F1 - Comment faire l`inventaire des forces responsables du

Forces, travail et énergie – forces et mouvement
F1
Comment faire l’inventaire des forces
responsables du mouvement d’un objet ?
Les trois activités qui suivent poursuivent deux objectifs :
• amener les élèves à conditionner l’existence d’une force à celle d’une interaction (il n’y a pas
à considérer de force associée au lancement après que l’objet a quitté la main du lanceur : la
force cesse dès que l’interaction disparaît) ;
• apprendre à faire un inventaire complet et à effectuer une représentation semi-quantitative
des forces (c’est-à-dire telle que la résultante soit compatible avec la connaissance du
mouvement du centre d’inertie de l’objet).
Les élèves travaillent en petits groupes de quatre ou cinq. Chaque groupe dispose d’un
medecine-ball1 mis à sa disposition.
Activité 1 : approche intuitive d’un problème
Situation-problème
Un joueur lance verticalement vers le haut un medecine-ball.
1. Vous devez repérer et décrire les différentes phases dans le mouvement du medecine-ball
entre le moment où il est tenu immobile dans les mains du joueur et celui où il est récupéré et
immobilisé par ce dernier (vous pouvez vous aider en vous servant du medecine-ball mis à
votre disposition).
2. Pour chacune des phases précisez :
– comment, selon vous, varie la vitesse du centre du medecine-ball ;
– quelles forces s’exercent sur le medecine-ball ; les représenter sur une figure.
Les différentes productions sont comparées et discutées (chaque groupe peut produire ses
figures sur une affiche ou sur un transparent).
Commentaires
La discussion pourra porter sur le nombre de phases du mouvement (2 ou 4 ?). Après
discussion, les quatre phases du mouvement sont identifiées : le lancer, la montée, la
descente et la réception. On s’attend à ce que des élèves appliquent une force verticale
ascendante pendant la montée du medecine-ball en considérant que l’action du lanceur
continue à s’exercer après que le medecine-ball a quitté ses mains. Enfin, il est possible que
des élèves aient pris en compte l’action de l’air, d’autres non. Il ne paraît pas utile à ce stade de
trancher entre les différents points de vue. On précisera simplement aux élèves que le choix
intuitif d’une force assurant la montée a été fait pendant près de 2 000 ans, d’Aristote à
Newton, et que le mérite de ce dernier est d’avoir élaboré une explication plus rationnelle et
plus efficace en conditionnant de manière systématique l’existence d’une force à
l’identification d’une interaction.
1
Il s’agit d’un ballon rempli de sable dont la masse est de l’ordre du kilogramme. Les medecine-ball sont utilisés en
éducation physique. Il est possible de s’en faire prêter par les professeurs de cette discipline.
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Activité 2 : détermination des interactions
Il s’agit ici pour les élèves d’apprendre à identifier sans erreur toutes les interactions qui
interviennent dans une situation donnée. Ils y sont aidés par un outil d’inventaire appelé
“ diagramme objets-interactions ” (cf. encadré ci dessous).
Diagramme objets-interactions
• Représentation des objets
Objets… Terre et sol
• Représentation du système étudié
• Représentation des interactions
à distance :
de contact :
fr
avec frottements :
Questionnement possible
Construisez les diagrammes medecine-ball-interactions pour chacune des phases du
mouvement du medecine-ball lancé verticalement vers le haut.
N.B. – Les réponses peuvent être présentées sur quatre transparents, pour chacune des
phases du mouvement.
Commentaires
Les productions des groupes sont discutées en classe. Après discussion, les résultats retenus
sont les suivants :
fr
fr
fr
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fr
Lancer
Montée
Main
Descente
Air
Air
Réception
Main
Air
Air
Terre
M-ball
M-ball
M-ball
Terre
Terre
M-ball
Terre
Activité 3 : représentation des forces qui agissent sur le medecine-ball
L’objet étudié (ici le medecine-ball) étant bien identifié, il s’agit maintenant que les élèves
apprennent à choisir, pour chaque interaction, l’action convenable puis la modélisent par une
force, à partir d’un document sur les lois de Newton (cf. encadré ci-dessous).
Des interactions aux forces : les lois de Newton
Modélisation d’une action par une force
• L’interaction d’un objet X avec un objet A comporte toujours deux actions : celle de A sur X et
celle de X sur A. On modélise l’action de A sur X par un vecteur appelé “ force de A sur X ” et

noté : FA / X . Sa valeur est exprimée en newton (N).
• L’objet X sur lequel s’exerce la force est représenté par un point 2.

