- Entrer toutes les corrections typos, et enregistrer sous le AL

FICHE N°1
Activité ou TP
Comment faire l’inventaire des forces responsables du
mouvement d’un objet ?
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).
Activité 1 : approche intuitive d’un problème
Les élèves travaillent en petits groupes de quatre ou cinq. Chaque groupe dispose d’un medecine-ball1 mis
à sa disposition. Le professeur leur soumet la situation suivante :
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 medecineball 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.
Chaque groupe produit ses figures sur une affiche ou sur un transparent. Les différentes productions sont
comparées et discutées.
Commentaires : La discussion pourra porter sur le nombre de phases du mouvement (2 ou 4 ?). Après
discussion, le professeur identifie les quatre phases du mouvement : 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 medecineball 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. A ce stade, le
professeur ne cherchera pas à trancher entre les différents points de vue.
Il précisera simplement aux élèves que le choix intuitif d’une force assurant la montée a été fait pendant
près de 2000 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. Le professeur proposera alors le passage à l’activité suivante.
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.
1
23
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”.
Les élèves continuent à travailler en petits groupes. Le professeur distribue le document ci-dessous qui
précise les règles et conventions à respecter :
DIAGRAMMES OBJETS-INTERACTIONS
Représentation des objets
nom de
l'objet
Objets ….. Terre et sol
Représentation du
système étudié
Terre
sol
système X
Représentation des interactions
à distance :
de contact :
fr
avec frottements
Exercice
Construisez les diagrammes Medecine-ball-interactions pour chacune des phases du
mouvement du medecine-ball lancé verticalement vers le haut.
Formulez votre réponse sur un transparent en respectant la disposition suivante :
Lancer
Montée
Descente
24
Réception
Commentaires. Les productions des groupes sont discutées en classe. Après discussion, les résultats
retenus sont les suivants :
Lancer
Montée
Main
Descente
Air
Air
Réception
Main
Air
Air
M-ball
Terre
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.
Les élèves travaillent toujours en petits groupes.
Le professeur distribue aux groupes les règles suivantes :
DES INTERACTIONS AUX FORCES : LES LOIS DE NEWTON
1. 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 .
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.
25
2. 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 :
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 :
A 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.
Exercice :
Le professeur donne aux groupes la consigne suivante :
Pour chacune des quatre phases, représentez les forces qui agissent sur le medecine-ball
en utilisant les règles précédentes .
Vous formulerez votre réponse sur un transparent en respectant la disposition suivante :
Lancer
Montée
Liste des forces qui
s’exercent sur le
medecine-ball
Comment varie la
vitesse
du
medecine-ball ?
Digramme
Medecine-ball
Interactions
-
26
Descente
Réception
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.
Les productions des groupes sont discutées en classe. Après discussion, les résultats retenus sont les
suivants :
Montée
Lancer
Descente
Réception
Fair/MB
F
main/MB
Fmain/MB
Fair/MB
F air/MB
FTerre/MB
FTerre/MB
Fair/MB
FTerre/MB
On pourra faire remarquer que :


Pendant le lancer, la valeur de
FTerre/MB


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
inférieure à celle de


FTerre / MB dirigé vers le bas.

Fair / MB dirigé vers le haut est
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 testées (cf. BO N°7 du 31 08 2000)
Compétences expérimentales et manipulatoires


Analyser des résultats expérimentaux.
Faire le schéma d’une expérience.
27
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.
Références bibliographiques :
Caillot, M. et al., PROPHY une méthode pour résoudre les problèmes de physique, LIREST Université
Paris 7, 1988.
Dumas-Carré, A., & Goffard M., Rénover les activités de résolution de problèmes en physique, Armand
Colin, 1997.
Guillaud, J-C., Enseignement et apprentissage du concept de force en classe de troisième, Thèse de
doctorat, Université Joseph-Fourier, Grenoble, 1998.
Lemeignan, G. & Weil-Barais, A., Construire des concepts en physique, Hachette Education, 1993.
28