Physique 3e by Groupe De Boeck

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Des manuels clairs et attrayants • Conformes au nouveau programme de sciences de la Communauté française • Illustré de nombreux dessins et photos d’expériences • Une mise en page claire et structurée en couleurs • Des expériences et des exercices proches du réel de l’élève

Ce manuel de Physique 3e s’adresse aux élèves de 3e qui suivent le cours de sciences de base (3 périodes/semaine) ou de sciences générales (5 périodes/semaine). En conformité avec les nouveaux programmes de sciences de la Communauté française, il propose des outils pédagogiques de qualité afin d’éveiller la curiosité ainsi que la démarche et le raisonnement scientifiques. Il permet d’acquérir les savoirs et savoir-faire à mettre en œuvre au deuxième degré. Il s’inscrit également dans la réalisation de tâches. Illustré par de nombreux dessins et photographies d’expériences réalisées en classe en couleur, chaque chapitre de Physique 3e est organisé selon la même séquence. Après une mise en situation et une phase d’appropriation des concepts et de la démarche scientifique, la rubrique «Exercices et tâches» propose une grande variété d’applications, d’exercices et de situations de réflexion. Savoirs et savoir-faire sont rappelés en fin de chapitre comme autant de ressources à intégrer. Un index, en fin d’ouvrage, reprend les principaux concepts de physique étudiés.

ISBN : 978-2-8041-0513-6

www.deboeck.com PHY3

Denis Sculier • Dominique Waterloo

Sciences de base et Sciences générales

Physique 3e

Physique 3

3 Sciences de base et Sciences générales Denis Sculier Dominique Waterloo

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Sommaire Avant-propos .......................................................................................................................

III

Légende des pictogrammes ....................................................................................................

Chapitre 1

Représentation d’une force ...........................................................................

Chapitre 2

La loi de Hooke .............................................................................................

Chapitre 3

Actions réciproques.......................................................................................

Chapitre 4

Composition de forces ..................................................................................

Chapitre 5

Centre de gravité ...........................................................................................

Chapitre 6

Équilibre statique d’un solide posé sur un plan horizontal ............................

Chapitre 7

Équilibre statique d’un solide posé sur un plan incliné .................................

Chapitre 8

Équilibre statique d’un objet – le levier .........................................................

Chapitre 9

Équilibre statique de poulies fixe et mobile...................................................

Chapitre 10 Électrostatique...............................................................................................

Chapitre 11 La vitesse de la lumière .................................................................................

Chapitre 12 Propagation de la lumière..............................................................................

Chapitre 13 Réflexion de la lumière .................................................................................. 105 Chapitre 14 Réfraction de la lumière................................................................................. 111 Chapitre 15 Les lentilles et l’œil ........................................................................................ 121 Index .................................................................................................................................... 137

139

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Avant-propos Ce manuel de Physique 3e a été conçu en conformité avec le contenu et les compétences visés par le nouveau programme. Il s’adresse aux élèves de 3e qui suivent le cours de sciences de base (3 périodes/semaine) ou de sciences générales ( 5 périodes/semaine).

L’objectif de ce manuel est d’amener les élèves à :

• acquérir et structurer des connaissances ; • exercer et maîtriser des savoir-faire ; • développer des compétences. Il s’inscrit également dans la réalisation des tâches : Famille 1 – Décrire, expliquer un phénomène ou le fonctionnement d’un objet, prévoir l’évolution d’un phénomène. Famille 2 – Mener à bien une recherche expérimentale. Famille 4 – Présenter sous une autre forme une information, un concept, un processus ou un phénomène naturel. Il est à noter que la famille de tâches 2 n’est pas à certifier pour le cours de sciences de base. Le manuel est illustré par de nombreux dessins et photographies d’expériences réalisées en classe. Après une mise en situation et une phase d’appropriation des concepts et de la démarche scientifique, la rubrique « Exercices et tâches » propose une grande variété d’applications, d’exercices et de situations de réflexion. Savoirs et savoir-faire sont rappelés en fin de chapitre comme autant de ressources à intégrer. Un index, en fin d’ouvrage, reprend les principaux concepts de physique et permet de retrouver aisément la ou les pages qui les mentionne(nt). Ce manuel est un outil de travail que chaque professeur enrichira de sa personnalité et de son expérience et dont il adaptera librement l’usage à la spécificité de chacune de ses classes. Nous tenons à remercier les auteurs du manuel Physique 4e, Philippe Capelle, Philippe Godts et Emmanuel Thiran, pour leurs précieux conseils. Les auteurs

III

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Actions réciproques

Une force n’est jamais seule ! À partir d’une situation concrète (un objet posé sur un plan horizontal, une joueuse de tennis qui frappe une balle…), tu identifieras les forces qui agissent sur cet objet et tu rechercheras s’il est en équilibre statique ou tu appliqueras le principe des actions réciproques en schématisant les forces concernées.

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Mise en situation Ce livre est soumis à la force pesanteur (son poids G) : aucun effet de cette force n’est perçu (déformation ou modification du mouvement). Quelle réponse penses-tu apporter à cette apparente contradiction ?

