1. Effets d une force sur le mouvement d un corps : le vecteur force.

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1 ACT PHYS 4 FORCES ET MOUVEMENTS 1/5 SECONDE Activité de physique N 4 Forces et Mouvements Objectifs Connaître les effets d une force sur le mouvement d un corps. Savoir représenter un vecteur force. Notion d interaction. Savoir faire un bilan de forces. 1. Effets d une force sur le mouvement d un corps : le vecteur force. Exemple 1: mouvement d une balle de ping-pong sur une table horizontale La figure ci-contre représente une chronophotographie (*) du mouvement d une balle de ping-pong initialement au repos, lancée par une main sur une table horizontale ( les couleurs ont été inversées ). (*) «chronophotographie» signifie la superposition de plusieurs clichés de la balle de ping-pong à des intervalles de temps égaux ( ici 50 ms ). 1. Quelle est la trajectoire de la balle en première approximation? Indiquer le sens du mouvement. 2. Analyse de la mise en mouvement de la balle Décrire l évolution de sa vitesse de la balle lors de sa mise en mouvement ( les trois premiers clichés ) Quelle action selon vous a été à l origine de la variation de la vitesse de la balle? On précisera l objet X auteur de l action et l objet Y qui subit l action. L action de X sur Y est le plus souvent modélisée par une grandeur physique appelée force exercée par X sur Y 2.3. Quel a donc été l effet de la force évoquée sur le mouvement initial de la balle de ping-pong? 2.4. Représentation de la force responsable de la mise en mouvement de la balle de ping-pong. La force exercée par X sur Y est représentée un vecteur noté F, appelé vecteur force qui, comme tout vecteur, possède une origine, appelée point d application de la force située sur l objet, une direction, un sens, et une longueur proportionnelle à la valeur de la force et qui dépend de l échelle de représentation imposée. La valeur d une force est exprimée en newton ( symbole N ) dans le système international d unités. Sachant que la valeur F de la force F, responsable de la mise en mouvement de la balle de ping-pong est F = 5, N, représenter sur la photo, de la façon la plus pertinente possible, la flèche représentative du vecteur F à l échelle 1 cm pour 2, N. 3. Analyse de la deuxième phase du mouvement de la balle de ping-pong 3.1. Décrire l évolution de la vitesse lors de la deuxième phase du mouvement? 3.2. Quelle force F' selon vous est responsable de cette évolution ( on précisera l auteur et le receveur de la force ). Que se passerait-il si on avait eu plus de champ pour filmer le mouvement de la balle de ping-pong? 3.3. Représenter, de la façon la plus pertinente possible, la force F', pour l avant dernière position de la balle sachant qu elle a pour valeur 3, N. Comparer le sens de F' au sens du mouvement. Les forces analysées dans l exemple 1 sont des forces de contact, car l objet qui exerce la force est en contact avec l objet qui la subit, la balle de ping-pong.

2 ACT PHYS 4 FORCES ET MOUVEMENTS 2/5 SECONDE Exemple 2 : lâcher d une balle de tennis sans vitesse initiale La figure ci-contre représente une chronophotographie du mouvement d une balle de tennis lâchée sans vitesse initiale. 1. Donner deux qualificatifs pour la trajectoire de la balle en première approximation Y a-t-il changement de direction du mouvement au cours du temps? 2. Décrire l évolution de la vitesse de la balle au cours du temps? 3. Comment appelle-t-on la force P responsable du mouvement de la balle? Quel est l objet auteur de la force? Quel est l objet qui subit la force? Quel est l effet de P sur la balle de tennis? 4. Pourquoi P est appelée force à distance? 5. La force P a pour valeur 0,9 N Préciser les quatre caractéristiques de la force P ( point d application, direction, sens, valeur ) 6. Représenter sur le cliché, le vecteur force P pour la 7 ième position de la balle à l échelle 1 cm pour 0,3 N. Exemple 3 : déviation d une bille par un aimant La figure ci-contre montre la chronophotographie du mouvement d une bille en acier lorsqu elle passe au voisinage d un aimant. 1. La vitesse de la bille semble-t-elle varier au cours du mouvement? 2. Quelle caractéristique du mouvement a été changée au cours du temps? 3. A quelle force peut-on attribuer ce changement? 4. Est-ce une force de contact ou à distance? 5. Sur le cliché, schématiser de façon pertinente, sans souci d échelle, les forces exercées sur la bille par l aimant pour diverses positions de la bille. Exemple 4 : lancer d une balle vers le haut. La figure ci-contre montre la chronophotographie du mouvement d une balle lancée vers le haut. Indiquer sur la figure le sens du mouvement de la balle. 1. Donner deux caractéristiques du mouvement qui sont modifiées au cours du temps. 2. Quelle force est responsable des modifications de ces caractéristiques? 3. Quels sont les effets de cette force pendant la phase de montée? Pendant la phase de descente? Récapitulatif Dans le tableau qui suit, répondre par OUI ou par NON suivant qu il y a ou non des modifications de trajectoire ou de valeur de la vitesse et indiquer les forces qui sont responsables de ces modifications. Exemples Modification de trajectoire? Modification de la valeur de la vitesse? Force( s) responsables de la ou les modifications

