Rappel sur la notion de force
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Chapitre 1 : Rappel sur la notion de force 1) Mes représentations Exprime sur ce document, toutes les idées qui te passent par la tête lorsque tu entends le mot force. Constatation La perception du mot force est très diverse, il n’est pas facile d’en donner une définition. 2) Définition du mot force 2.1 Vocabulaire Recherche au dictionnaire, les définitions de : a) Cause : Ce qui est à l’origine, ce qui produit un effet. b) Effet : Conséquence, résultat d’une action. 2.1 Activité de découverte a) Observe les images ci­dessous et réponds aux questions s’y rapportant. Image 1 Image 2 Cet arbre était au départ droit, en le poussant, l’éléphant le déforme. Si l’éléphant cesse de pousser, l’arbre reprend Quick tire à l’arc, la corde de l’arc se déforme. Une fois que Quick aura envoyé sa flèche, et qu’il ne tirera plus sa position de départ. sur la corde de l’arc, celle­ci reprend sa position de départ. Image 3 Que se passe­t­il pour le tigre, après que Baloo l’ait attrapé ? Il s’arrête. Image 4 Tintin se trouve dans le train. Celui­ci s’arrête brusquement, tintin tombe. Tintin qui était au départ au repos, s’est mis en mouvement. Image 5 Le joueur de football fait une tête, il modifie, dévie la trajectoire de la balle. Image 6 Lucien serre très fort de la plasticine dans la main, celle si se déforme. Une fois que Lucien déserre la main, celle­ci conserve sa nouvelle forme. Image 7 Une bille en métal se déplace en ligne droite. Lorsqu’un aimant se trouve à proximité, sa trajectoire est déviée. b) Réponds aux questions ci­dessous. 1) Les forces sont­elles visibles ? Non 2) Perçois­tu les effets de ces forces ? Oui c) Conclus. Conclusion Les forces sont invisibles, par contre, on peut observer leurs conséquences, leurs effets. d) Généralise et conclus. Maintenant, relève les principaux effets observables des forces. Classe­les dans une synthèse en arbre comprenant 4groupes. e) Définition Une force est : toute cause capable de déformer ou de modifier l’état de repos ou de mouvement d’un corps. 3) Elément d’une force Toute FORCE est caractérisée par QUATRE éléments. a) La direction ou la ligne d’action Quel élément a­t­on modifié ? _____________________________________________ La direction peut être : - horizontale verticale oblique Définition La direction d’une force est la ligne d’action de cette force. b) Le sens Quel élément a­t­on modifié ? le sens Le sens peut être : - de haut en bas de bas en haut de droite à gauche de gauche à droite Définition Le sens d’une force est l’orientation de cette force. c) Le point d’application Les deux enfants tirent la caisse. Mais tirent­ils la caisse au même endroit ? Non Quel élément a­t­on modifié ? Le point d’application Définition Le point d’application d’une force est l’endroit où la force s’exerce. d) L’intensité Quel élément a­t­on modifié ? L’intensité Définition L’intensité d’une force est grandeur de la force 4) Appareil de mesure et unité de la force 4.1 Appareil de mesure d’une force, le dynamomètre Quel est le nom de l’appareil utilisé pour mesurer l’intensité d’une force ? Le dynamomètre. Le dynamomètre est l’instrument de mesure des forces basé sur l’allongement d’un ressort parfaitement élastique. Il existe des dynamomètres ayant des graduations différentes. Schéma et légende du dynamomètre. Aide­toi du texte pour légender le schéma du dynamomètre. Schéma du dynamomètre Texte et légende Le dynamomètre est constitué d’un cylindre externe transparent qui contient un ressort. A son extrémité supérieure est attaché un anneau de suspension. En dessous de ce ressort se trouve une vis de réglage pour ajuster le plateau de lecture devant la graduation 0. A son extrémité inférieure, on découvre un 1 2 crochet où l’on accroche les masses. Légende : 1) Anneau de suspension 2) Vis de réglage 3) Boîtier avec graduations 3 4) Crochet 4 4.2 Unité d’une force Sous l’action d’une force, le ressort du dynamomètre se déforme et s’allonge. Une échelle graduée permet la lecture de l’unité de force. Celle­ci se représente par le symbole N. Cette lettre symbolise le Newton. Définition Le Newton symbolisé N est l’unité internationale de la force. Un newton correspond à l’intensité de la force avec laquelle la Terre