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Contrôle n°4 – Physique
Exercice n°1 :
Première S2
étude de la chute d’une boule de pétanque.
13 / 12 / 2010
55 minutes
(15 points et 1 point de bonus)
On lâche sans vitesse initiale une boule de pétanque. On filme la chute de la boule, puis à l’aide d’un logiciel de traitement
d’images on obtient l’enregistrement joint en annexe donnant la position du centre d’inertie de la boule tous les 100 ms.
Cet enregistrement est à l’échelle 1/10 e ; c'est-à-dire que 1 cm sur l'enregistrement représente 10 cm en réalité.
1. Quel est le mouvement de la boule de pétanque ? Préciser le référentiel d’étude.
2. Donner les caractéristiques des vecteurs vitesses des points M 3 et M5.
3. Tracer les vecteur vitesse en M3 et M5 sur l'enregistrement a. de l'annexe de l'exercice n°1.
4. En déduire le tracé du vecteur variation de vitesse en M4 sur l'enregistrement b. de l'annexe de l'exercice n°1.
5. Cochez la bonne réponse :
Au cours du mouvement la valeur du vecteur variation de vitesse : □ diminue.
□ reste constante. □ augmente.
6. Étude du lien entre les forces s'exerçant sur la boule de pétanque et son mouvement. On néglige dans cette question
toutes les actions dues à l'air.
6.1. Faire le bilan des forces s'exerçant sur la boule. Comment nomme-t-on alors cette chute ?
6.2. Justifier alors le mouvement de la boule de pétanque trouvé dans la question 1. en utilisant une des lois de
Newton.
7. La masse m de la boule est de 715 g et son volume V est de 2,1×10-4 m3. L'intensité de la pesanteur g est égale à
g
, . kg et la masse volumique de l’air est égale à 1,2 kg.m-3
7.1. Quelle est la valeur du poids de la boule ?
7.2. Quelle est la valeur de la poussée d'Archimède s'exerçant sur la boule de pétanque ?
7.3. Peut-on raisonnablement négliger la poussée d'Archimède ? Justifier votre réponse par un calcul.
7.4. (Question bonus) Quelle autre force exercée par l'air a-t-on aussi négligé ?
Exercice n°2 : étude des forces sur une caisse en mouvement.
(11 points et 3 points de bonus)
On monte une caisse de masse m sur un plan rectiligne incliné d’un angle  et complètement lisse entre les points A et B en
exerçant une force constante F par l’intermédiaire d’un câble dont la direction est parallèle au plan incliné. Entre les points
A et B la vitesse est constante. On néglige toutes les actions de l’air.
1. Placer sur le schéma de l'annexe de l'exercice n°3 l'angle , le centre de gravité G de la caisse et en pointillé la
direction du câble (qui passe par G).
2. Que signifie que la force F est constante ? Le poids est-il force constante ?
3. Faire le bilan des forces appliquées à la caisse (on pourra s’aider d’un diagramme objets interactions). Quelle est la
direction de chaque force ? Justifier vos réponses. Compléter le schéma de l'annexe de l'exercice n°3 en représentant
ces forces au centre de gravité G de la caisse.
4. Quelle relation lie ces forces ? Pourquoi ?
5. (Question bonus) En déduire l’expression littérale des valeurs des différentes forces appliquées à la caisse en fonction
de m, g et .
Exercice n°3 :
les lois de Newton.
(4 points et 1 point de bonus)
1. Les lois de Newton permettent-elles d’affirmer que :
a. un corps ne peut se déplacer sans qu’une force agisse sur lui ?
b. toute variation de vitesse d’un corps exige l’action d’une force ?
c. si la force exercée sur un corps devient égale au vecteur nul, le
corps s’arrête ?
Justifier vos réponses.
2. Que pensez-vous de la scène ci-contre ?
3. (Bonus) Peut-on dire qu’une force de frottement est toujours dans le
sens contraire du mouvement ? Citer des exemples pour justifier
votre réponse.
Page n°1 – Contrôle n°4 – Première S2
Nom :
Annexes des exercices n°1 et n°3
Enregistrement de l’exercice n°1
a. Tracé des vecteurs vitesse
b. Tracé du vecteur variation de vitesse
M0
M0
M2
M2
M4
M4
M6
M6
Schéma de l'exercice n°2
B
A
Page n°2 – Contrôle n°4 – Première S2
Correction
Exercice n°1 :
[15+1]
1. La boule de pétanque a mouvement rectiligne accéléré selon la verticale dans le référentiel terrestre. En effet la
trajectoire est une droite et la distance entre deux points consécutifs, séparés par un même intervalle de temps (100
ms) augmente au cours du déplacement. [2]
2. Les caractéristiques des vecteurs vitesses des points M3 et M5 sont : [3]
Point
Point d’application
Direction
M3
M5
le point M3
le point M5
la droite verticale (M0M7)
Sens
celui du mouvement, c’est-à-dire de M0 vers M7
v
Valeur
1,2
2,4 10
t
t
0,200
10 cm. s
1,2 m. s
v
2,0
4,0 10
t
t
0,200
10 cm. s
2,0 m. s
Attention : on parle de direction pour le vecteur vitesse et de droite d’action (ou de direction) pour le vecteur force.
