17 Cha Exercices supplémentaires La relativité 9 du mouvement p it re 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 ? [ Utiliser une calculatrice • Utiliser une formule • Exploiter des données • Mobiliser ses connaissances ] Une goutte de pluie de rayon R = 1 mm conserve une forme sphérique 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 formule 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 4 V d’une sphère V = πR 3 ; g = 9,81 N · kg–1. 3 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. 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. 3. Comparer les valeurs F et P, en justifiant la réponse et en représentant les vecteurs F et P : 5. Comparer la valeur de F à P en justifiant la réponse : a. au cours de la phase A ; a. au cours des phases A, C et E ; b. au cours de la phase B. b. au cours de la phase B ; 4. Calculer la valeur v de la vitesse stabilisée de la goutte. 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 astronaute 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’entourent : 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. © Éditions Belin, Physique-chimie 2e, 2014. 3 Vitesse de chute d’une goutte de pluie 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. 1. Calculer la masse m de la goutte et la valeur P de son poids. 2. Préciser la direction et le sens de F . 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 pendule. Le pendule est accroché en un point A du plafond d’une voiture. 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. 9. Mouvement et forces • 1 Exercices supplémentaires Corrigés 1 Personne dans un ascenseur 4 Pendule dans une voiture [ Mobiliser ses connaissances (APP) • Extraire l’information(APP) • Argumenter (ANA) • Réaliser un schéma (REA) ] [ 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 supportde F est la droite qui joint le spationaute au centre de la Terre. F est dirigée vers la Terre. F sens du déplacement de la voiture F F P P (3) P (2) (1) 1.a. [APP, APP] La voiture a un mouvement rectiligne et uniforme 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 horizontalement. 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. 2. [APP] C’est la seule force que subit le spationaute. 3. a. [ANA] Le mouvement du spationaute est circulaire et uniforme autour de la Terre. b. [ANA, APP] Son mouvement n’est pas rectiligne dans le référentiel 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 © Éditions Belin, Physique-chimie 2e, 2014. [ Utiliser une calculatrice (REA) • Utiliser une formule (REA) • Exploiter des données (ANA) • Mobiliser ses connaissances (APP) ] 1. [ANA, REA] m = reau V ; 4 V = πR 3 = 4 π10−9 / 3 = 4, 19 ⋅ 10−9 m3 3 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. 9. Mouvement et forces • 2