télécharger

© Éditions Belin, Physique-chimie 2e, 2014.
ExErcicEs supplémEntairEs
9. Mouvement et forces • 1
1 Personne dans un ascenseur
[ Extraire l’information • Mobiliser ses connaissances • Argumenter ]
Tony monte dans un ascenseur au niveau du rez-de-chaussée
pour se rendre au 5e étage. Il indique à son camarade que son
poids est de 45 kg. Le mouvement de l’ascenseur se décompose
alors en cinq phases :
phase A : l’ascenseur est immobile au rez-de-chaussée, la porte
se ferme ;
phase B : l’ascenseur démarre et sa vitesse augmente jusqu’à
atteindre la valeur v ;
phase C : l’ascenseur poursuit sa montée à vitesse constante ;
phase D : l’ascenseur ralentit jusqu’au 5e étage ;
phase E : l’ascenseur est immobile au 5e étage, la porte s’ouvre.
Donnée : g = 9,81 N · m–1.
1. Quelle est l’erreur commise par Tony à propos de son poids ?
2. Quelle est la valeur P du vecteur poids P
de Tony ?
3. Quelles sont les actions subies par Tony pendant la totalité
des cinq phases ?
4. Caractériser le sens et la direction du vecteur F
représentant
la force exercée sur Tony par le plancher de l’ascenseur aux
cours des cinq phases.
5. Comparer la valeur de F à P en justifiant la réponse :
a. au cours des phases A, C et E ;
b. au cours de la phase B ;
c. au cours de la phase D.
2 Spationaute dans l’ISS
[ Extraire l’information • Mobiliser ses connaissances • Exploiter des données ]
On considère la station spatiale internationale (ISS) décrivant
autour de la Terre une orbite circulaire à l’altitude de 400 km et
avec une vitesse constante de 28 000 km · h–1 environ. À cette
altitude, la valeur de la force d’attraction de la Terre sur un astro-
naute est égale à 0,885 fois sa valeur au niveau du sol.
Un astronaute de masse m = 75 kg est immobile dans l’un des
modules de l’ISS sans aucun contact avec les objets qui l’en-
tourent : il « flotte » dans le module.
Donnée : g = 9,81 N · kg–1.
1. a. Quelle est la valeur de la force F
exercée par la Terre sur
l’astronaute dans le module ?
b. Préciser la direction et le sens de F
.
2. L’astronaute est-il soumis à d’autres forces ?
3. a. Qualifier le mouvement de l’astronaute par rapport à la Terre.
b. Justifier que le principe d’inertie ne s’applique pas à l’astronaute.
4. a. Qualifier le mouvement de l’astronaute par rapport au
module.
b. Justifier que le principe d’inertie ne s’applique pas dans le
référentiel lié au module de l’ISS.
3 Vitesse de chute d’une goutte de pluie
[ Utiliser une calculatrice • Utiliser une formule • Exploiter des données • Mobiliser ses
connaissances ]
Une goutte de pluie de rayon R = 1 mm conserve une forme sphé-
rique au cours de sa chute. Nous admettrons qu’il n’y a pas de
vent.
La valeur de la force de frottement F
exercée par l’air sur une
goutte de rayon R tombant à la vitesse v est donnée par la for-
mule F = rair v2R2 où rair est la masse volumique de l’air.
Données : rair = 1,30 kg · m–3 ; reau = 1,00 × 103 kg · m–3 ; volume
V d’une sphère
VR
=4
3
3
π ; g = 9,81 N · kg–1.
On considère que le mouvement rectiligne de chute de la goutte
se décompose en deux phases :
phase A : la vitesse de la goutte augmente de 0 à la valeur
constante v ;
phase B : la vitesse de la goutte est stabilisée à la vitesse v.
1. Calculer la masse m de la goutte et la valeur P de son poids.
2. Préciser la direction et le sens de F
.
3. Comparer les valeurs F et P, en justifiant la réponse et en
représentant les vecteurs F
et P :
a. au cours de la phase A ;
b. au cours de la phase B.
4. Calculer la valeur v de la vitesse stabilisée de la goutte.
4 Pendule dans une voiture
[ Mobiliser sesconnaissances • Extraire l’information • Argumenter • Réaliser un
schéma ]
Une petite boule en acier suspendue à un fil constitue un pen-
dule.
Le pendule est accroché en un point A du plafond d’une voi-
ture. On considère que le pendule n’oscille pas et qu’il est donc
immobile dans le référentiel de la voiture. L’action du fil sur la
boule est modélisé par une force F
de même direction que le fil
et orientée vers le point A.
1. La voiture roule à vitesse constante de 60 km · h–1.
a. Le principe d’inertie est-il applicable dans le référentiel de la
voiture ?
b. Réaliser un schéma illustrant la position du pendule.
c. Comparer la valeur de F
à celle du poids P de la boule.
2. La voiture freine et sa vitesse passe de 60 km.h–1 à 20 km · h–1,
ces valeurs n’étant données que pour illustrer la situation.
a. Quel est le mouvement de la boule dans le référentiel de la
route ?
b. La force F
sera-t-elle inclinée plutôt vers l’arrière ou plutôt
vers l’avant ?
c. Réaliser un schéma illustrant la position du pendule sans
considération d’échelle.
