CH2 — Forces et mouvement
Seconde physique-chimie • Actions mécaniques • Forces • Poids • Principe d’inertie • Interaction gravitationnelle
🔴 Méthode obligatoire pour les corrections d’exercices
Dans les exercices, on ne retient pas des formules transformées “par cœur”. On part toujours de la formule du cours, puis on fait le travail littéral avant l’application numérique.
Formule du cours :
On veut isoler t. On multiplie d’abord par t :
Puis on divise par v :
Seulement après, on remplace par les valeurs numériques.
Objectifs du chapitre
Ce chapitre reprend le contenu du cahier : actions mécaniques, modélisation par une force, poids, principe d’inertie, forces usuelles, actions réciproques et interaction gravitationnelle. Les schémas du cahier sont reconstruits proprement et le cours est enrichi avec des exercices locaux, sportifs et technologiques.
Je dois savoir modéliser
Une action mécanique par une force représentée par un vecteur.
Je dois savoir calculer
Le poids, une masse, une intensité de pesanteur ou une force gravitationnelle.
Je dois savoir raisonner
Utiliser le principe d’inertie et sa contraposée pour relier forces et mouvement.
Repère programme de seconde :
Le programme officiel de seconde prévoit la modélisation d’une action mécanique par une force, les exemples de forces usuelles gravitation, poids, action d’un support et action d’un fil, ainsi que le principe d’inertie et sa contraposée pour les situations d’immobilité, de mouvement rectiligne uniforme et de chute libre.
I. Action mécanique
Si on veut mettre en mouvement, modifier ou arrêter un mouvement, on doit exercer une action mécanique.
Une action mécanique peut avoir trois effets :
- mettre en mouvement un objet ;
- modifier le mouvement d’un objet ;
- déformer un objet.
Dans le cahier, on peut résumer ainsi :
Action mécanique → modification du mouvement ou déformation.
Exemples :
- Le vent agit sur une voile.
- La main agit sur un ballon.
- Le sol agit sur une roue de vélo.
- La Terre agit à distance sur tous les objets proches d’elle.
II. Modéliser une action par une force
Une force se représente par un vecteur.
Une force est caractérisée par :
- son point d’application ;
- sa direction ;
- son sens ;
- sa valeur, exprimée en newton N.
Notation :
se lit : force exercée par A sur B.
Forces usuelles du chapitre
Poids P⃗
Force gravitationnelle exercée par la Terre sur un objet.
Verticale, vers le bas.
Réaction du support R⃗
Force exercée par un support sur un objet.
Souvent perpendiculaire au support.
Tension T⃗
Force exercée par un fil ou une corde.
Selon la direction du fil.
Frottements f⃗
Force qui s’oppose souvent au mouvement.
Sens contraire au déplacement relatif.
III. Le poids
Le poids P⃗ est la force gravitationnelle exercée par la Terre sur un objet situé à sa surface ou près de sa surface.
- P : valeur du poids en newton N ;
- m : masse de l’objet en kilogramme kg ;
- g : intensité de la pesanteur en N·kg⁻¹ ;
- sur Terre : g ≈ 9,81 N·kg⁻¹.
Caractéristiques du poids
- Point d’application : centre de gravité G ;
- Direction : verticale ;
- Sens : vers le bas ;
- Valeur : P = m × g.
Exercice type — Poids d’un cartable
Déterminer et représenter le poids d’un cartable de masse m = 0,100 kg. On prend g = 9,81 N·kg⁻¹.
Formule du cours :
On cherche P : la formule est déjà sous la bonne forme.
Application numérique :
P = 0,100 × 9,81
P = 0,981 N
Représentation :
Si l’échelle est 1 cm ↔ 1 N, alors la flèche a une longueur proche de 1,0 cm.
IV. Principe d’inertie — 1ère loi de Newton
Si un objet n’est soumis à aucune force ou si les forces qui s’exercent sur lui se compensent, alors son mouvement est soit immobile, soit rectiligne uniforme.
Dans ce cas, le vecteur vitesse ne varie pas : même direction, même sens, même valeur.
Contraposée du principe d’inertie :
Si un système n’est ni immobile ni en mouvement rectiligne uniforme, alors les forces qui s’exercent sur lui ne se compensent pas.
Exercice type — Livre posé sur une table
Un livre de masse m = 300 g est posé immobile sur une table horizontale. On donne g = 9,81 N·kg⁻¹.
- Faire le bilan des forces.
- Calculer le poids du livre.
- Déterminer la valeur de la réaction du support.