attire un corps d’environ 100g. ) Représentation d’une force On représente une force par un segment orienté ou un vecteur dont : - le point d’application est celui où la force s’applique : a la direction est celle de la force : horizontale Le est celui dans lequel la force agit : de gauche à droite La mesure de la longueur est celle de l’intensité de la force : 4N La force schématisée dans ce cas se note Un passager pose le pied sur l’embarcadère, des huskies tirent un traîneau, des parachutes ralentissent la chute des vivres destinés à une aide humanitaire, un homme soulève une charge dans une brouette… Dans toutes ces situations, le physicien relève la présence de forces. Essayons ensemble de comprendre ce concept. 1. Les types de forces. Observe les images suivantes, décrit ce que tu vois, et donne le type de force qui intervient. .................................................................. Type de force : ………………………………… …………………………………………………………… Type de force : ……………………………… .................................................................. Type de force : ………………………………… .................................................................. Type de force : ………………………………… .................................................................. Type de force : ………………………………… ……………………………………………………………… Type de force : ………………………………… ………………………………………………………… Type de force : …………………………… ……………………………………………………… Type de force : ………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… Type de force : ………………………………… Synthèse. Type de force Exemples 2. Les effets des forces. Observe les images suivantes et décrit se qui s’y passe (les conséquences). ...................................................................... ...................................................................... .................................................................... .................................................................... ...................................................................... ...................................................................... ................................................................. ................................................................. - D’après nos observations, supprime la proposition qui ne convient pas : • On voit les forces. • On ne voit pas les forces, mais on voit leurs effets. Synthèse. - Les forces sont ………………, mais on perçoit les ………………… de leurs actions. C’est ce que les physiciens appellent les ……………………………………… - En observant les conséquences des images ci-dessus, on peut définir 2 catégories d’effets des forces : 5) Certaines forces ont pour effet de ………………… les corps auxquels elles sont appliquées. 6) Certaines forces ont pour effet de ………………… l’état de mouvement ou l’état de repos des corps. On appelle force toute cause extérieure à un corps capable de modifier : • ………………………………………………………………………………………… • ………………………………………………………………………………………… 3. Les types d’interaction. Classe les documents suivants en fonction d’une caractéristique. Critère :Type d’interaction. Caractéristique : …………………………........ oui non Interaction Interaction ……………………… ….. ………………………… … Synthèse. Il existe 2 grands types d’interaction : - Interaction ……………………… : Les objets sont ………………………… les uns avec les autres. Exemples :…………………………………………………………………………………………… - Interaction ……………………… : Les objet ………………………………………………………… Exemples : ……………………………………………………………………………………………………… Chapitre 2 : Composition de forces Quand les corps interagissent 1) Mise en situation - Lis la bande dessinée suivante et réponds aux questions ci-dessous. 1) Quel est le premier geste réalisé par monsieur Mégot pour sauter au trampoline ? ___________________________________________________________________________ 2) Que provoque son action ? __________________________________________________ ___________________________________________________________________________ 3) Quel est l’objet qui agit sur lui pour le propulser vers le haut ? ___________________ ___________________________________________________________________________ 4) Représente sur le dessin ci­dessous la force a (fa) exercée par monsieur Mégot sur le trampoline et la force b (fb) exercée par le trampoline sur monsieur Mégot. Conclusion __________________________________________________________________________ 2) Quand les corps interagissent dans la même direction 2.1 Dans des sens opposés 1er cas - Observe le schéma ci-dessous et réponds aux questions qui suivent. Deux personnes tirent sur une corde sur laquelle a été fixé un foulard (dont le nœuds sera appelé le point 0) et l’un des deux est capable d’amener le foulard vers lui. Chacun d’eux exerce une force, pourtant, le foulard se déplace vers Bernard. 