Modéliser une action et lois de Newton

Exercices corrigés

1. Quelle est l'unité de la valeur d'une force dans le système international ?

   • A.le newton (N)Bonne réponse
   • B.le joule (J)
   • C.le kilogramme (kg)
   • D.le pascal (Pa)

   Réponse : A — le newton (N)

   La valeur d'une force se mesure en newtons, avec un dynamomètre. Le joule est l'unité d'énergie ou de travail, le kilogramme celle de la masse (qui n'est pas une force !) et le pascal celle d'une pression, c'est-à-dire d'une force répartie sur une surface. Une confusion fréquente consiste à donner un poids en kilogrammes : dans le langage courant on dit « je pèse 70 kg », mais en physique 70 kg est une masse, et le poids correspondant vaut environ 686 N.

2. Quelle est la valeur du poids d'un objet de masse 2,0 kg sur Terre, avec g = 9,8 N/kg ?

   • A.0,20 N
   • B.2,0 N
   • C.19,6 NBonne réponse
   • D.4,9 N

   Réponse : C — 19,6 N

   On applique P = m × g = 2,0 × 9,8 = 19,6 N, soit environ 20 N. Répondre 2,0 N revient à confondre la masse en kilogrammes avec le poids en newtons : ce sont deux grandeurs distinctes. Répondre 4,9 N correspond à une division par 2 (9,8/2) et 0,20 N à une division par g au lieu d'une multiplication. Bon ordre de grandeur à mémoriser : sur Terre, un objet d'un kilogramme pèse environ 10 N.

3. Un mobile de masse 0,50 kg est soumis à une force résultante de valeur 2,0 N. Quelle est la valeur de son accélération ?

   • A.1,0 m/s²
   • B.0,25 m/s²
   • C.2,5 m/s²
   • D.4,0 m/s²Bonne réponse

   Réponse : D — 4,0 m/s²

   La deuxième loi de Newton donne somme des forces = m × a, donc a = F/m = 2,0 / 0,50 = 4,0 m/s². Vérification à l'envers : 0,50 × 4,0 = 2,0 N, c'est cohérent. L'option 1, 1,0 m/s², vient d'une multiplication (2,0 × 0,50) au lieu d'une division. L'option 2 divise la masse par la force. Un réflexe utile : diviser par un nombre inférieur à 1 AUGMENTE le résultat, donc l'accélération doit forcément dépasser 2,0 m/s².

4. Un ressort de raideur k = 25 N/m est allongé de 20 cm. Quelle est la valeur de la force de rappel qu'il exerce ?

   • A.500 N
   • B.5,0 NBonne réponse
   • C.1,25 N
   • D.0,80 N

   Réponse : B — 5,0 N

   La force de rappel vaut F = k × allongement, avec l'allongement exprimé en MÈTRES puisque k est en N/m. Ici 20 cm = 0,20 m, donc F = 25 × 0,20 = 5,0 N. L'option 1, 500 N, est l'erreur reine de ce calcul : on a multiplié par 20 sans convertir les centimètres en mètres, d'où un facteur 100 de trop. L'option 3 divise la raideur par 20 et l'option 4 divise 20 par 25. Le contrôle d'ordre de grandeur sauve : 5 N, c'est le poids d'un objet d'environ 500 g, ce qui est plausible pour un ressort de laboratoire.

5. Une pomme de masse 150 g tombe. La Terre l'attire avec une force d'environ 1,5 N. Que peut-on dire de la force exercée par la pomme sur la Terre ?

   • A.elle est nulle : la pomme est bien trop légère pour agir sur la Terre
   • B.elle est beaucoup plus faible, car la Terre est bien plus massive
   • C.elle vaut 1,5 N et elle est dirigée vers le bas
   • D.elle vaut également 1,5 N, mais elle est dirigée vers le hautBonne réponse

   Réponse : D — elle vaut également 1,5 N, mais elle est dirigée vers le haut

   D'après la troisième loi de Newton, les deux forces d'interaction sont opposées : même direction (la verticale), même valeur (1,5 N) et sens contraires. La Terre attire la pomme vers le bas, la pomme attire donc la Terre vers le haut, avec exactement la même intensité. Le fait que la Terre soit très massive n'affecte en rien la VALEUR de la force (option 2 fausse), mais bien son EFFET : avec a = F/m et une masse d'environ 6 × 10^24 kg, l'accélération de la Terre est absolument imperceptible. Ne confonds jamais force et effet de la force.

6. Les lois de Newton ne sont valables que si l'on travaille :

   • A.dans un référentiel galiléenBonne réponse
   • B.dans n'importe quel référentiel
   • C.uniquement dans le référentiel terrestre
   • D.uniquement pour des objets immobiles

   Réponse : A — dans un référentiel galiléen

   Un référentiel galiléen est un référentiel dans lequel le principe d'inertie est vérifié. Les trois lois de Newton n'y sont valables que dans ce cadre. Le référentiel terrestre en est une excellente approximation pour des expériences de courte durée, mais ce n'est pas le seul : les référentiels géocentrique et héliocentrique conviennent aussi selon l'échelle d'étude (option 3 trop restrictive). En revanche, dans un référentiel accéléré, comme celui d'une voiture qui freine, les lois de Newton ne s'appliquent plus telles quelles. Et elles concernent évidemment aussi les objets en mouvement (option 4).

7. Deux corps s'attirent avec une force gravitationnelle de valeur F. Si la distance entre leurs centres est doublée, que devient cette force ?