Le symbole du poids est aussi parfois noté P !

Appropriation de concepts 1. Rappels 1. Schéma expérimental

3. Représentation vectorielle

L’aimant A repousse l’aimant B mais l’aimant A recule lui aussi

Aimant A

Aimant B

Le point objet A

Le point objet B

F B/A

F A/B

pôle N pôle N Il existe une force qui agit de A sur B et une force réciproque qui agit de B sur A.

2. Interprétation et modélisation L’objet A « agit »sur l’objet B et, réciproquement, l’objet B « agit » sur l’objet A

⇒

Chapitre 3

B/A

A/B

⇒

Ces deux forces ont même droite d’action mais de sens opposés. Elles ont la même valeur mais agissent sur des points distincts (chaque point d’application appartient à l’objet qui subit la force).

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2. Réponse à la mise en situation 1. Photographie

détend jusqu’à ce qu’elle exerce une force de 600 N sur la personne. Le bureau est composé de molécules qui sont connectées entre elles par des liens flexibles. On peut donc imaginer que ce bureau se déforme de manière microscopique, ce qui a pour effet de produire une force qui tend à redonner au support sa forme initiale. Les caractéristiques de cette force sont :

• point d’application : point de contact entre le livre et le bureau mais situé sur le livre ; • droite d’action : verticale (comme le poids du livre) ; • sens : vers le haut (car opposé au poids du livre) ; • intensité : égale à celle du poids du livre. D’une part, cette force exercée par le banc (B) Pour expliquer cette situation, on peut, par analogie, comparer le livre posé sur le bureau à la personne sur le trampoline.

2. Observation et interprétation Livre

Molécules

Bureau

Liens flexibles intermoléculaires Quand la personne est placée sur la toile du trampoline et est au repos, celle-ci se détend de telle sorte qu’elle repousse la personne avec une force dont l’intensité est égale à celle du poids de la personne. En d’autres termes, puisque cette personne pèse 600 N, la toile se

sur le livre (L) se note : F B/L . D’autre part, la force exercée par le livre (L) sur le banc (B) est notée F L/B et a pour caractéristiques :

• point d’application : point de contact entre le bureau et le livre, mais situé sur le bureau ; • droite d’action : verticale ; • sens : vers le bas ; • intensité : égale au poids du livre. Ces deux forces F B/L et F L/B sont appelées actions réciproques car elles ont :

• la même droite d’action ; • les sens opposés ; • la même intensité ; • les points d’application situés sur le banc pour F L/B et sur le livre pour F B/L .

Actions réciproques

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3. Représentation vectorielle

4. Équilibre F B/L

F B/L

Livre

Bureau

B A

Bureau G

Le livre posé sur le bureau est en équilibre parce qu’il subit deux forces qui se compensent :

F L/B F L/B : force exercée par le livre sur le banc → le point d’application (A) est situé sur le banc.

• la force exercée par la Terre (son poids G appliqué en C*) ;

• la force exercée par le bureau qui soutient le

F B/L : force exercée par le banc sur le livre → le point d’application (B) est situé sur le livre.

livre ( F B/L ) .

FL/B = FB/L

Les points d’application sont situés sur le même objet (le livre).

Les points d’application sont situés sur des objets différents.

* Voir chapitre sur le centre de gravité.

Exercices et tâches 1. Exemples résolus Situation

Raquette

Modélisation

B/R

⇒

Balle

Chapitre 3

Représentation vectorielle

R/B

⇒

F B/R

F R/B

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Situation

Modélisation

Athlète

Représentation vectorielle F P/A

⇒

P/A A

⇒

Plinth

A/P

F A/P

2. Exercices 1. Complète le tableau Situation

Modélisation

Représentation vectorielle

Cygne

Eau

Actions réciproques

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2. Voilà comment on explique généralement

4. Pourquoi les pompiers doivent-ils tenir

le fait que le clou s’enfonce dans une planche en bois quand on frappe avec le marteau.

fermement leur lance d’incendie quand ils éteignent un feu ?

5. Quand on quitte une barque, il est nécesL’action du marteau est plus importante que la résistance de la planche

saire de l’attacher à la berge : explique, schématise et représente vectoriellement la situation.

6. Schématise et représente vectoriellement un objet maintenu en suspension par une main grâce à une ficelle.

Résistance de la planche

Action du marteau transmise par le clou Cette représentation est erronée : justifie par le principe des actions réciproques. Rédige un texte explicatif et dessine une représentation vectorielle.

Fil

Remarque : le poids des objets est négligé.

3. Explique, en utilisant le principe des actions réciproques, le recul d’une arme à feu lors d’un tir.

Objet

Ressources à intégrer Savoir-faire

Savoirs

• Modéliser et représenter vectoriellement des

• Donner les caractéristiques des forces

actions réciproques.

• Énoncer les caractéristiques des forces. • Représenter vectoriellement les forces qui agissent sur un corps en équilibre.

• Résoudre des exercices. • Montrer que la résultante des forces agissant sur un corps en équilibre est nulle.

• Résoudre des applications nouvelles. 20

Chapitre 3

d’actions réciproques.

