La gravitation universelle
Troisième · Physique-Chimie · Mouvements et interactions
Mouvements et interactions
L'interaction gravitationnelle
Pourquoi une pomme tombe-t-elle ? Pourquoi la Lune ne s'échappe-t-elle pas dans l'espace ? Pourquoi les planètes tournent-elles autour du Soleil ? Une seule et même réponse : la gravitation. C'est ce qui rend cette interaction si spectaculaire — elle s'appelle « universelle » parce qu'elle agit partout, du fruit qui tombe jusqu'aux galaxies.
De quoi dépend cette attraction ?
- Des masses des deux objets : plus les masses sont grandes, plus la force d'attraction est grande.
- De la distance qui les sépare : plus les objets sont éloignés, plus la force d'attraction est faible.
- De rien d'autre : ni la couleur, ni la forme, ni la température des objets n'interviennent.
La gravitation organise le système solaire
Le Soleil concentre à lui seul l'immense majorité de la masse du système solaire. C'est son attraction qui maintient les huit planètes sur leurs orbites : Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune. Sans cette force, chaque planète poursuivrait tout droit sa route et quitterait le système solaire.
| Couple d'objets | Qui attire qui ? | Conséquence observable |
|---|---|---|
| Soleil – Terre | Attraction mutuelle, mais le Soleil est bien plus massif | La Terre décrit une orbite autour du Soleil en un an |
| Terre – Lune | Attraction mutuelle | La Lune tourne autour de la Terre en environ 27 jours |
| Terre – satellite artificiel | La Terre attire le satellite | Le satellite reste en orbite au lieu de partir tout droit |
| Terre – objet posé au sol | La Terre attire l'objet | L'objet a un poids et tombe si on le lâche |
Mouvements et interactions
Poids et masse : ne plus jamais les confondre
Dans la vie courante, on dit « je pèse 60 kilos ». En physique, c'est un abus de langage : 60 kg, c'est une masse, pas un poids ! Le poids et la masse sont deux grandeurs différentes, avec des unités différentes et des instruments de mesure différents.
| La masse | Le poids | |
|---|---|---|
| Ce que c'est | Une quantité de matière | Une force d'attraction |
| Symbole | m | P |
| Unité | le kilogramme (kg) | le newton (N) |
| Instrument | la balance | le dynamomètre |
| Sur la Lune | Identique à sur Terre | Environ 6 fois plus petit |
La valeur de g dépend de l'astre : elle est d'autant plus grande que l'astre est massif. C'est pourquoi un même objet ne pèse pas la même chose sur la Lune, sur Mars ou sur Jupiter — alors que sa masse, elle, reste rigoureusement identique.
| Astre | Intensité de la pesanteur g | Poids d'un objet de 10 kg |
|---|---|---|
| La Lune | 1,6 N/kg | 16 N |
| Mars | 3,7 N/kg | 37 N |
| La Terre | 9,8 N/kg | 98 N |
| Jupiter | environ 25 N/kg | environ 250 N |
Représenter le poids.
Le poids est une force, on le représente donc par une flèche (un vecteur) qui part du centre de gravité de l'objet. Sa direction est verticale, son sens est vers le bas (vers le centre de la Terre), et sa longueur est proportionnelle à la valeur du poids, en respectant une échelle du type « 1 cm pour 10 N ».
Exercices corrigés
Comment appelle-t-on l'interaction qui s'exerce entre deux objets possédant une masse ?
- A.L'interaction électrique
- B.L'interaction magnétique
- C.L'interaction gravitationnelleBonne réponse
- D.L'interaction chimique
Réponse : C — L'interaction gravitationnelle
Dès que deux objets ont une masse, ils s'attirent : c'est l'interaction gravitationnelle. L'interaction électrique concerne les charges électriques et l'interaction magnétique les aimants — dans les deux cas, elles peuvent être attractives ou répulsives, contrairement à la gravitation qui n'attire jamais qu'à sens unique.
Quelle relation lie le poids P, la masse m et l'intensité de la pesanteur g ?
- A.P = m × gBonne réponse
- B.P = m / g
- C.m = P × g
- D.g = P × m
Réponse : A — P = m × g
La relation à connaître par cœur est P = m × g, avec P en newtons, m en kilogrammes et g en newtons par kilogramme. On peut la retrouver grâce aux unités : des kg multipliés par des N/kg donnent bien des N. Les autres écritures sont des transformations fautives ; la seule variante correcte est m = P / g, qui sert à retrouver une masse à partir d'un poids.
Quel instrument permet de mesurer directement le poids d'un objet ?
- A.La balance
- B.Le chronomètre
- C.Le dynamomètreBonne réponse
- D.Le thermomètre
Réponse : C — Le dynamomètre
Le dynamomètre mesure des forces : on y suspend l'objet et l'allongement du ressort donne le poids en newtons. La balance, elle, mesure une masse en kilogrammes. Le chronomètre mesure des durées et le thermomètre des températures : aucun rapport avec la gravitation.
Quel est le poids, sur Terre, d'un élève de masse 50 kg ? (g = 9,8 N/kg)
- A.500 N
- B.5,1 N
- C.59,8 N
- D.490 NBonne réponse
Réponse : D — 490 N
P = m × g = 50 × 9,8 = 490 N. La réponse 500 N correspondrait à un calcul approché avec g = 10 N/kg : c'est un bon ordre de grandeur pour vérifier, mais ce n'est pas la valeur exacte demandée. 59,8 N vient d'une addition (50 + 9,8) au lieu d'une multiplication, et 5,1 N d'une division (50 / 9,8).