Correction :
Forces exercées sur le livre : le poids P⃗ et la réaction normale R⃗ du support.
m = 300 g = 300 × 10⁻³ kg = 0,300 kg
Formule du cours :
On cherche P : la formule est déjà sous la bonne forme.
Application numérique :
P = 0,300 × 9,81
P = 2,94 N
Le livre est immobile. D’après le principe d’inertie, les forces se compensent :
R = P = 2,94 N
Exercice type — Balançoire au point bas
Un enfant passe au point le plus bas de la trajectoire d’une balançoire. Son mouvement est curviligne : la direction de son vecteur vitesse change.
Question :
Les forces exercées sur l’enfant se compensent-elles ?
Réponse :
Non. Le mouvement n’est pas rectiligne uniforme. D’après la contraposée du principe d’inertie :
Les forces ne se compensent pas : ΣF⃗ ≠ 0⃗
V. Exemples de forces usuelles et bilans de forces
Objet posé sur un support horizontal
Forces : P⃗ vers le bas et R⃗ vers le haut.
Si l’objet est immobile : P⃗ + R⃗ = 0⃗.
Objet suspendu à un fil
Forces : P⃗ vers le bas et T⃗ selon le fil vers le point d’attache.
Si l’objet est immobile : P⃗ + T⃗ = 0⃗.
Objet sur un plan incliné
Forces : P⃗, réaction du support, frottements possibles.
Si l’objet accélère : les forces ne se compensent pas.
Chute libre
Si on néglige les frottements, seule la force poids agit.
Le vecteur vitesse varie : ΣF⃗ ≠ 0⃗.
VI. Principe des actions réciproques — 3e loi de Newton
Si A exerce une force sur B, alors B exerce une force sur A. Ces deux forces ont la même direction, la même valeur et des sens opposés.
Exemple :
Le pied pousse le ballon ; le ballon pousse aussi le pied. Ces deux actions existent en même temps.
VII. Interaction gravitationnelle
Deux objets qui possèdent une masse s’attirent mutuellement. Cette interaction est appelée interaction gravitationnelle.
- F : valeur de la force gravitationnelle en N ;
- G : constante universelle de gravitation, G = 6,67 × 10⁻¹¹ N·m²·kg⁻² ;
- mA et mB : masses des deux objets en kg ;
- d : distance entre les centres des deux objets en m.
Exercice type — Terre / Lune
On donne :
- G = 6,67 × 10⁻¹¹ N·m²·kg⁻² ;
- mTerre = 5,97 × 10²⁴ kg ;
- mLune = 7,35 × 10²² kg ;
- d = 3,84 × 10⁸ m.
Calculer la force gravitationnelle exercée par la Terre sur la Lune.
Formule du cours :
On cherche F : la formule est déjà sous la bonne forme.
F = 6,67 × 10⁻¹¹ × (5,97 × 10²⁴ × 7,35 × 10²²) / (3,84 × 10⁸)²
F ≈ 2,0 × 10²⁰ N
Lien entre poids et gravitation
Le poids est un cas particulier de la force gravitationnelle. À la surface de la Terre :
et l’intensité de la pesanteur peut s’écrire :
Comparaison Terre / Lune :
Sur la Lune, l’intensité de la pesanteur vaut environ gLune = 1,6 N·kg⁻¹. Sur Terre, gTerre = 9,81 N·kg⁻¹.
gTerre / gLune ≈ 6
Le poids d’un même objet est donc environ 6 fois plus petit sur la Lune.
VIII. Exercices contextualisés
1. Paddle dans le lagon
Un élève est immobile debout sur un paddle. Le paddle flotte sans accélérer.
- Faire le bilan des forces sur l’élève.
- Que peut-on dire des forces si l’élève reste immobile ?
Correction :
Forces : le poids P⃗ vers le bas et la réaction du paddle R⃗ vers le haut.
Les forces se compensent : P⃗ + R⃗ = 0⃗.
2. Chute d’une noix de coco
Une noix de coco de masse m = 1,2 kg tombe d’un cocotier. On néglige les frottements de l’air.
- Quelle force s’exerce principalement sur la noix de coco ?
- Calculer son poids.
- Les forces se compensent-elles ?
Correction :
La force principale est le poids.
Formule du cours :
On cherche P : la formule est déjà sous la bonne forme.
Application numérique :
P = 1,2 × 9,81
P = 11,8 N
La noix accélère pendant la chute : les forces ne se compensent pas.
