MyHEdison

Première · Physique-Chimie · Chapitre 2

Mouvement et interactions : forces, énergie et travail

Ce que tu sauras faire

  • Décrire un mouvement dans un référentiel donné et construire le vecteur vitesse d'un point à partir d'une chronophotographie.
  • Construire le vecteur variation de vitesse et relier son sens à celui de la somme des forces.
  • Énoncer et exploiter le principe d'inertie, et reconnaître un référentiel galiléen.
  • Appliquer la deuxième loi de Newton sous forme approchée pour relier la somme des forces à la variation du vecteur vitesse.
  • Modéliser les forces usuelles : poids, réaction normale du support, frottements, tension d'un fil et d'un ressort.
  • Calculer le travail d'une force constante, en distinguer le signe, et montrer que le travail du poids ne dépend pas du chemin suivi.
  • Appliquer le théorème de l'énergie cinétique et exploiter la conservation ou la non-conservation de l'énergie mécanique.

Au programme du chapitre

  1. Décrire un mouvement : référentiel, position, vecteur vitesse
  2. La variation du vecteur vitesse
  3. Le principe d'inertie, première loi de Newton
  4. La deuxième loi de Newton, sous forme approchée
  5. Les forces usuelles et leur modélisation
  6. Le travail d'une force constante
  7. L'énergie cinétique et le théorème de l'énergie cinétique
  8. Énergie potentielle de pesanteur et énergie mécanique

Exercices corrigés

Exercice 1

Un élève écrit : « une fusée avance parce que ses moteurs la poussent en permanence ; si on les coupe, elle s'arrête ». Où est l'erreur, et que se passe-t-il réellement lorsqu'une sonde spatiale coupe ses moteurs loin de tout astre ?
Un coup de pouce
Demande-toi ce qu'il faudrait pour que la sonde ralentisse : quelle force pourrait bien s'exercer sur elle dans le vide ?
Voir la correction pas à pas
L'erreur est de croire qu'un mouvement a besoin d'une cause pour durer. Le principe d'inertie dit exactement le contraire : une cause n'est nécessaire que pour changer le mouvement.
Loin de tout astre, la somme des forces exercées sur la sonde est pratiquement nulle. D'après le principe d'inertie, son mouvement est donc rectiligne uniforme : elle continue tout droit, à vitesse constante, indéfiniment, sans consommer une goutte de carburant.
Le réflexe de l'élève vient de notre expérience quotidienne, où toute chose finit par s'arrêter. Mais ce n'est pas le mouvement qui s'épuise : ce sont les frottements — air, sol, roulements — qui exercent une force résistante. Supprime-les, et l'arrêt disparaît avec eux. Les moteurs d'une fusée ne servent donc pas à entretenir sa vitesse, mais à la modifier : accélérer, freiner, changer de direction.

Exercice 2

Une bille décrit un cercle à vitesse constante au bout d'un fil. Le compteur de vitesse indiquerait une valeur rigoureusement constante. Peut-on en conclure que la somme des forces exercées sur la bille est nulle ? Justifie.
Un coup de pouce
Dessine deux vecteurs vitesse de même longueur en deux points voisins du cercle, puis construis leur différence.
Voir la correction pas à pas
Non, et c'est le piège le plus fréquent du chapitre. Le principe d'inertie ne parle pas de la valeur de la vitesse, mais du vecteur vitesse : il faut que sa direction, son sens et sa valeur soient tous trois constants.
Ici la valeur ne change pas, mais la direction tourne sans arrêt, puisque le vecteur vitesse est tangent à la trajectoire. Le vecteur vitesse varie donc, et Δv⃗\Delta \vec{v} n'est pas nul.
D'après la deuxième loi de Newton, la somme des forces est de même sens que Δv⃗\Delta \vec{v} : elle est dirigée vers le centre du cercle. C'est la tension du fil qui la fournit. La preuve expérimentale est immédiate : si l'on coupe le fil, la tension disparaît, la somme des forces devient nulle, et la bille repart en ligne droite selon la tangente — exactement ce que prévoit le principe d'inertie.

Les pièges à éviter

  • Croire qu'une force est nécessaire pour entretenir un mouvement.
  • Conclure d'une vitesse de valeur constante que la somme des forces est nulle, même sur une trajectoire courbe.
  • Confondre masse et poids, et les exprimer dans la même unité.
  • Oublier de convertir les km/h en m/s avant de calculer une énergie cinétique.

Pour aller plus loin

Le même thème dans d’autres classes

Physique-chimie dans les autres classes

Réviser autrement