1) Pourquoi le foulard se déplace­t­il vers Bernard ? ________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 2) Quel est : a) le point d’application de ces forces ?__________________________________________ b) les sens ? _________________________________________________________________ c) la direction ? _____________________________________________________________ 3) Sachant que Bertrand exerce une force de 500 N et Albert, une force de 350 N, représente ci­dessous les deux forces appliquées sur la corde. 1 cm = 100 N O . Définition Résultante : ________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ Conclusion : ___________________________________________________________________________ → 4) Représente la résultante R des forces sur le schéma ci­dessus. 2ème cas - Observe le schéma ci-dessous et réponds aux questions qui suivent. Deux personnes tirent sur une corde sur laquelle a été fixé un foulard et aucun des deux n’est capable d’amener le foulard vers lui. Chacun d’eux exerce une force mais le foulard ne bouge pas. L’ensemble « corde, foulard, Arthur et Benoît » est en équilibre statique alors que les deux personnes grimacent sous l’effort. 1) Pourquoi le foulard reste­t­il entre Arthur et Benoît ? ________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 2) Quel est : a) le point d’application de ces forces ?__________________________________________ b) les sens ? _________________________________________________________________ c) la direction ? _____________________________________________________________ 3) Sachant que Benoît et Arthur exercent une force de 400 N, représente ci­dessous les deux forces appliquées sur la corde. 1 cm = 100 N O . 4) Quel est l’intensité de la résultante ? ________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 2.2 Dans des sens identiques - Observe le document suivant et réponds aux questions qui suivent 2 chiens tirent un traîneau sur la neige. Le chien A tire le traîneau avec une force de 650 N e le chien B avec une force de 700N. 1) Pourquoi avoir utilisé deux chiens plutôt qu’un seul pour tirer ce traîneau ? ________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 2) Quel est la direction de ces forces ?___________________________________________ 3) Quel est le sens de ces forces ?_______________________________________________ 4) Représente ces forces ci­dessous. 1cm = 100N 5) Comment trouver la résultante de ces forces ? ________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 6) Que vaut la résultante ? ____________________________________________________ Conclusion : __________________________________________________________________________ 3) Quand les corps interagissent dans des directions différentes 3.1 Deux forces concourantes A) Situation - Observe le schéma ci-dessous et réponds aux questions qui suivent. Marc et Luc voudraient abattre cet arbre malade. Pour ce faire, ils tirent tous les deux sur une corde. Marc tire sur la corde avec une force de 430N et Luc avec une force de 500N. L’angle formé par les deux cordes est de 30°. 1) Quel est : a) le point d’application de ces forces ?__________________________________________ b) les sens ? _________________________________________________________________ c) la direction ? _____________________________________________________________ 2) Note ici tes observations ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________ Définition Force concourante : _________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ 3) Représente cette situation ci­dessous à l’aide de vecteurs. (1 carré = 50 N). 4) Après avoir compris le point B, trace la résultante des forces de Marc et Luc. B) Recherche de la résultante Fiche technique Pour trouver la résultante de plusieurs forces concourantes, 2 méthodes sont envisageables. 