3. On choisit comme échelle : 1 cm représente 0,5 m.s-1. Voir figure ci-contre. [1,5]
a. Tracé des vecteurs vitesse
b. Tracé du vecteur variation de vitesse
M0
M0
M2
M2
M3
M4
M4
M5
M6
M6
4. Par définition le vecteur variation de vitesse v au point M4 est donné par la relation :
. Voir le tracé sur
l'enregistrement b. ci-dessus. [1,5]
5. Au cours du mouvement la valeur du vecteur variation de vitesse reste constante. [0,5]
6. Étude du lien entre les forces s'exerçant sur la boule de pétanque et son mouvement.
6.1. La seule force qui s'exerce sur la boule de pétanque est son poids . Par conséquent la boule de pétanque est
en chute libre. [1,5]
6.2. D’après la deuxième loi de Newton la direction et le sens du vecteur variation de vitesse et de la résultante des
forces doivent être identiques. Ce qui est bien le cas ici car la résultante des forces exercées sur la boule de
pétanque est son poids qui à une direction verticale et est dirigé vers le bas comme le vecteur variation de
vitesse : les vecteurs
et sont colinéaires et de même sens à chaque instant. [2]
Page n°3 – Contrôle n°4 – Première S2
7. Étude des valeurs des forces.
7.1. Par définition, on a :
, soit : P 0, 15
,
,0 . La valeur du poids de la boule est de 7,0 N. [1]
7.2. La valeur de la poussée d'Archimède s'exerçant sur la boule de pétanque est de 2,5×10-3 N. En effet cette valeur
A (en N) est donnée par la relation :
; soit :
1,2 2,1 10
, 2,5 10
. [1]
7.3. Oui on peut raisonnablement négliger la poussée d'Archimède car sa valeur est environ 3000 fois inférieure à
,
celle du poids de la boule de pétanque. En effet :
3 10 . [1]
7.4.
,
On a aussi négligé la résistance de l'air. [1]
Exercice n°2 : [11+3]
y
1. Voir le schéma ci-dessous. [1,5]
G
G
B
G
G
y
A
2. Cela signifie que la force garde tout au long du mouvement les mêmes directions, sens et valeur. Oui le poids est une
force constante. [2]
3. On étudie le mouvement de la caisse dans le référentiel terrestre. D’après le diagramme objets interactions les forces
s’exerçant la caisse sont :
 le poids de la caisse : ;
 la réaction du plan incliné : ;
 la tension du câble : .
La direction ou droite d’action du poids est la verticale par définition, celle de la réaction du plan incliné est
perpendiculaire au plan car on le suppose lisse donc sans frottement (donc sans réaction tangentielle) et
celle de la tension du câble matérialisée par la direction de ce câble. [6]
4. La somme vectorielle des forces s’exerçant sur la caisse est égale au vecteur nul, car ce système est en
mouvement rectiligne et uniforme (première loi de ewton ou principe d’inertie). Cela se traduit par la
relation :
. [1,5]
5. Par définition, on a :
. En utilisant le schéma ci-contre, on a : sin
, soit :
,
et : cos
, soit :
. [3]
Exercice n°3 : [4+1]
1. Les réponses à ces questions font intervenir les première et deuxième lois de Newton.
a. Non, d’après la première loi ou principe de l’inertie un corps peut-être en RU sans qu’aucune force agisse sur
lui. [1]
b. Oui, d’après la deuxième loi de ewton, car si le vecteur vitesse du centre d’inertie d’un corps varie, la somme
vectorielle des forces qui s’exercent sur ce solide n’est pas égale au vecteur nul, donc le corps est soumis à une
force. Attention une vitesse est un vecteur, donc sa direction, son sens ou sa valeur peuvent varier. [1]
c. Non, d’après la première loi ou principe de l’inertie le corps va garder un mouvement rectiligne et uniforme, en
particulier une vitesse constante. [1]
2. Cette scène est impossible, car d’après la première loi de Newton (si on néglige le poids et les forces exercées par
l’air) les gâteaux devraient partir vers l’avant quand le fourgon est arrêté par le choc. En effet n’étant plus soumis à
aucune force dans le référentiel terrestre ils devraient garder un RU dans la direction d’avancement du fourgon. [1]
3. Non, ce n’est pas toujours la cas. En effet lors de la marche sur une surface rugueuse la réaction du sol exercée sur le
pied qui appuie sur le sol est dirigée vers l’avant. La réaction tangentielle (ou force de frottement) est ainsi dirigée
dans le sens du mouvement et propulse donc le pied et l’ensemble du corps vers l’avant. C’est aussi le cas pour les
roues motrices d’une voiture. [1]
Page n°4 – Contrôle n°4 – Première S2