3. Reprendre la question 2 lorsque la voiture accélère de
60 km · h–1 à 120 km · h–1.
La relativité
du mouvement
1
7
C
h
a
p
i
t
r
e
9

© Éditions Belin, Physique-chimie 2e, 2014.
ExErcicEs supplémEntairEs
9. Mouvement et forces • 2
Corrigés
1 Personne dans un ascenseur
[ Extraire l’information (APP) • Mobiliser ses connaissances (APP) • Argumenter (VAL) ]
1. [APP] Tony confond sa masse m qui est donc de 45 kg et son
poids de valeur P
2. [APP] P = mg = 45 × 9,81 = 4,4.102 N
3. [APP] Tony subit l’action gravitationnelle de la Terre modé-
lisée par son poids P
et l’action du plancher de l’ascenseur
modélisée par une force de contact F
.
4. [APP] F
est dirigée du support (le plancher) vers l’objet (Tony)
c’est à dire verticale vers le haut.
5. a. [APP, VAL] Phase A, C et E : le principe d’inertie s’applique
à Tony puisqu’il et soit immobile soit qu’il se déplace recti-
lignement à vitesse constante dans le référentiel terrestre :
F + P = 0 ; les deux forces sont opposées, elles ont même
valeur, donc F = P.
b. [APP, VAL] Le mouvement de Tony est dirigé vers le haut et sa
vitesse augmente. C’est la force dans le sens du mouvement qui
l’emporte : F  P.
c. [APP, VAL] Le mouvement de Tony est dirigé vers le haut mais
sa vitesse diminue, il est freiné. C’est la force contraire au sens
du mouvement qui l’emporte : P  F.
2 Spationaute dans l’ISS
[ Extraire l’information (APP) • Mobiliser ses connaissances (APP) • Exploiter des
données (ANA) ]
1. a. [APP] F = 0,885 P, P étant la valeur du poids du spationaute
au niveau du sol. F = 0,885 × 75 × 9,81 = 651 N
b. [APP] Le support de F
est la droite qui joint le spationaute au
centre de la Terre. F
est dirigée vers la Terre.
2. [APP] C’est la seule force que subit le spationaute.
3. a. [ANA] Le mouvement du spationaute est circulaire et uni-
forme autour de la Terre.
b. [ANA, APP] Son mouvement n’est pas rectiligne dans le réfé-
rentiel de la Terre : le principe d’inertie ne peut lui être appliqué.
4. a. [ANA] Le spationaute est immobile dans le référentiel de
l’ISS.
b. [ANA, APP] Le spationaute est immobile dans le référentiel de
l’ISS tout en étant soumis à la force F
. Le principe d’inertie ne
s’applique donc pas dans le référentiel de l’ISS.
3 Vitesse de chute d’une goutte de pluie
[ Utiliser une calculatrice (REA) • Utiliser une formule (REA) • Exploiter des données
(ANA) • Mobiliser ses connaissances (APP) ]
1. [ANA, REA] m = reau V ;
VR== =⋅
−−
4
3410341910
39
93
ππ/, m
m = 103 × 4,19 · 10–9 = 4,19 · 10–6 kg.
P = mg = 4,19.10–6 × 9,81 = 4,11 · 10–5 N.
2. [APP] F
est une force de frottement qui est dirigée en sens
inverse du mouvement de la goutte : F
est verticale dirigée vers
le haut.
3. a. [ANA, APP] Phase A : P  F
b. |ANA, APP] Phase B : le principe d’inertie s’applique : les deux
forces sont opposées, elles ont même valeur, donc F = P.
4. [REA, REA, ANA] rair v2R2 = P d’où v2 = P/(rairR2) = 4,11 · 10–5/
(1,30 × 10–6) = 31,6 m2 · s–2 soit v = 5,62 m · s–1.
4 Pendule dans une voiture
[ Mobiliser ses connaissances (APP) • Extraire l’information(APP) • Argumenter (ANA)
• Réaliser un schéma (REA) ]
(1)
(2)
(3)
sens du déplacement
de la voiture
F
F
F
P
P
P
1.a. [APP, APP] La voiture a un mouvement rectiligne et uni-
forme par rapport au référentiel terrestre : le principe d’inertie
peut s’appliquer.
b. [APP, ANA, REA] Le pendule est immobile : la force exercée par
le fil sur la boule et le poids de la boule se compensent. Le fil est
vertical : situation (1) sur le schéma.
c. [APP] Comme F
+ P = 0, alors F = P.
2. a. [APP, ANA] La boule est immobile dans la voiture. Elle est
donc en mouvement rectiligne dans le référentiel de la route et
sa vitesse diminue.
b. [APP, ANA] La boule subit une force qui la ralentit horizon-
talement. Cette force ne peut être le poids qui est vertical. Le
pendule s’incline donc vers l’avant afin que F
soit plutôt dirigée
vers l’arrière.
c. [REA] Situation (2) sur le schéma.
3. [APP, ANA, REA] Le pendule s’incline cette fois vers l’arrière.
Situation (3) sur le schéma.