Forces et interactions

Exercices corrigés

1. Quelle est l'unité de mesure d'une force ?

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

   Réponse : B — Le newton (N)

   Une force se mesure en newtons, du nom d'Isaac Newton. Le kilogramme mesure une masse, pas une force : c'est la confusion la plus fréquente du chapitre. Le joule est l'unité d'énergie et le pascal celle de pression.

2. Avec quel instrument mesure-t-on une force ?

   • A.Une balance
   • B.Un chronomètre
   • C.Un dynamomètreBonne réponse
   • D.Un voltmètre

   Réponse : C — Un dynamomètre

   Le dynamomètre mesure les forces en newtons : il fonctionne grâce à un ressort qui s'allonge d'autant plus que la force est grande. La balance, elle, mesure une masse en kilogrammes. Le voltmètre mesure une tension électrique et le chronomètre une durée.

3. Quelle relation permet de calculer le poids d'un objet ?

   • A.P = m / g
   • B.P = g / m
   • C.P = m + g
   • D.P = m × gBonne réponse

   Réponse : D — P = m × g

   Le poids est le produit de la masse par l'intensité de pesanteur : P = m × g, avec P en newtons, m en kilogrammes et g en newtons par kilogramme. On peut le retrouver par les unités : des kg multipliés par des N/kg donnent bien des N, les kg se simplifiant. Une division ne donnerait pas la bonne unité.

4. Quelle est la valeur approximative de l'intensité de pesanteur g sur Terre ?

   • A.9,8 N/kgBonne réponse
   • B.1,6 N/kg
   • C.9,8 kg
   • D.100 N/kg

   Réponse : A — 9,8 N/kg

   Sur Terre, g vaut environ 9,8 N/kg, valeur que l'on arrondit souvent à 10 N/kg pour simplifier les calculs. La valeur 1,6 N/kg est celle de la Lune. Attention à l'unité : g s'exprime en newtons par kilogramme, jamais en kilogrammes, car il indique combien de newtons de poids correspondent à chaque kilogramme de masse.

5. Un astronaute emporte un outil sur la Lune. Que deviennent sa masse et son poids ?

   • A.La masse et le poids diminuent tous les deux
   • B.La masse reste la même, le poids diminueBonne réponse
   • C.La masse diminue, le poids reste le même
   • D.Ni la masse ni le poids ne changent

   Réponse : B — La masse reste la même, le poids diminue

   La masse mesure la quantité de matière de l'outil : elle ne dépend pas du lieu, donc elle est identique sur la Lune. Le poids, lui, est la force d'attraction exercée par l'astre ; comme g vaut environ 1,6 N/kg sur la Lune contre 9,8 N/kg sur Terre, le poids est divisé par environ 6. C'est exactement ce qui explique les bonds des astronautes.

6. Quelles sont les quatre caractéristiques d'une force ?

   • A.Sa masse, sa vitesse, sa direction et sa durée
   • B.Sa longueur, sa couleur, son sens et son unité
   • C.Son point d'application, sa direction, son sens et sa valeurBonne réponse
   • D.Son point d'application, sa masse, son intensité et sa trajectoire

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

   Une force est entièrement définie par quatre éléments : le point d'application (où elle s'exerce), la direction (la droite qui porte la flèche), le sens (le côté vers lequel pointe la flèche) et la valeur en newtons (traduite par la longueur de la flèche selon l'échelle choisie). Une force n'a ni masse, ni vitesse, ni trajectoire : ce sont des propriétés de l'objet, pas de la force.

7. Quelles sont la direction et le sens du poids d'un objet sur Terre ?

   • A.Direction verticale, sens vers le basBonne réponse
   • B.Direction horizontale, sens vers la droite
   • C.Direction verticale, sens vers le haut
   • D.Direction vers le bas, sens vertical

   Réponse : A — Direction verticale, sens vers le bas

   Le poids est dirigé selon la verticale du lieu, et son sens est orienté vers le bas, c'est-à-dire vers le centre de la Terre. Attention à la dernière proposition, qui inverse les deux mots : la direction désigne la droite (ici la verticale) et le sens précise ensuite de quel côté on va sur cette droite (ici vers le bas). Cette distinction est très souvent évaluée.