• On représente graphiquement la force FA / X en construisant à partir du point  une flèche
dont la direction et le sens sont donnés par les caractéristiques de l’action correspondante
(verticale pour la pesanteur, direction du fil pour un fil, etc.) et dont la longueur est

proportionnelle à la valeur de FA / X .
Lois de Newton
• Première loi

Dans un référentiel galiléen, si le vecteur vitesse VG du centre d’inertie ne varie pas, la somme
vectorielle des forces qui s’exercent sur l’objet est nulle et réciproquement.
• Deuxième loi
2
On a choisi volontairement ici un point assez gros pour pouvoir représenter facilement deux vecteurs colinéaires.
Cette règle de schématisation permet de distinguer plus facilement les représentants de deux vecteurs égaux ou
même simplement colinéaires.
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
Dans un référentiel galiléen, si le vecteur vitesse VG du centre d’inertie varie, la somme
vectorielle des forces qui s’exercent sur l’objet n’est pas nulle ; sa direction et son sens sont

ceux de la variation de VG entre deux instants proches.
• Troisième loi
À une interaction entre un objet A et un objet B, correspondent deux forces : l’une, exercée par


A sur B, notée : FA / B , la seconde, exercée par B sur A, et notée : FB / A . Les deux forces d’une
même interaction sont toujours égales et opposées.
Questionnement possible
Pour chacune des quatre phases du mouvement, représentez les forces qui agissent sur le
medecine-ball en utilisant les règles précédentes.
N.B. – Les réponses peuvent être présentées sur un transparent. Pour chaque phase, on
identifie :
– la liste des forces qui s’exercent sur le medecine-bal ;
– comment varie la vitesse du medecine-ball ;
– le diagramme medecine-ball / interactions.
Commentaires
L’action de l’air sur les objets comprend en général la poussée d’Archimède et les forces de
frottements. Cependant, dans le cas d’un medecine-ball, la poussée d’Archimède a un effet
négligeable devant les autres forces. Elle ne sera donc pas représentée.
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Les productions des groupes sont discutées en classe. Après discussion, les résultats retenus
Montée
Lancer
Descente
Réception
Fair/MB
F
main/MB
Fmain/MB
Fair/MB
F air/MB
FTerre/MB
FTerre/MB
Fair/MB
FTerre/MB
FTerre/MB
sont les suivants :
On pourra faire remarquer que :


• Pendant le lancer, la valeur de Fmain/ MB est supérieure à la somme de celles de Fair / MB et de

Fterre/ MB , le mouvement du medecine-ball vers le haut se faisant à vitesse croissante.


• Pendant la montée, la vitesse étant décroissante, les deux vecteurs Fair / MB et Fterre/ MB sont
dirigés vers le bas.

• Pendant la descente, la vitesse étant croissante, la valeur du vecteur Fair / MB dirigé vers le

haut est inférieure à celle de Fterre/ MB dirigé vers le bas.
• Enfin, pendant la réception, le mouvement étant descendant et la vitesse décroissante, la



somme des valeurs de Fair / MB et Fmain/ MB est supérieure à celle de Fterre/ MB .
Compétences du programme mises en œuvre
Compétences expérimentales et manipulatoires
– Analyser des résultats expérimentaux.
– Faire le schéma d’une expérience.
Compétences transversales
– Trier des informations.
– Décrire une expérience, un phénomène.
– Utiliser le vocabulaire scientifique.
– Rédiger une argumentation.
– Utiliser les vecteurs.
– Utiliser quelques notions de géométrie.
Pour en savoir plus...
– CAILLOT M. et al., Prophy, une méthode pour résoudre les problèmes de
physique, LIREST, université Paris-VII, 1988.
– DUMAS-CARRÉ A. et GOFFARD M., Rénover les activités de résolution
de problèmes en physique, Armand Colin, 1997.
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– GUILLAUD J.-C., Enseignement et apprentissage du concept de force en
classe de troisième, thèse de doctorat, université Joseph-Fourier, Grenoble,
1998.
– LEMEIGNAN G. et WEIL-BARAIS A., Construire des concepts en
physique, Hachette Éducation, 1993.
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