3. Vélo sur route horizontale
Un cycliste roule en ligne droite à vitesse constante.
- Comment qualifie-t-on son mouvement ?
- Que peut-on dire de la somme des forces ?
Correction :
Le mouvement est rectiligne uniforme.
D’après le principe d’inertie, les forces se compensent : ΣF⃗ = 0⃗.
4. Drone qui accélère au décollage
Un drone décolle verticalement et sa vitesse augmente.
- Le mouvement est-il uniforme ?
- Les forces se compensent-elles ?
Correction :
Le mouvement n’est pas uniforme car la vitesse augmente.
Les forces ne se compensent pas : ΣF⃗ ≠ 0⃗.
IX. Partie type bac / évaluation — niveau seconde
Cette partie entraîne les élèves à une rédaction structurée : identifier le système, faire le bilan des forces, utiliser une formule, conclure avec le principe d’inertie.
Situation 1 — Skieur tracté par une corde
Un skieur nautique est tracté par un bateau dans le lagon. Pendant une courte phase, il avance en ligne droite à vitesse constante. On étudie le système skieur.
- Nommer le référentiel adapté.
- Citer trois forces pouvant s’exercer sur le skieur.
- Que peut-on dire de la somme des forces pendant cette phase ?
- Justifier à l’aide du principe d’inertie.
Correction détaillée :
1. Le référentiel terrestre lié au rivage ou au bateau si l’on précise le contexte ; le plus simple ici est le référentiel terrestre.
2. Forces : le poids P⃗, la réaction/portance de l’eau, la tension de la corde, éventuellement les frottements de l’eau.
3. Le mouvement est rectiligne uniforme.
Les forces se compensent.
Situation 2 — Ascenseur au démarrage
Un ascenseur de masse m = 600 kg démarre vers le haut. Pendant le démarrage, sa vitesse augmente. On donne g = 9,81 N·kg⁻¹.
- Calculer le poids de l’ascenseur.
- Le mouvement est-il rectiligne uniforme ?
- Les forces exercées sur l’ascenseur se compensent-elles ?
Correction détaillée :
Formule du cours :
On cherche P : la formule est déjà sous la bonne forme.
Application numérique :
P = 600 × 9,81
P = 5,89 × 10³ N
L’ascenseur accélère vers le haut : le mouvement n’est pas uniforme.
Les forces ne se compensent pas : ΣF⃗ ≠ 0⃗.
Situation 3 — Comparer Terre et Lune
Un astronaute a une masse de 80 kg. On donne : gTerre = 9,81 N·kg⁻¹ et gLune = 1,6 N·kg⁻¹.
- Calculer son poids sur Terre.
- Calculer son poids sur la Lune.
- Comparer les deux valeurs.
Correction détaillée :
Formule du cours :
On cherche P : la formule est déjà sous la bonne forme.
Application numérique :
Sur Terre : P = 80 × 9,81
PTerre = 785 N
Sur la Lune : P = 80 × 1,6
PLune = 128 N
Le poids est environ 6 fois plus faible sur la Lune.
📌 Fiche bilan — CH2 Forces et mouvement
Action mécanique
Elle peut mettre en mouvement, modifier le mouvement ou déformer un objet.
Force
Une force modélise une action mécanique.
C’est un vecteur.
Caractéristiques d’une force
Point d’application, direction, sens, valeur en N.
Poids
Vertical, vers le bas, appliqué au centre de gravité.
Support
La réaction du support est souvent perpendiculaire au support.
Fil
La tension d’un fil est dirigée selon le fil.
Principe d’inertie
Si les forces se compensent : immobile ou mouvement rectiligne uniforme.
Contraposée
Si le mouvement n’est pas rectiligne uniforme ou immobile :
Actions réciproques
Même valeur, même direction, sens opposés.
Gravitation
Interaction attractive entre deux masses.
Poids et gravitation
Le poids est un cas particulier de la gravitation.
Pièges classiques
- Confondre masse et poids.
- Oublier de convertir g en kg.
- Dire qu’un objet en mouvement subit forcément une force dans le sens du mouvement.
- Oublier que la vitesse constante implique forces compensées.
Carte mentale
Action mécanique
Mettre en mouvement, modifier, déformer.
Force
Vecteur : point d’application, direction, sens, valeur.
Poids
P = m × g, vertical vers le bas.
Principe d’inertie
Forces compensées → immobile ou MRU.
Contraposée
Si mouvement modifié → forces non compensées.
Gravitation
Attraction entre deux masses : F = GmAmB/d².