• distinguer le poids et la masse d`un objet • utiliser la relation de

(21
A
→
P1
→
P2
B
O
→
P3
C
Objectifs
• distinguer le poids et la masse d’un objet • utiliser la relation de
proportionnalité entre le poids et la masse • énoncer et utiliser la
condition d’équilibre d’un solide soumis à deux forces
(
Je détermine la relation entre le poids
et la masse d’un objet
Réalise et observe
Mesure la masse m de différents objets avec une balance
1.
Exprime la valeur en kilogrammes.
Mesure la valeur P du poids des mêmes objets avec un
dynamomètre 2.
Exprime la valeur en newtons.
Note les résultats et complète le tableau :
Masse m (kg)
Réponds
aux
questions
1 Le poids et la masse des
objets sont-ils des grandeurs
proportionnelles ?
2 Quelle est la valeur du
coefficient de proportionnalité ?
3 Exprime P en fonction de m.
Poids P (N)
P
m (N/kg)
(
Reporte sur un graphique les valeurs du poids des objets
en N (en ordonnées) et les valeurs des masses en kg (en
abscisses).
Relie les points par une droite (voir savoir-faire p.155).
Je détermine la condition d’équilibre
d’un objet soumis à deux forces
Réalise et observe
Expérience
Soumets un plaque de polystyrène
(S) de poids négligeable,
➝
➝
à l’action de deux forces F1 et F2 par l’intermédiaire des
deux fils de deux dynamomètres 3.
La plaque reste en équilibre.
Compare les directions des fils ainsi que les indications des
dynamomètres.
Schématisation
Recopie le schéma de la plaque 4 et représente les deux
forces qui s’exercent sur elle par des segments fléchés.
Échelle : 1 cm pour 2 N.
21• Le poids et la masse
142
Réponds
aux
questions
1 Les fils des dynamomètres
ont-ils la même direction ?
2 Quelle est la valeur des
forces mesurée par chaque
dynamomètre ?
3 Les deux forces ont-elles
même droite d’action ? Le même
sens ? La même valeur ?
1
Activité
Le poids d’un objet est la force d’attraction exercée par la Terre sur cet objet.
Le poids d’un objet se mesure avec un dynamomètre ; sa masse se mesure
avec une balance.
1
2
La balance mesure la masse d’un objet.
Activité
2
Le dynamomètre mesure la valeur de son
poids.
On dit qu’un objet est en équilibre quand il n’effectue aucun mouvement.
5 6
2 3
7
1
4
8 9
4
A
10
N
0
B
5 6
2 3
7
8 9
0
Schéma à recopier et à compléter.
143
N
Le montage expérimental.
10
3
1
4
1
Le poids d’un objet
• Définition
Si on lâche un objet, il tombe. Il est attiré par la Terre. La
force à distance exercée par la Terre sur les objets est
appelée le poids de l’objet.
Le poids d’un objet est la force d’attraction exercée par
la Terre sur cet objet 5.
• Les caractéristiques du poids d’un objet
Le poids d’un objet présente les quatre caractéristiques
suivantes :
– point d’application : le centre de gravité G de l’objet ;
– droite d’action (ou direction) : la verticale donnée par
le fil à plomb ;
– sens : vers le bas ;
– valeur : elle est mesurée avec un dynamomètre et
s’exprime en newtons (N).
A
→
P1
→
P2
B
O
→
P3
C
5 La Terre attire les corps suivant la verticale
c'est-à-dire vers le centre de la Terre.
On le représente par un segment fléché d’origine G, de
direction verticale, de sens vers le bas. Sa longueur est fonction de l’échelle choisie 6.
Il est noté :
2
➝
P
Terre/objet
Le poids et la masse d’un objet
• Définition de la masse
La masse représente la matière contenue dans un objet.
L’unité de masse est le kilogramme (kg) et l’appareil de
mesure, la balance.
• Relation entre le poids et la masse d’un objet
En un même lieu, on constate que le rapport entre les valeurs du poids et de la masse d’un objet est constant : le
poids d’un objet est proportionnel à sa masse (activité 1).