1ère méthode : Méthode des parallélogrammes → → Considérons deux forces : F1 et F2 2ème méthode : Méthode des triangles → → Considérons deux forces : F1 et F2 1) Mettre les vecteurs bout à bout par translation en veillant à ce que le vecteur déplacé ait son origine à l’extrémité du vecteur précédent. 1) Tracer à l’extrémité de F2, la parallèle de F1 et à l’extrémité de F1, la parallèle de F2. 2) Tracer la résultante de F1 et F2 dont l’origine est la même que F1 et F2 et dont l’extrémité est l’intersection des 2 parallèles. 2) Tracer la résultante de F1 et F2 dont l’origine est la même que F1 et dont m’extrémité est la même que F2. C) Entraîne-toi - Recherche la résultante des forces suivantes Par la méthode des triangles Par la méthode des parallélogrammes 3.2 Plusieurs forces concourantes A) Situation - Observe le schéma ci-dessous et réponds aux questions qui suivent. Trois personnes de la classe tirent sur des dynamomètres reliés à des cordes qui se rejoignent en même point. • Le premier dynamomètre indique ____________________ N • Le deuxième dynamomètre indique ___________________N • Le troisième dynamomètre indique ___________________N 1) Quel est : a) le point d’application de ces forces ?________________________________ b) les sens ? ____________________________ c) la direction ? ________________________ 2) Note ici tes observations _______________________________________ _ _______________________________________ _ _______________________________________ _ _______________________________________ _ 4) Que vaut alors la résultante de ces trois forces ? ___________________________________________________________________________ Conclusion : __________________________________________________________________________ B) Représentation de forces Représentation 1 1) En suivant les pointillés, représente une force F1 de 5N, une force F2 de 4N et une force F3 de 3N. (1cm = 1N) 2) Trace la résultante de ces trois forces par la méthode des parallélogrammes. 3) Que vaut la résultante ?______________________ Représentation 1 1) En suivant les pointillés, représente une force F1 de 3N, une force F2 de 4N et une force F3 de 2N. (1cm = 1N) 2) Trace la résultante de ces trois forces par la méthode des parallélogrammes. 3) Que vaut la résultante ?______________________ 4) Exercices Pour réaliser les exercices, suis ces consignes : • Rechercher la résultante des forces opposées • Rechercher et indiquer en vert les résultantes finales. • Donner l’intensité des vecteurs et des résultantes finales. 4. Les forces réciproques. Expériences Observations Hypothèses 1) L’élève sur le skateboard A applique ses L’élève passif B ………………… l’élève actif A …………………… mains sur les mains de ……………………………………………… l’élève qui est sur le mais l’élève actif A ………… A B skateboard B et pousse. …………………………………… ils partent dans des sens ……………………………………………… 2) A tire B A L’élève B passif ………………… L’élève actif A…………………… …………………………… ……………………………………………… mais l’élève A …………………… mais l’élève passif B ……… ……………………………………………… ……………………………………………… B 3) L’élève A sur le skateboard pousse sur le mur B A mais l’élève passif B ………… …………………………………… ……………………………………………… B Ils partent dans des sens ……………………………………………… Que fait A ? Que L’élève actif A ………………… constates-tu ? …………………………… ……………………………………………… ……………………………………………… ……………………………………………… Mais le mur B …………………… ……………………………………………… Synthèse. Si un objet A agit sur un objet B, l’objet B agit aussi sur l’objet A. L’action de A sur B et l’action de b sur A sont des actions ……………………………………………………… Il n’y a jamais d’action isolée, donc de force isolée. Représentation par un vecteur d'une force : Pour représenter de manière simple et pratique une force, on dessine une flèche. La longueur de la flèche correspond à l'intensité de la force. Les autres caractéristiques de la force sont également représentées : intensité → F sens point d'application direction Schéma du dynamomètre : anneau de suspension 10 N 0 1 2 3 4 5 6 76 8 9 10 ressort index graduations crochet Chapitre 2 : Une force particulière : la pesenteur 1. Expérience prouvant l’existence de la force pesanteur. ­ Suspendons une masse à l’extrémité d’un fil. On coupe le fil. Schéma : ­ Constatation : ................................................................................................................. ­ Analyse : Si l’objet se met en mouvement, c’est qu’il est soumis à une ...................................................... ­ Conclusion : Cette ……………. qui attire l’objet vers le sol s’appelle ………….