Quel est le poids d'un astronaute de masse 60 kg sur la Lune, où g = 1,6 N/kg ?
- A.588 N
- B.96 NBonne réponse
- C.37,5 N
- D.60 N
Réponse : B — 96 N
On applique P = m × g avec la valeur lunaire de g : P = 60 × 1,6 = 96 N. Répondre 588 N (soit 60 × 9,8) revient à utiliser la pesanteur terrestre alors que l'énoncé parle explicitement de la Lune — c'est l'erreur la plus fréquente. Répondre 37,5 N vient d'une division (60 / 1,6), et 60 N confond purement et simplement le poids avec la masse.
Sur Terre, un dynamomètre indique un poids de 245 N pour une caisse. Quelle est la masse de cette caisse ? (g = 9,8 N/kg)
- A.25 kgBonne réponse
- B.2401 kg
- C.245 kg
- D.0,04 kg
Réponse : A — 25 kg
On part de P = m × g et on isole la masse : m = P / g = 245 / 9,8 = 25 kg. Vérification immédiate : 25 × 9,8 = 245 N, c'est bien cohérent. Répondre 2401 kg revient à multiplier au lieu de diviser, ce qui donne une caisse de plus de deux tonnes — absurde pour un poids de 245 N. Répondre 245 kg confond le poids et la masse.
Un robot d'exploration a une masse de 20 kg. Quel sera son poids une fois posé sur Mars, où g = 3,7 N/kg ?
- A.196 N
- B.5,4 N
- C.23,7 N
- D.74 NBonne réponse
Réponse : D — 74 N
P = m × g = 20 × 3,7 = 74 N. La valeur 196 N (= 20 × 9,8) serait le poids du robot sur Terre : c'est le piège de l'énoncé, il faut bien prendre le g de Mars. La valeur 5,4 N provient d'une division (20 / 3,7) et 23,7 N d'une addition (20 + 3,7). On peut contrôler le résultat : Mars attire environ 2,6 fois moins que la Terre, et 196 / 74 vaut bien à peu près 2,6.
Un instrument scientifique pèse 78,4 N sur Terre (g = 9,8 N/kg). Quel sera son poids sur la Lune, où g = 1,6 N/kg ?
- A.12,8 NBonne réponse
- B.78,4 N
- C.49 N
- D.480 N
Réponse : A — 12,8 N
Il faut passer par la masse, la seule grandeur qui ne change pas d'un astre à l'autre. Première étape : m = P / g = 78,4 / 9,8 = 8 kg. Deuxième étape : sur la Lune, P = m × g = 8 × 1,6 = 12,8 N. Vérification de bon sens : 78,4 / 12,8 = 6,125, on retrouve bien le rapport d'environ 6 entre la Terre et la Lune. La réponse 49 N vient d'une division directe 78,4 / 1,6 sans passer par la masse, et 480 N d'une multiplication du poids terrestre par la pesanteur lunaire, ce qui n'a aucun sens physique.
Sur une planète inconnue, un objet de masse 2 kg suspendu à un dynamomètre donne une indication de 7,4 N. Quelle est l'intensité de la pesanteur sur cette planète ?
- A.3,7 N/kgBonne réponse
- B.14,8 N/kg
- C.9,8 N/kg
- D.0,27 N/kg
Réponse : A — 3,7 N/kg
On part de P = m × g et on isole g : g = P / m = 7,4 / 2 = 3,7 N/kg. Vérification : 2 × 3,7 = 7,4 N, tout concorde. Répondre 14,8 N/kg revient à multiplier (7,4 × 2) au lieu de diviser, et 0,27 N/kg à inverser la division (2 / 7,4). Quant à 9,8 N/kg, c'est la valeur terrestre : elle ne peut pas convenir ici, sinon l'objet de 2 kg pèserait 19,6 N. Petit bonus de culture : 3,7 N/kg, c'est la pesanteur de Mars.
L'interaction gravitationnelle entre deux corps est :
- A.toujours attractiveBonne réponse
- B.toujours répulsive
- C.attractive ou répulsive selon les masses en présence
- D.attractive uniquement lorsque les objets se touchent
Réponse : A — toujours attractive
La gravitation ne fait jamais que rapprocher : elle est toujours attractive. Contrairement aux aimants ou aux charges électriques, il n'existe pas de « masse négative » qui repousserait. Et elle agit à distance, sans aucun contact : c'est bien pour cela que la Terre peut attirer la Lune située à 384 000 km.
Dans quelle unité s'exprime le poids d'un objet ?
- A.Le kilogramme (kg)
- B.Le newton par kilogramme (N/kg)
- C.Le gramme (g)
- D.Le newton (N)Bonne réponse
Réponse : D — Le newton (N)
Le poids est une force, et toute force se mesure en newtons (N). Le kilogramme et le gramme sont les unités de masse, pas de poids. Quant au newton par kilogramme, c'est l'unité de l'intensité de la pesanteur g, qui n'est ni un poids ni une masse : c'est le facteur qui relie les deux dans P = m × g.
Dans quelle unité s'exprime la masse d'un objet ?
- A.Le newton
- B.Le kilogrammeBonne réponse
- C.Le newton par kilogramme
- D.Le litre
Réponse : B — Le kilogramme
La masse est une quantité de matière : elle se mesure en kilogrammes avec une balance. Le newton est l'unité du poids (une force). Le newton par kilogramme est l'unité de g. Le litre, enfin, mesure un volume : deux objets de même volume peuvent avoir des masses très différentes, selon la matière qui les compose.
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