8. Un objet dont le poids vaut 720 N sur Terre a quelle masse ? (on prend g = 10 N/kg)

   • A.7200 kg
   • B.720 kg
   • C.72 kgBonne réponse
   • D.7,2 kg

   Réponse : C — 72 kg

   On part de P = m × g, donc m = P / g = 720 / 10 = 72 kg. Vérification en sens inverse : 72 × 10 = 720 N, c'est cohérent. Répondre 7200 kg reviendrait à multiplier par g au lieu de diviser, et donnerait une masse de plus de sept tonnes pour un objet dont le poids correspond à celui d'un adulte.

9. Une combinaison spatiale a une masse de 60 kg. Quel est son poids sur la Lune, où g vaut 1,6 N/kg ?

   • A.600 N
   • B.60 N
   • C.37,5 N
   • D.96 NBonne réponse

   Réponse : D — 96 N

   P = m × g = 60 × 1,6 = 96 N. Vérification par une autre voie : 60 × 1,6 = 60 + 60 × 0,6 = 60 + 36 = 96, c'est bien cohérent. Répondre 600 N donnerait le poids sur Terre (avec g = 10 N/kg), et 37,5 N (= 60 / 1,6) vient d'une division au lieu d'une multiplication. Contrôle de vraisemblance : sur la Lune, le poids doit être environ six fois plus petit que sur Terre, et 600 ÷ 6 fait bien à peu près 96.

10. La Terre attire la Lune. Que peut-on dire de l'action de la Lune sur la Terre ?

    • A.La Lune n'exerce aucune action sur la Terre, car elle est trop petite
    • B.La Lune attire aussi la Terre : l'interaction est réciproqueBonne réponse
    • C.La Lune repousse la Terre, ce qui l'empêche de tomber
    • D.La Lune n'attire la Terre que lorsqu'elle est pleine

    Réponse : B — La Lune attire aussi la Terre : l'interaction est réciproque

    Une interaction est toujours réciproque : si la Terre attire la Lune, alors la Lune attire la Terre avec une force de même valeur, de même direction mais de sens opposé. C'est d'ailleurs cette attraction lunaire qui déforme les océans et provoque les marées. La différence de masse ne supprime pas l'interaction : elle explique seulement que ce soit la Lune qui orbite autour de la Terre. Et les phases de la Lune ne sont qu'un effet d'éclairage par le Soleil, sans rapport avec la gravitation.

11. Sur Terre, une caisse a un poids de 600 N. On prend g = 10 N/kg sur Terre et g = 1,6 N/kg sur la Lune. Quel serait son poids sur la Lune ?

    • A.375 N
    • B.60 N
    • C.96 NBonne réponse
    • D.960 N

    Réponse : C — 96 N

    Il faut passer par la masse, qui est la seule grandeur commune aux deux astres. Sur Terre : m = P / g = 600 / 10 = 60 kg. Cette masse est identique sur la Lune. Donc P(Lune) = m × g(Lune) = 60 × 1,6 = 96 N. L'erreur classique consiste à appliquer directement 600 × 1,6 = 960 N, ce qui reviendrait à donner un poids plus grand sur la Lune : impossible, puisque la Lune attire moins que la Terre. Contrôle : 600 ÷ 96 vaut environ 6,25, on retrouve bien le rapport attendu entre les deux astres.

12. Parmi ces situations, laquelle correspond à une interaction à distance ?

    • A.Un aimant qui attire un trombone posé à quelques centimètresBonne réponse
    • B.Une main qui pousse une porte
    • C.Une raquette qui frappe une balle
    • D.Le sol qui soutient une table

    Réponse : A — Un aimant qui attire un trombone posé à quelques centimètres

    Dans une interaction à distance, les deux objets n'ont pas besoin de se toucher : c'est le cas de l'aimant et du trombone, mais aussi de la gravitation. Les trois autres situations supposent toutes un contact direct entre les objets, ce sont donc des interactions de contact.