………………….. ou ………… ……………………………………………… Remarque : la force d’attraction de la Terre sur un corps s’appelle « ……………………… » et on le note …… ou …… 2. Caractéristiques de la force pesanteur. ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... *Avant d’aller plus loin, faisons un rappel sur la différence entre poids et masse… Poids Masse Définition Unité de mesure Instrument de mesure (in)variable Caractérisé par … *Quel est le lien entre la masse et le poids ? Lors de manipulations, on peut voir qu’en fixant des objets de masses identiques à un dynamomètre, celui­ci indique à chaque fois un poids de plus en plus important. Par exemple : A une masse de 100g correspond un poids de 1 N A une masse de 300g correspond un poids de … N A une masse de 1 kg correspond un poids de … N CONCLUSION : Une masse de 1 kg a un poids d’environ … N et 1 N est la force exercée (poids) par une masse de … g. * Qu’est­ce que l’apesanteur ? ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... 3. Où s’applique la force pesanteur sur un corps ? Une force possède toujours un point d’application ; nous l’appellerons le centre de gravité. Qu’est ce que le centre de gravité ? ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... 4. Recherche du centre de gravité. Comment trouver ce centre de gravité ? 1. Par essais et erreurs Exercice : Essaie de maintenir une feuille de carton (par exemple le carton d’un bloc de feuille) en équilibre avec une seule main. Utilise tes 5 doigts. Puis enlève­en un… Encore un autre. Maintenant avec 2 doigts … et avec un seul ? Que constates­tu ? ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... Maintenant ; repère l’endroit ou tu places tes doigts lorsque tu le maintiens en équilibre avec 4 doigts … Avec 2 et ensuite un seul ! Conclusion : ................................................................................................................................ ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ­ Recherche du centre de gravité de quelques formes géométriques. a) Un carré : * Le centre de gravité se trouve à l’intersection ……………………… b) Un rectangle : * Le centre de gravité se trouve à l’intersection ……………………… c) Un triangle : * Le centre de gravité se trouve à l’intersection ……………………… d) Un parallélogramme : * Le centre de gravité se trouve à l’intersection ……………………… e) Un disque : * Le centre de gravité se trouve à l’intersection ……………………… f) Un trapèze quelconque : Par la méthode des triangles : Réalise ce schéma sur une feuille que tu vas placer à la suite de cette page dans ta farde. • Diviser le trapèze en 2 triangles en suivant la première diagonale. (d1) Chercher le centre de gravité de chaque triangle et les nommer g1 et g2. Relier g1 et g2. • Diviser le trapèze en 2 triangles en suivant la deuxième diagonale (d2). Chercher le centre de gravité de chaque triangle et les nommer g3 et g4. Relier g3 et g4. Le centre de gravité du trapèze se trouve à l’intersection • • • • • ­ Recherche du centre de gravité de quelques solides réguliers. a) Un cube : * Le centre de gravité se trouve à l’intersection ……………………… b) Un cylindre : * Le centre de gravité se trouve à l’intersection ……………………… Chapitre 2 : Poids et masse Masse La masse d’un corps est la quantité de matière de ce corps. Elle s’exprime en kilogramme et se mesure à l’aide d’une balance. La masse est une valeur invariable. Imagine et schématise une procédure expérimentale simple pour montrer que la masse d’un objet qui ne flotte pas sur l’eau est identique dans l’air et dans l’eau. Poids Les mêmes masses allongent plus le ressort du dynamomètre sur Terre que sur la Lune et plus sur la Lune que dans l’Espace. Une masse est soumise à la force de pesanteur différente suivant l’endroit. Une masse a donc un poids qui dépend de l’endroit où elle se trouve. Comparaison Masse d’un corps 1. La masse est la quantité de matière d’un corps. 2. La masse ne varie pas suivant le lieu où se trouve le corps. 3. La masse se mesure à l’aide d’une balance à 2 plateaux. 4. L’unité de masse est le kilogramme (kg). 