P =
(N)
m .
(kg)
g
(N/kg)
g est appelé l’intensité de la pesanteur et s’exprime en
N/kg. Sur la Terre, g est voisin de 10 N/kg.
Sur la Lune g = 1,6 N/kg.
Remarques :
Si on mesure le poids d’un objet en différents points de la
Terre, à des altitudes différentes 7, ou sur une autre planète 8, on obtient des résultats différents. En effet, l’intensité de la pesanteur g, varie avec le lieu. En revanche,
la masse d’un objet, qui représente de la matière, a toujours la même valeur quel que soit l’endroit où il se trouve.
21• Le poids et la masse
144
G
➝
P
➝
6
Le segment fléché P
poids de l’objet.
lieu
Paris
Pôle Nord
Équateur
7
Terre/objet
latitude
49°
90°
0°
représente le
g (N/kg)
9,81
9,83
9,78
Sur Terre, g varie avec la latitude du lieu.
planète
Terre
Mars
Jupiter
8
Terre/objet
g varie avec la planète.
g (N/kg)
9,8
3,6
26,0
3
Conditions d’équilibre d’un objet soumis
à deux forces
Une plaque de polystyrène est soumise à l’action de deux
forces.
→
F1
La valeur du poids de la plaque est négligeable devant celles
des forces.
A1
A2
Deux dynamomètres mesurent la valeur des forces.
→
F2
Lorsque la plaque est en équilibre, on constate que :
– les fils des dynamomètres sont dans le prolongement
l’un de l’autre,
9
➝
➝
Les deux forces F 1 et F 2 sont dites opposées.
– les indications des dynamomètres sont identiques.
Pour qu’un objet soumis à deux forces soit en équilibre
il faut que ces deux forces aient :
– même droite d’action ;
– même valeur ;
– des sens opposés.
→
R
Les forces sont dites opposées.
Les deux forces sont représentées par des segments
fléchés de même direction, de même longueur et de sens
opposés 9.
G
O
→
P
4
Applications des conditions d’équilibre
d’un objet
➝
10 A l’équilibre, la➝réaction R
du support est
opposée au poids P de l’objet.
L’objet repose sur un plan horizontal
Une bille posée sur un plan horizontal reste en
équilibre
➝
bien qu’elle soit toujours soumise à son poids P qui l’attire
vers le sol.
Pour expliquer cet équilibre,➝
on doit admettre que ➝
le plan
exerce sur la bille une force R égale et opposée à P 10.
➝
Cette force R est appelée la réaction du support.
→
T
→
T
→
P
→
P
L’objet est suspendu à un fil (ou à un ressort)
La bille est en équilibre bien qu’elle soit soumise à son poids
P qui l’attire vers le sol.
➝
Pour expliquer cet équilibre, on doit admettre
que le fil (ou
➝
le ressort)
exerce sur la bille une force T égale et oppo➝
sée à P 11.
➝
Cette force T est appelée la tension du fil (ou du ressort).
145
11
➝
A l’équilibre, la tension T➝ du fil (ou du
ressort) est opposée au poids P de l’objet.
1 Q.C.M.
Pour chaque ligne, indique la (ou les) réponse(s) correcte(s).
A
B
C
La droite d’action du poids …
est verticale
est horizontale
dépend de la forme
de l’objet
Le poids d’un objet se mesure avec…
une balance
un dynamomètre
un newtonmètre
Le poids d’un objet s’exprime en…
grammes
kilogrammes
newtons
La valeur du poids d’un objet…
dépend du lieu où se
trouve l’objet
ne dépend pas du lieu
où se trouve l’objet
est proportionnelle à
la masse de l’objet
L’unité légale de masse est…
le gramme
le kilogramme
le newton
Un objet soumis à deux forces est en
équilibre si ces deux forces ont…
même direction,
même sens,
même valeur
même direction,
même sens,
des valeurs opposées
même direction,
même valeur,
des sens opposés
2 Écris des définitions
Force
a. Quelle est la définition du poids d’un objet ?
➝
b. Quelle est la définition de la masse d’un objet ?
