Question 22 Question 23

Analyse qualitative des notions de force et de mouvement Question 22 Comment expliquer le mouvement d’un satellite autour de la Terre alors qu’aucun moteur n’entretient son mouvement? Question 23 Parmi les situations suivantes, y en a‐t‐il qui ont de l’énergie? Si oui, précisez les formes d’énergie et expliquez votre réponse. Votre réponse : Votre réponse : 25 Apprendre les sciences par la confrontation Votre réponse : Votre réponse : Votre réponse : 26 Analyse qualitative des notions de force et de mouvement Votre réponse : Votre réponse : Question 24 Comment expliquer le mouvement de rotation de la Terre autour du Soleil, alors que nous ne ressentons rien de son déplacement? Votre explication : 27 Partie1.2
Solutionnaire
Apprendre les sciences par la confrontation Solution – Question 1 La réponse 1 est fausse : la balle n’acquiert pas la force que le jeune homme a appliquée. Cette force s’est annulée à l’instant où il a lancé la balle et, conformément à la première loi du mouvement de Newton (que l’on nomme aussi loi d’inertie), la balle continuera son mouvement en ligne droite en conservant la vitesse acquise à la suite de son accélération. Notons que deux forces s’appliquent sur la balle lors de son mouvement dans les airs : la force de gravité, c’est‐à‐dire le poids de la balle (qui résulte de l’action de sa masse et de celle de la Terre) et la force de frottement (qui résulte de l’action de l’air sur la balle). Elle finira par tomber et ne continuera pas son mouvement en ligne droite et à vitesse constante. La réponse 2 est incomplète : effectivement, le vent (mouvement de l’air) aura une action sur la balle. Cette action durera un certain temps selon l’intensité du vent et de sa direction. Cependant, une autre force s’applique en même temps sur la balle, et c’est la force de gravitation, ce qui explique sa chute après un certain temps. Solution – Question 2 Comme le cycliste ralentit, cela signifie que sa vitesse diminue et donc qu’il subit une décélération (accélération négative). Si on se réfère à la deuxième loi de Newton (d’après cette loi, l’intensité de la force résultante F qui s’applique sur un corps en mouvement est égale à sa masse m multipliée par son accélération a : F = m . a), cela implique qu’il y a une force résultante (ou force nette) qui agit en direction opposée au mouvement du cycliste. D’où vient cette force? C’est la friction causée par l’air, par les roues qui tournent, etc. Toutes ces forces de frottement s’opposent au mouvement du cycliste. L’affirmation est donc fausse. Il n’y a pas de force qui demeure dans la bicyclette. La bicyclette est en mouvement, et ce sont les forces de frottement qui la font ralentir. Solution – Question 3 La réponse est partiellement vraie. En effet, à l’instant où la conduc‐
trice freinera, le personnage sera projeté en avant. Par contre, il est faux de dire qu’il sera projeté en avant pour maintenir un certain équi‐
libre. Il sera projeté en avant, conformément à la première loi du mou‐
vement de Newton (loi d’inertie). En effet, la vitesse du personnage est la même que celle du camion (pour un observateur extérieur), c’est‐à‐dire 80 km/h, et à l’instant où l’auto s’arrêtera, selon la loi d’inertie, le personnage continuera son mouvement en ligne droite à cette vitesse. La conductrice du camion sera aussi projetée en avant si elle ne porte pas sa ceinture de sécurité comme illustré ci‐contre dans le cas d’un conducteur qui a omis de porter sa ceinture. Notons que certains jeunes s’amusent en se mettant debout sur le coffre arrière d’une voiture qui se déplace à grande vitesse, et ce, sans se soucier du danger qu’ils courent lorsque la voiture s’arrêtera brusquement! 30 Analyse qualitative des notions de force et de mouvement Solution – Question 4 Réponse 1 : À l’instant où il lâche sa balle, elle n’effectuera pas le trajet A (elle ne reculera pas en tombant), car d’après la loi d’inertie, elle voudra continuer son mouvement en ligne droite avec la vitesse que le coureur avait au moment où il l’a lâchée. Par contre, il est vrai que si le coureur était immobile (la vitesse de la balle sera nulle), il verrait la balle effectuer le trajet C, car la force de gravitation qui s’applique sur la balle l’amènerait vers le sol. En conclusion, en chaque point de son trajet, la balle voudra continuer son mouvement en ligne droite et son poids (la force de gravitation) en ce point la dirigera vers le sol, comme illustré ci‐dessous : Mouvement de
la balle selon
la loi d’inertie
Mouvement de
la balle selon
la loi d’inertie
Mouvement de
la balle selon
la loi d’inertie
P=m.g
P=m.g
P=m.g
Sol
Mouvement de
la balle selon
la loi d’inertie
{
m : masse de la balle
g : accélération terrestre (9,8 m/s2)
P=m.g