3 ACT PHYS 4 FORCES ET MOUVEMENTS 3/5 SECONDE Ce qu il faut retenir Une force est une grandeur physique qui modélise en général l. d un objet X sur un objet Y. La force exercée par un objet X sur un objet Y est représentable par un.., noté F X/Y, qui a les caractéristique suivantes : son o.. qui est le p de la force ; sa d. qui est celle de la force ; son s. qui est celui de la force ( n est pas nécessairement celui du mouvement ); sa l qui est p. à la v de la force exprimée en.. ( symbole ( ) : elle dépend de l.de représentation choisie. Une force exercée sur un objet peut modifier : soit la v.. de cet objet ; soit la t de cet objet ; soit, à la fois, sa v.. et sa t Il y a deux types de forces : les forces de c... qui s exercent entre objets en c.. l un avec l autre. les forces à d qui s exercent entre objets n ayant aucun c l un avec l autre. 2. Influence de la masse sur l effet d une force : notion d inertie Les figures ci-après représentent le dispositif expérimental utilisé, appelé «table à coussin d air dans deux situations. Sur une table horizontale est posée un palet A soulevé très légèrement au-dessus de la table à l aide d une soufflerie intérieure: de cette façon A peut glisser quasiment sans frottement sur la table ( A est appelé autoporteur à coussin d air ). Une pointe P conductrice située au centre de la base circulaire de A, reliée à un dispositif électrique délivrant une haute tension ( non représenté ici ), permet d obtenir des étincelles entre P et une feuille conductrice F à des intervalles de temps réguliers τ ( de valeurs réglables 20ms, 40 ms ou 60 ms ) : une étincelle laisse une trace noire sur une feuille blanche intercalée entre F et l autoporteur. Ce dispositif permet donc d enregistrer sur une feuille blanche les positions successives du centre de gravité de l autoporteur. Manipulation Dans la situation de la figure 1, on abandonne l autoporteur A sans vitesse initiale, entraîné par une masse de 100 g à laquelle il est reliée par l intermédiaire d un fil passant dans la gorge d une poulie et l on enregistre les positions successives P 1, P 2, P 3,.de la pointe P. Dans la situation de la figure 2, on abandonne sans vitesse initiale le système {autoporteur A + une surcharge S }, toujours entraîné par une masse de 100 g et l on enregistre les positions successives P 1, P 2, P 3, de la point P. Questions Donnée : les deux enregistrements ont été réalisés avec τ = 60 ms. 1. Numéroter les positions P 1, P 2, P 3,., puis les positions P 1, P 2, P 3, pour les deux enregistrements. 2. Calculer la vitesse de l autoporteur à l instant de date t 11 ( la date t = 0 étant prise au moment du lâchage de l autoporteur pour les deux cas étudiés: autoporteur seul et autoporteur + surcharge. On considèrera que cette vitesse à calculer est égale, en première approximation, à la vitesse moyenne entre l instant de date t 10 et l instant de date t 12. Autoporteur seul Autoporteur + surcharge 100 g 100 g Figure 1 Figure 2 P A A S F T T

