CORRIG´E ´Epreuve Semestrielle de Physique

Coll`ege Nicolas Bouvier Deuxi`eme semestre 2005-06
CORRIG´ E
´
Epreuve Semestrielle de
Physique
Cours : G1.PY1df Profs : P. Rebetez, M. Ruiz-Altaba, C. Vallat
Date : 9 juin 2006 Dur´ee : 95 minutes
1 Vrai ou faux ? (16 pts) 1
2 Puck sur glace (15 pts) 3
3 Cyclisme Gen`eve-Versoix et retour (16 pts) 6
4 Luge (16 pts) 9
1 Vrai ou faux ? (16 pts)
R´epondez par vrai (V) ou faux (F) aux affirmations suivantes, en justifiant
chacune de vos r´eponses.
a) Un mobile acc´el`ere parce qu’il subit une force r´esultante non-nulle.
VRAI.
Si ~ Fest la force r´esultante sur l’objet de masse m, et ~a est son acc´el´eration,
alors depuis Newton on sait que
~
F=m·~a
Puisque ~a 6= 0, alors forc´ement ~ F6= 0.
b) Une cycliste qui descend une pente `a vitesse constante de 10 [km/h] ne
subit aucune force.
FAUX.
Puisque sa vitesse est constante et la route est suppos´ee sans virages,
l’acc´el´eration de la cycliste est z´ero. Donc, la force r´esultante sur la cy-
cliste est z´ero. Mais que l’addition de toutes les forces sur la cycliste soit
z´ero ne veut pas dire qu’elle ne subit aucune force ! Au moins, elle est attir´ee
par la terre et tenue par le si`ege du v´elo...
1

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c) Si l’on tire une charrette en ligne droite avec une force constante de 200 [N],
cette charrette subit une acc’el´eration constante.
FAUX.
On a beau tirer avec une force constante, on ne sait pas si la force r´esultante
sur la charrette est constante.
d) Tout objet immobile subit une force r´esultante nulle.
VRAI.
La vitesse d’un objet immobile reste ´egale `a z´ero, donc son acc´el´eration est
z´ero, donc la force r´esultante sur lui est aussi z´ero.
e) Un ascenseur qui monte `a la vitesse constante de 1 [m/s] subit une force
r´esultante non-nulle.
FAUX.
S’il monte `a vitesse constante, son acc´el´eration est nulle, et donc la force
r´esultante sur lui est nulle.
f) Tout corps en mouvement subit une force r´esultante non-nulle.
FAUX.
On peut tr`es bien bouger `a vitesse constante, sans acc´el´erer, donc avec force
r´esultante z´ero.
g) L’´energie totale est toujours conserv´ee.
VRAI.
C’est l’´enonc´e le plus puissant et le plus universel d´ecouvert par les physi-
ciennes et physiciens jusqu’`a aujourd’hui. On ne sait pas tr`es bien ce qu’est
l’´energie en g´en´eral ou en abstrait, mais on sait tr`es bien ce qu’elle est dans
des cas concrets, et `a chaque fois que l’on a mesur´e l’´energie de quelque
chose avant et apr`es, l’´energie a toujours ´et´e la mˆeme. Il n’y a aucune cir-
constance dans l’univers o`u l’´energie ne soit pas conserv´ee.
h) L’´energie m´ecanique est toujours conserv´ee.
FAUX.
L’´energie m´ecanique est conserv´ee tant qu’il n’y a pas de frottements, et
tant qu’il n’y a pas d’apport d’´energie sous autres formes (´energie chimique
dans vos muscles ou dans l’essence, ´energie ´electrique, etc.)

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2 Puck sur glace (15 pts)
Un joueur de hockey sur glace donne
un coup de canne dans un puck de 150 [g],
immobile sur la glace. Celui-ci part `a toute
vitesse en direction du gardien de but. Pen-
dant l’impact qui dure un dixi`eme de se-
conde, le puck subit de la part de la canne
une force constante ainsi qu’une force de
frottement constante dont l’intensit´e vaut
1,5 [N]. Au moment o`u la canne cesse d’agir
sur le puck, sa vitesse est de 72 [km/h].
a) Sur la figure ci-dessous, repr´esentez, en les nommant, toutes les forces qui
s’exercent sur le puck pendant l’impact. (4 pts)
b) Calculez l’intensit´e de la force exerc´ee par la canne sur le puck pendant
l’impact. (7 pts)
Le puck glisse ensuite sur la glace de la patinoire, en subissant la mˆeme force de
frottement que pendant l’impact.
c) Sur la figure ci-dessous, repr´esentez, en les nommant, toutes les forces qui
s’exercent sur le puck apr`es l’impact. (1 pt)
d) Quelle acc´el´eration le puck subit-il alors ? (3 pts)