F1
➝
F2
3 Cite les caractéristiques du poids d’un objet
Point
d’application
Droite
d’action
Sens
A1
Valeur
1,5 N
A2
a. Quelles sont les quatre caractéristiques du poids d’un
objet ?
7 La tension du fil
b. Avec quel appareil mesure-t-on la valeur du poids d’un
objet ?
Une boule (B) est attachée à un fil. Elle est en équilibre sous
l’action de deux forces.
Dessine la figure sur ta feuille et nomme les forces en indiquant pour chacune :
4 Indique la formule entre poids et masse
a. Donne la relation entre le poids et la masse d’un objet.
b. Que représente chaque terme de cette formule ?
a. l’objet qui exerce la force ;
b. l’objet qui subit la force.
c. Avec quelle unité doit-on les exprimer ?
O
5 La réaction du support
Un solide (S) est en équilibre sur une
table sous l’action de deux forces.
Dessine la figure et nomme
les forces en indiquant pour
chacune :
table
a. l’objet qui exerce la force ;
G
G
(B)
(S)
O
b. l’objet qui subit la force.
8 Le poids varie sur Terre avec la latitude
Calcule le poids d’une masse de 1 kg placée au niveau du
sol, à Paris, au pôle nord et à l’équateur.
6 Caractéristiques des deux forces
➝
Un
objet très léger soumis à l’action de deux forces F1 et
➝
F2 appliquées en A1 et A2 est maintenu en équilibre.
Recopie et complète le tableau des caractéristiques des deux
forces.
21• Le poids et la masse
On donne les valeurs de l’intensité de la pesanteur :
– à Paris : g = 9,81 N/kg
– au pôle nord : g = 9,83 N/kg
– à l’équateur : g = 9,78 N/kg.
146
9 Mesure la valeur du poids
➝
a. Quelle est la valeur du poids P de
la boule ?
x 0,1 N
b. Dresse le tableau des caractéris➝
tiques du poids P .
c. Reproduis la boule et représente
le poids par un segment fléché à
l’échelle 1 cm pour 0,1 N.
13 Caractéristiques du poids et de la tension
10
0 1 2
7 8 9
Observe le schéma.
c. Pourquoi la réaction de la table passe-t-elle par le centre
de gravité de la boîte ?
4 5 6
3
On mesure la valeur du poids
d’une pomme.
a. Schématise l’expérience
photographiée ci-contre.
b. Quelles sont les caracté➝
ristiques du poids P de la
pomme ?
G
10 Quel voyage !
Un astronaute effectue un voyage dans l’espace. Il a une
masse de 100 kg au départ de la Terre.
a. Quel est son poids au départ de la Terre ?
b. Quel est son poids à la première station sur la Lune ?
c. Il arrive ensuite sur Mars. Quel est son nouveau poids ?
On donne les valeurs de l’intensité de la pesanteur : sur
la Terre : g = 9,8 N/kg ; sur la Lune : g = 1,6 N/kg ; sur
Mars : g = 3,7 N/kg.
c. Représente le poids de la
pomme à l’échelle 1 cm
pour 1 N.
d. Quelles sont les caracté➝
ristiques de la tension T du
fil du dynamomètre ?
e. Représente la tension du fil
à la même échelle.
11 Reconnais des objets en équilibre
1
→
F1
3
→
F2
2
→
F1
4
→
F2
14 Le centre de gravité
→
F2
Quand un objet constitué d’un matériau homogène possède
un centre de symétrie, celui-ci est aussi son centre de gravité.
→
F2
a. Où est situé le centre de gravité des solides suivants ?
→
F1
→
F1
a. En observant les objets dessinés ci-dessus, indique, en
justifiant ta réponse, lequel est en équilibre.
b. À l’intersection de quelles droites se trouve situé le centre de gravité d’une plaque triangulaire ?
b. Pourquoi les autres ne le sont-ils pas ?
12 Représente les forces
Une boîte ayant la forme d’un
pavé de poids P = 10 N repose
sur une table. Elle est en équilibre.