4 ACT PHYS 4 FORCES ET MOUVEMENTS 4/5 SECONDE 3. On admet que dans les deux situations, la force exercée par le fil sur l autoporteur est la même. L effet de cette force peut être mesuré, par exemple, par la variation de la vitesse entre l instant de date t= 0 et l instant de date t = t 11. Calculer l effet de la force F r dans les deux cas. 4. Comment varie l effet de la force lorsque l on augmente la masse de l autoporteur? Retenons L effet d une force donnée sur le mouvement d un corps dépend de la. du corps. Plus la masse est plus l effet est grand, plus la masse est plus l effet est faible. La masse d un corps caractérise son inertie c est à dire la à le mettre en mouvement. 3. Notion d interaction Interaction de contact Une boule est posée sur du sable à la plage. Elle s enfonce légèrement en laissant une trace sur le sable. On peut déduire de cette observation : que la boule exerce une force sur le sable, notée F boule/sable ( effet de déformation de la force ) ; F sable/boule F boule/ sable que le sable s oppose à l enfoncement de la boule en exerçant sur la boule une force F sable/boule. L ensemble ( F boule/sable, F sable/boule ) constitue l interaction entre la boule et le sable. Plus précisément cette interaction est appelée interaction de contact, car il y a contact entre les deux objets en interaction, sable et boule. On admet, et c est un principe appelé principe des actions réciproques ou principe d interaction, que : F sable/boule = - F boule/sable et que les deux forces sont portées par le même support. Interaction à distance balle F aimant/bille Souvent plus difficile à percevoir, l interaction à F Terre/balle distance s exerce entre objets qui ne sont pas au bille F billet/aimant contact l un de l autre. F balle/terre Exemple 1 : une bille à proximité d un aimant subit aimant une force à distance attractive F aimant/bille dont Terre l effet est détectable car elle modifie de façon visible le mouvement de la bille ; réciproquement, la bille exerce sur l aimant une force à distance interaction balle-terre interaction bille-aimant attractive F bille/aimant qui ne peut mettre en mouvement l aimant de façon visible car la masse de ce dernier est bien supérieure à celle de la bille ( néanmoins le principe des actions réciproques nous oblige à admettre l existence de cette force ). L interaction à distance billeaimant est une interaction d origine magnétique. Exemple 2 : une balle à proximité de la Terre subit de la part de celle-ci, une force à distance F Terre/balle appelée poids, détectable par le mouvement de chute de la balle lorsqu on la lâche ; réciproquement, nous admettrons que la balle exerce sur la Terre une force à distance F balle/terre : cette force n est pas détectable car elle ne peut modifier de façon visible le mouvement de la Terre, la masse de la Terre étant infiniment supérieure à celle de la balle. L interaction à distance balle-terre est une interaction d origine gravitationnelle. Ce qu il faut retenir de la notion d interaction Quand un objet X agit sur un objet Y, simultanément l objet Y agit sur X : on dit que X et Y sont en interaction. Les interactions de contact s exercent entre objets qui se touchent et les interactions à distance s exercent entre objets qui ne se touchent pas. Ci-contre, deux représentations d une interaction : pointillés pour une interaction à distance et trait pleins pour une interaction de contact. X X interaction de contact interaction à distance Y Y

5 ACT PHYS 4 FORCES ET MOUVEMENTS 5/5 SECONDE Activité: «bilan de forces» s exerçant sur un objet à l aide d un diagramme objet-interaction But de l activité : dresser un inventaire des forces exercées sur la balle de ping-pong de l exemple 1 ; cet inventaire est appelé «bilan de forces». Placer autour du symbole de la balle de ping-pong, les symboles des objets susceptibles d interagir avec cette dernière et matérialiser les interactions (distance ou contact) entre ces objets et la balle de ping-pong à l aide de double flèches (diagramme objet-interaction), puis représenter alors les forces exercées sur la balle de ping-pong. Cas du début du mouvement ( contact avec la main ) En cours de mouvement ( main déconnectée ) Balle de ping-pong Balle de ping-pong sens du mouvement sens du mouvement