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e) BONUS : Quelle distance le puck parcourt-il sur la glace avant de s’immo-
biliser ? (6 pts)
a) Il y a quatre forces qui agissent sur le puck pendant l’impact :
– la force d’attraction gravitationnelle de la terre sur le puck ~ Fterre/puck qui
agit au centre du puck vers le bas ;
– la force de la glace sur le puck ~ Fglace/puck qui agit sur la surface inf´erieure
du puck, vers le haut ;
– la force de la canne sur le puck ~ Fcanne/puck qui agit sur le point de contact
entre le puck et la canne ; cette force est suppos´ee horizontale ;
– la force de frottement ~ Ffrottement qui agit en sens oppos´e au mouvement
(donc horizontalement vers la gauche) sur la surface entre le puck et la
glace ; c’est en effet une autre force de la glace sur le puck.
Nous savons que les deux forces verticales ont la mˆeme longueur, et que
la force de la canne sur le puck est beaucoup plus grande que la force de
frottement (autrement le puck ne partirait pas). Leurs longueurs pr´ecises,
avec ´echelle, ne peuvent ˆetre connues qu’apr`es calculs.
b) Il nous faut d’abord trouver la force r´esultante sur le puck pendant l’impact.
Il nous faut donc calculer en premier l’acc´el´eration du puck.
La vitesse initiale du puck est v0= 0, tandis que la vitesse finale est
v= 72 [km/h] = 72 km
h·103[m] 1 [km] ·1 [h] 60 ·60 [s] = 20 [m/s]
Il faut un dixi`eme de seconde pour passer de la vitesse initiale v0`a la vitesse
finale v, donc l’acc´el´eration moyenne pendant ce dixi`eme de seconde vaut
a=∆v
∆t=20 [m/s] −0 [m/s] 0,1 [s] = 2 ·102[m/s2]
~
Fr´esultante =m·~a ⇒Fr´esultante = 0,150 [kg] ·2·102[m/s2] = 3 ·101[N]

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On a suppos´e que la canne n’exerce pas de force verticale sur le puck. C’est
`a dire, que la force de la canne sur le puck est horizontale. Mais d’apr`es
le diagramme, il est clair que la force r´esultante est aussi horizontale, telle
que
~
Fr´esultante =~ Fcanne −~ Ffrottement
comme quoi l’intensit´e de ~ Fcanne est
Fcanne = 3 ·101[N] + 1,5 [N] = 3 ·101[N]
La dur´ee de l’impact est connue avec un seul chiffre significatif, comme quoi
la force de frottement est n´egligeable pendant l’impact.
c) C’est les mˆemes forces que sur le dessin pr´ec´edent, except´e la force de la
canne sur le puck. Mˆeme si le puck avance vers la droite, la force r´esultante
sur lui est vers la gauche (c’est pour cela qu’il va s’arrˆeter).
d) Les deux forces verticales sur le puck (attraction gravitationnelle de la terre
et soutien de la glace) s’annulent, et la force r´esultante est ´egale `a la force
de frottement, qui vaut 1,5 [N] mais en sens oppos´e au mouvement :
a=−F
m=−1,5 [N] 0,150 [kg =−10 [m/s2]
e) On compte les distance et les temps `a partir du moment o`u le puck ne touche
plus la canne, c’est`a dire apr`es le dixi`eme de seconde de contact entre le puck
et la canne. D`es ce moment, le puck ne subit plus que l’acc´el´eration calcul´ee
ci-dessus. Il commence son mouvement avec la vitesse v0= 72 [km/h] =
20 [m/s] et le finit avec une vitesse nulle, v= 0 [m/s]. Nous voulons calculer
la distance parcourue s. Les formules requises sont
v(t) = v=v0+a·t