné
levier
A = 1/sin θ=1/sin2s=2.37
A=lm/lr=1.5/05=3
Fg = mg
Fg = mg
Fg = 100x9.8 = 980N
Fg = 100x9.8=980N
Fm = 980 ÷ 2.37 = 413.5N
Fm = 980 ÷ 3 =326.7N
Levier donne le minimum d'effort ( 0 à 4 points)
poulie mobile
A=2
Fg = mg
Fg = 100x9.8=980N
Fm = 980 ÷ 2 = 490N
4 points
16.
Archimède vécut à Syracuse et à Alexandrie de 287 à 212 avant Jésus-Christ. Il a
abordé plusieurs problèmes de mathématique et de physique. Son cousin
Hiéron II lui demanda de vérifier, sans l'altérer, si une couronne qu'on lui avait
vendue était vraiment en or pur. On dit que c'est en prenant son bain que lui est venu
le principe suivant :
Tout corps plongé dans un fluide reçoit une poussée verticale ascendante égale au poids
du fluide déplacé.
Expliquez 2 progrès en physique ou en technologie qui ont été réalisés à partir de
cette découverte.
17.
Exemples de bonnes réponses :
- sous-marins  fait varier la quantité d'eau dans les ballasts
- mongolfières  avec l'air chaud, la densité diminue et le poids du ballon est inférieur au
poids de l'air déplacé
- dirigeables
- calcul de poids apparent  Archimède
- calcul sur les objets flottants  Archimède
(0 à 5 points)
5 points
Lors de déménagements, les déménageurs professionnels utilisent tous, le plan
incliné. D'ailleurs, ils ne sont pas les seuls. Le plan incliné est devenu une norme
pour l'aménagement de trottoir et de portes d'accès aux édifices publics.
En vous servant de vos connaissances sur la physique, montrez en quoi le plan
incliné fait appel à des principes de dynamique.
On sait que l'avantage mécanique d'une machine est Fr/Fm. Dans un plan incliné, Fr = poids
de l'objet à déplacer et Fm = force appliquée vers le haut et parallèle au plan.
Fm
A = Fg = 1
θ P
Fm sin θ
P
Fg
Fg
Fm
(0 ou 5 points)
5 points
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18.
Pendant de nombreuses années, l'homme a cherché à voler. Il y eut tout d'abord De
Vinci qui lança l'idée d'un homme-oiseau, suivi des frères Wright qui firent le premier
vol en avion. Maintenant, les avions sont un moyen de transport très populaire et
plutôt pratique lorsque de grandes distances doivent être parcourues en peu de
temps.
A. À l'aide de vos connaissances des liens entre la physique et la dynamique, décrivez
pourquoi l'homme-oiseau de De Vinci n'arrivait pas à voler.
On croyait qu'il était possible de voler en fabriquant des ailes solides et légères qui
battraient avec assez d'énergie. Mais, on a compris que c'était impossible et que la clé était
une aile fixe avec une forme particulière.
B. Précisez quelles sont les possibilités qu'ont amené le développement de
l'aérodynamisme pour l'avion de nos jours.
La résistance de l'air augmente avec le carré de la vitesse. Les formes aérodynamiques
des ailes permettent aux avions de voler. L'avion est soumis à 4 forces en vol : le poids, la
poussée, la traînée et la portance. C'est la portance qui équilibre le poids. La portance est
due à l'intrados et à l'extrados c'est-à-dire l'air qui passe sous et sur l'aile. La somme des
deux donne une force nette vers le haut qui équilibre l'avion.
5 points
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