   • A.elle est doublée
   • B.elle est divisée par 2
   • C.elle est inchangée
   • D.elle est divisée par 4Bonne réponse

   Réponse : D — elle est divisée par 4

   La loi de gravitation s'écrit F = G × mA × mB / d² : la distance intervient AU CARRÉ, au dénominateur. Si d est multiplié par 2, alors d² est multiplié par 4, et la force est donc divisée par 4. Répondre « divisée par 2 » est l'erreur la plus fréquente : on oublie l'exposant. Retiens la règle générale : distance × 3 signifie force divisée par 9, distance divisée par 2 signifie force multipliée par 4. C'est ce qu'on appelle une loi en carré inverse, la même forme que pour la force électrostatique.

8. Un astronaute a une masse de 80 kg sur Terre. Sur la Lune, où g vaut 1,6 N/kg, que valent sa masse et son poids ?

   • A.une masse de 13 kg et un poids de 80 N
   • B.une masse de 80 kg et un poids de 784 N
   • C.une masse de 80 kg et un poids de 128 NBonne réponse
   • D.une masse de 128 kg et un poids de 80 N

   Réponse : C — une masse de 80 kg et un poids de 128 N

   La masse mesure la quantité de matière : elle ne dépend absolument pas du lieu, l'astronaute conserve donc ses 80 kg sur la Lune. Le poids, lui, est une force qui dépend de g : P = m × g = 80 × 1,6 = 128 N. Sur Terre il valait 80 × 9,8 = 784 N, soit environ six fois plus, ce qui explique les fameux bonds des astronautes d'Apollo. L'option 2 donne le poids terrestre et l'option 1 fait varier la masse, ce qui est impossible. Retiens la règle : la masse est invariante, le poids voyage.

9. Une balle est lancée verticalement vers le haut. Au sommet de sa trajectoire, sa vitesse s'annule un instant. En négligeant les frottements, que vaut alors son accélération ?

   • A.elle est nulle, puisque la vitesse est nulle
   • B.elle vaut g = 9,8 m/s², dirigée vers le basBonne réponse
   • C.elle vaut g = 9,8 m/s², dirigée vers le haut
   • D.elle est maximale et dirigée vers le haut

   Réponse : B — elle vaut g = 9,8 m/s², dirigée vers le bas

   Une fois la balle lâchée, la seule force qui s'exerce sur elle est son poids : elle est en chute libre pendant TOUT son trajet, montée comprise. La deuxième loi donne m × a = m × g, donc a = g = 9,8 m/s², dirigée vers le bas, à chaque instant du mouvement, sommet inclus. Vitesse nulle ne signifie donc pas accélération nulle : c'est justement parce que l'accélération n'est pas nulle que la balle repart vers le bas au lieu de rester suspendue. Aucune force n'est jamais dirigée vers le haut ici : la « force du lancer » n'existe plus dès que la main a lâché la balle.

10. Quelles sont les caractéristiques qui définissent complètement un vecteur force ?

    • A.sa valeur uniquement
    • B.sa direction et sa valeur uniquement
    • C.sa masse, sa direction et son sens
    • D.son point d'application, sa direction, son sens et sa valeurBonne réponse

    Réponse : D — son point d'application, sa direction, son sens et sa valeur

    Une force est un vecteur : elle est décrite par quatre caractéristiques, à citer systématiquement en rédaction. Le point d'application indique OÙ s'exerce l'action, la direction donne la droite portant le vecteur, le sens précise vers où il pointe sur cette droite, et la valeur (en newtons) mesure son intensité. Se limiter à la valeur revient à traiter la force comme un simple nombre, ce qu'elle n'est pas. Et une force n'a pas de masse : l'option 3 mélange deux grandeurs sans rapport.

11. Que dit la troisième loi de Newton, dite principe des actions réciproques ?

    • A.un corps immobile n'exerce aucune force sur son environnement
    • B.si A exerce une force sur B, alors B exerce sur A une force de même direction, de même valeur et de sens opposéBonne réponse
    • C.la somme des forces qui s'exercent sur un corps est égale au produit de sa masse par son accélération
    • D.un corps qui ne subit aucune force conserve un mouvement rectiligne uniforme

    Réponse : B — si A exerce une force sur B, alors B exerce sur A une force de même direction, de même valeur et de sens opposé

    La troisième loi énonce que les actions mécaniques vont toujours par paires : F(A sur B) et F(B sur A) sont deux vecteurs opposés, de même direction et de même valeur, mais de sens contraires. Elle est valable en toutes circonstances, au repos comme en mouvement. L'option 3 est la deuxième loi et l'option 4 la première : la question porte bien sur la troisième. Quant à l'option 1, elle est fausse : un livre immobile exerce bel et bien une force sur la table qui le supporte.

12. Le poids d'un objet est une force :

    • A.verticale, dirigée vers le bas, appliquée au centre de masse de l'objetBonne réponse
    • B.horizontale, appliquée au point de contact avec le support
    • C.verticale, dirigée vers le haut
    • D.égale à la masse de l'objet et exprimée en kilogrammes

    Réponse : A — verticale, dirigée vers le bas, appliquée au centre de masse de l'objet

    Le poids modélise l'attraction exercée par la Terre sur l'objet : sa direction est la verticale du lieu, son sens est vers le bas, son point d'application est le centre de masse et sa valeur vaut P = m × g, en newtons. L'option 3 décrirait plutôt la réaction d'un support, dirigée vers le haut. L'option 4 confond le poids, qui est une force en newtons dépendant du lieu, et la masse, qui s'exprime en kilogrammes et reste identique partout dans l'univers.