G
a. Recopie le tableau ci-dessous table
O
puis complète le en indiquant
les caractéristiques des deux forces qui s’appliquent sur
la boîte.
Force
Point
d’application
Droite
d’action
Sens
Valeur
15 Séance de Travaux Pratiques
En séance de travaux pratiques, Anaïs veut vérifier la proportionnalité entre le poids et la masse de différents objets
contenus dans son cartable.
Elle trouve les résultats suivants :
objets
b. Représente les deux forces à l’échelle 1 cm pour 5 N.
poids (N)
masse (kg)
calculatrice
1,5
0,15
trousse
2,5
0,25
147
objets
poids (N)
masse (kg)
livre de physique
3,5
0,35
cahier de T.P.
5,2
0,52
18 Équilibre d’une lampe
Un abat-jour et sa lampe, dont la masse est de 800 g, sont
accrochés au plafond d’un atelier par l’intermédiaire d’un
câble. L’ensemble est en équilibre.
a. Avec quel appareil a-t-elle mesuré la valeur de la masse ?
plafond
b. Avec quel appareil a-t-elle mesuré la valeur du poids ?
c. Trace le graphique représentant les valeurs du poids P
(en ordonnées) et de la masse m (en abscisses) des
différents objets.
Echelle : axe des ordonnées : 1cm pour 1 N ;
axe des abscisses :1cm pour 0,1 kg.
câble
A
d. Y a-t-il proportionnalité entre les valeurs du poids et de la
masse des différents objets ? Justifie ta réponse.
G
e. Le coefficient de proportionnalité mesure l’intensité de
la pesanteur g. Quelle valeur de g peut-on déduire du
graphique ?
En deux points A et B d’une
plaque de polystyrène très
légère, on a fixé deux fils. L’un
des fils est accroché à un
dynamomètre. On tire sur le
second jusqu’à ce que le dynamomètre indique 4 N. L’ensemble est alors immobile.
➝
b. Reproduis la figure et représente le poids P à l’échelle 1 cm
pour 2 N.
8 9 10
1 2 3
4 5 6
7
16 Étudie l’équilibre
d’un solide
a. Quel est le poids de la lampe et son abat-jour ? (on prendra g = 10 N/kg).
c. Quelle autre force s’exerce sur l’abat-jour ? Représente
cette force à la même échelle.
x 0,1 N
0
D1
19 L’otarie
A
Un ballon de masse 300 g repose
sur le nez d’une otarie.
a. Reproduis le dessin et note le point B. Indique la méthode
utilisée.
a. Quel est le poids du ballon ?
(g = 10 N/kg).
b. Dessine le fil accroché en B.
b. Quelles forces s’exercent sur
le ballon ?
c. Représente les deux forces exercées par les fils sur la
plaque. Échelle : 1 cm pour 2 N.
c. Représenter ces forces à
l’échelle 1 cm pour 1 N.
17 Le plan incliné
Une brique de masse 2 kg est posée sur un plan incliné faisant
un angle de 15° avec l’horizontale en un lieu où g = 10 N/kg.
La brique est en équilibre. Elle est soumise à son poids et
à la réaction du plan.
La réaction du support est perpendiculaire au support, car
il n’y a pas de frottement.
G
horizontale
15°
a. Quelle est la valeur du poids de la brique ?
b. Quelles sont les caractéristiques du poids de la brique ?
c. Recopie le dessin ci-dessus et représente le poids de la
brique par un segment fléché. Échelle 1 cm pour 10 N.
d. Quelles sont les caractéristiques de la réaction du plan ?
Représente sur le même dessin la réaction du plan.
21• Le poids et la masse
20 La gymnaste
Une gymnaste de masse
60 kg est en équilibre au
point M sur la poutre.
a. Quelle force, due à la
Terre, s’exerce sur la
gymnaste ? Indique ses
caractéristiques (point
d’application, droite d’action, sens et valeur). On
prendra g = 10 N/kg.
b. Quelle autre force
s’exerce sur la gymnaste ?
c. Sachant que la gymnaste est en équilibre,
indique les caractéristiques de cette autre
force.
148
• M