5. Symbole : m. Poids d’un corps 1. Le poids est l’intensité de la force de pesanteur exercée sur un corps. 2. Le poids varie suivant le lieu où se trouve le corps. 3. Le poids se mesure à l’aide d’un dynamomètre. 4. L’unité de poids est le Newton (N). 5. Symbole : P Chapitre 3 : Expériences à réaliser en petits groupes 1. Travail de groupe de 2 élèves Materiel Dynamomètre 3 masses à crochets : 50g, 100g et 200g Un solide Expérience 1. Réaliser un montage. Place successivement les 3 masses sous le dynamomètre. Ensuite note leur poids dans le tableau. Le poids se lit sur le dynamomètre, son unité est donc le Newton, N. Rappelons-nous que l’unité de la masse et le kilogramme, kg. 2. Compléter le tableau Masse en g 50 100 200 Masse en kg 0,050 0,100 0,200 Poids en N 0,50 1,0 2,0 10 10 10 Poids ( N ) Masse ( kg ) 3. Réaliser un graphique. Réalise maintenant un graphique dont les points ont pour abscisse la masse en kg et pour ordonné le poids en N. 4) La relation entre poids et masse : P=m.g 5) Accroche un solide s au dynamomètre et détermine son poids : P = ………. 6) En utilisant la formule précédente, détermine sa masse : m = ………. Attention : La valeur que tu as trouvée pour g dans le tableau est une valeur arrondie. Sur Terre : g = 9,81 N/kg et est appelée l’intensité de pesanteur (N/kg) Chapitre 4 : Exercices 1) Sur la Lune, un objet a-t-il une masse différente de celle sur la Terre ? Non, la masse représente la quantité de matière dans l’objet. 2) Sur la Lune, une masse a-t-elle aussi un poids ? Oui, car il existe également une force d’attraction sur la Lune. 3) Qu’est-ce que la pesanteur sur la Lune ? C’est la force avec laquelle la Lune attire les corps qui se trouvent en son voisinage. 4) Qu’est-ce que l’apesanteur ? C’est l’absence de pesanteur, quand on est plus attiré par aucun astre. 5) Quelle était la relation poids – masse sur la Terre ? P = 9,81 . m 6) Sur la Lune Tintin dit que le poids est 6 fois moindre. Donne la bonne formule. 1/6 de 9,81 = 1,63 P = 1,63 . m 7) Complète le tableau suivant : Astre: g (N/kg) masse (kg) poids (N) Terre 9,81 2 19,62 Lune 1,63 500 0,2 Mars 3,93 0,05 0,1965 1245 32245 Jupiter 25,90 1. Quelle est la masse sur la Lune d’un objet de 2 kg ? 2. Quel est le poids sur la Lune d’un objet qui a une masse de 300g ? 3. Quel est la masse d’un objet qui, sur Terre, a un poids de 650N ? 4. Quelle est le poids sur Terre d’un objet qui, sur la Lune a un poids de 80N ? 5. Lis l’intensité des forces suivantes : une graduation équivaut à 1N. F1 = 0N F2 = 5N F3 = 8,5 N F4 = 2,5N → → Représente sur le deuxième schéma les forces af et ef. Une graduation équivaut à 1N. 1 carré = 1N. 6) Exercices récapitulatifs 1) Observe les dessins ci­dessus et recherche l’élément qui a été modifié. a) b) Quel élément a­t­on modifié ? Le point d’application Quel élément a­t­on modifié ? L’intensité c) d) Quel élément a­t­on modifié ? Le sens Quel élément a­t­on modifié ? La direction 2) Représente, sur le deuxième schéma la force de traction de 50.000 N de ce remorqueur. Choisis et indique l’échelle adéquate._____________________________________________ 3) Représente les forces exercées par les animaux. 4) Lis l’intensité des forces suivantes : une graduation équivaut à 1N. F1 = 5,5N F2 = 3N F3 = 5N F4 = 3,5N • Représente la force de 8.5N que la ficelle exerce sur le bloc. (La main tire sur la ficelle). Avec une échelle : 1cm = 1N • Si une voiture exerce une force de 50000 Newton sur la route et que l'on choisi comme échelle 1 Newton = 1 cm. Que vaudrait en cm le vecteur de la force ? • Un vecteur fait 10 centimètres, l'échelle est 1 Newton = 0,5 cm. Quelle est l'intensité de la force ? • Représente une force de 25N qui s’applique verticalement à la poignée d’une valise portée par une personne. (échelle : 1 cm = 10N) • Représente une force de 10N qui s’applique horizontalement de droite à gauche. (échelle : 1N = 2 mm) 6. Représente une force qui s’applique à partir d’un point A, verticalement vers le bas et d’une intensité de 85N. (échelle : 10N = 1 cm) 7. En précisant l'échelle utilisée, représente les vecteurs forces suivants : - une force horizontale, orientée de droite à gauche, et de valeur F=18 N. - une force qui a pour caractéristiques : .une direction faisant un angle de 45° au-dessus de l'horizontale : .un sens dirigé vers le haut; .une intensité F = 100 N.