Réponse 2 : Il est vrai que lorsqu’on lâche la balle, on n’applique plus de force sur elle et qu’à ce moment, il n’y a que la force de gravitation qui l’influence en négligeant l’action de l’air. Il est aussi vrai que la force de gravitation implique que la Terre attire vers elle tout objet ayant une masse et qui se déplace dans son champ d’attraction (de gravitation). Par contre, il est faux de dire que puisque la balle ne subit que la force de gravitation de la Terre, elle tombera à la verticale exactement à l’endroit où on l’a lâchée (trajet B), selon la loi d’inertie. Solution – Question 5 À l’instant où le personnage lâche la ficelle, la balle continuera son mouvement selon le trajet b, conformément à la loi d’inertie. Cependant, elle tombera à cause de la gravitation. Il est important de noter qu’on ne verra pas ce trajet à cause de la durée, mais si l’on pouvait observer au ralenti son mouvement, on le verrait. Solution – Question 6 Réponse 1 : La réponse est partiellement vraie. Effectivement, la pomme agira comme une météorite dans l’espace, conformément à la première loi du mouvement de Newton. Or, selon cette loi, la pomme continuera son mouvement en ligne droite et à vitesse constante, donc son accélération sera nulle (aucune variation de sa vitesse). Réponse 2 : La réponse est partiellement vraie. En effet, la loi d’inertie affirme qu’un objet qui se déplace sur une trajectoire rectiligne continuera à se déplacer à vitesse constante seulement si la force nette (force résultante) est nulle. Il est vrai que si l’on veut faire varier sa vitesse ou l’immobiliser, on doit appliquer une force. 31 Apprendre les sciences par la confrontation Solution – Question 7 L’énoncé est faux. Au départ, la vitesse de l’enfant est nulle et on a appliqué une force pour qu’il accélère, c’est‐à‐dire que sa vitesse passera de 0 m/s à une vitesse donnée (selon l’intensité de la force appliquée). Ainsi, l’enfant acquiert une vitesse et, selon la loi d’inertie, il continuera indéfiniment son mouvement à cette vitesse selon une trajectoire rectiligne. Heureusement que ce n’est pas le cas et qu’il finira par s’arrêter à cause du frottement ou d’un obstacle qui s’interposera sur son chemin. Solution – Question 8 L’énoncé est faux, car le mouvement de la patineuse ralentira à cause de la résistance de l’air et du frottement sur le sol, même si ce dernier est faible. Solution – Question 9 L’affirmation n’est pas toujours vraie. Supposons que vous vouliez déplacer un bureau sur un tapis, d’un coin à un autre d’une pièce. Pour accomplir cette tâche, vous devrez pousser, donc exercer une force sur le bureau. Au début, le bureau résistera et ne se déplacera pas. En poussant plus fort, il se mettra en mouvement. Si vous voulez que le bureau avance plus vite, vous devrez pousser plus fort, donc exercer une force plus grande. Pourquoi devons‐nous maintenir une force sur le bureau pour qu’il se déplace à vitesse constante? Cela semble contredire la loi d’inertie qui mentionne que pour qu’un objet se déplace à vitesse constante, il ne doit y avoir aucune force nette (force résultante) sur cet objet. Que se passe‐t‐il alors? Pourquoi devons‐nous exercer une force plus grande pour que le bureau se déplace plus vite? Pour que le bureau se déplace plus rapidement, il faut que sa vitesse augmente, donc qu’il subisse une accélération. Pour qu’il subisse une accélération, il faut que la force que vous exercez soit plus grande que la force de frottement, de sorte que le bureau subisse désormais une force nette dirigée vers l’avant. Supposons cette fois‐ci que vous voulez déplacer le même bureau sur un plancher de bois franc. Vous pousserez moins fort pour le déplacer de la même distance que lorsqu’il était sur le tapis. Finalement, si le bureau se trouve sur une patinoire, vous allez pousser encore moins fort pour le déplacer. Ainsi, pour pousser un objet plus vite, l’effort demandé dépend entre autres de la rugosité des surfaces en contact. Solution – Question 10 L’énoncé est faux. Le skieur prend cette position pour diminuer la surface de contact entre son corps et l’air. Plus la surface de contact entre lui et l’air est grande (corps étendu), plus sa vitesse sera réduite et vice‐versa. Solution – Question 11 Une fois dans les airs, la vitesse du skieur sera inférieure à 80 km/h à cause de la résistance de l’air, car la surface de contact entre son corps et l’air est grande, contrairement au skieur qui prend la position de l’œuf (Question 10). Solution – Question 12 L’énoncé est faux. La force de gravitation attire l’auto vers le centre de la Terre. Cependant, elle reste sur le sol, car une autre force s’applique sur l’auto de même intensité que son poids et de sens contraire, conformément à la troisième loi du mouvement de Newton (principe de l’action et de la réaction). Cette force résulte du contact des pneus avec le sol. Il est vrai que tous les objets sur Terre sont sous l’influence de l’attraction terrestre, à cause de la masse de la Terre et non de son atmosphère. Ainsi, ce qui empêche les choses de s’envoler vers le Soleil, c’est la masse de la Terre et non son atmosphère. 32