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Composition de forces

Dans la vie courante, plusieurs forces agissent en même temps sur un corps. Il est essentiel de trouver leur résultante (force unique dont les effets sont identiques à ceux des autres forces conjuguées) : cela permet de déterminer les renforts à construire pour supporter l’effort global, d’anticiper les trajectoires subies par ce corps. La méthode du polygone des forces ou la translation sont des outils adéquats pour composer ces forces.

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Mise en situation

1. Forces alignées de même sens

Une voiture est en panne. Ses deux occupants essayent de la déplacer. Quelles sont les caractéristiques de la force unique qui va remplacer les deux autres forces ?

2. Forces alignées de sens opposés Lors d’un concours interclasses, deux élèves s’affrontent au tir à la corde. Celui qui tire vers la droite gagne le concours. Quelles sont les caractéristiques de la force unique qui remplace ces deux forces ?

Chapitre 4

3. Forces concourantes

Comme les occupants n’ont pas pu déplacer la voiture en panne (voir page 25), deux autres véhicules y sont attelés. Quelles sont les caractéristiques de la force unique qui remplace ces deux forces ?

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Appropriation de concepts

1. Forces alignées de même sens 1. Expérience a. Rôle de la poulie Les photographies suivantes montrent que la poulie fixe ne modifie pas l’intensité d’une force. Elle change la droite d’action et/ou le sens.

b. Illustration Le poids de la masse m1 transmis par l’intermédiaire de la poulie représente la force exercée ( F 1 ) par le premier occupant sur la voiture. Le poids de la masse m2 transmis par la deuxième poulie représente la force exercée ( F 2 ) par le deuxième passager.

Le crochet (représentant la voiture) est maintenu en équilibre par le dynamomètre qui indique l’intensité de la force équilibrante. Celle-ci neutralise l’action cumulée de F 1 et F 2 appelée force résultante ( R ) . Composition de forces

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c. Interprétation

Échelle : 1 cm

Quand on trace la résultante R , les forces

Le point A (le crochet) est soumis aux forces

F 1 et F 2 ne devraient plus être dessinées puisqu’elles sont remplacées. En réalité, on devrait tracer

F 1 et F 2 (horizontales vers la droite). La force unique qui remplace F 1 et F 2 est la résultante que nous recherchons. Pour maintenir l’équilibre, le dynamomètre exerce une force équilibrante Fe (horizontale vers la gauche) qui est directement opposée à

ou A

F1 F2

Il faut donc toujours avoir à l’esprit que lorsqu’on trace R , ses composantes deviennent fictives.

la force résultante R . Puisque Fe est horizontale vers la gauche et vaut 3,5 N, alors la résultante R de F 1 et F 2 est horizontale vers la droite et a une intensité de 3,5 N.

2. Synthèse A

2. Forces alignées de sens opposés 1. Expérience a. Illustration

F1 F2

Échelle : 1 cm

R anneau 1N

La résultante de deux forces est la force unique qui les remplace. Celle-ci est équivalente à l’ensemble des deux forces F 1 et F 2 agissant simultanément. La résultante ( R ) de deux forces alignées de même sens a :

• pour droite d’action, celle de ses composantes ; • pour sens, celui de ses composantes ( F 1

F 1 est horizontale vers la gauche et vaut 2 N ;

et F 2 ) ;

Pour garder l’anneau en équilibre, le dynamo-

• pour intensité, la somme des intensités

mètre exerce une force équilibrante (horizontale

des composantes ( R = F 1 + F 2 ).

L’anneau est soumis à deux forces opposées :

Chapitre 4

F 2 est horizontale vers la droite et vaut 5 N.

vers la gauche) de 3 N. ( Fe )

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3. Forces concourantes

b. Interprétation

1. Définition

F1 Échelle : 1 cm

F2 1N

L’anneau représenté par A est soumis aux

Des forces sont dites concourantes si leurs droites d’action se coupent. Elles ne sont donc pas alignées.

forces F 1 et F 2 (horizontales et opposées). Pour maintenir l’équilibre, le dynamomètre exerce une force Fe (horizontale vers la gauche) de 3 N. Puisque Fe est horizontale vers la gauche et vaut 3 N, alors la résultante R de F 1 et F 2 est horizontale vers la droite et a une intensité de 3 N.

2. Synthèse

F1 Échelle : 1 cm

a. Illustration Le poids de la masse m1, transmis par l’intermédiaire de la poulie, représente la force ( F 1 ) exercée par un des véhicules sur la voiture en panne. Le poids de la masse m2, transmis par l’autre poulie, représente la force ( F 2 ) du second véhicule. L’anneau (représentant la voiture) est maintenu en équilibre par le dynamomètre qui exerce la force équilibrante.

2. Expérience

Celle-ci neutralise la résultante ( R ) de F 1 et F2 .

La résultante ( R ) de deux forces alignées de sens opposés a la même droite d’action que ses composantes, le sens de la plus grande des deux forces et pour intensité, la différence d’intensité de ses composantes (en valeur absolue).

anneau

b. Interprétation

F1 ou

A A

L’ombre portée permet de tracer la droite d’action de F 1 .

Composition de forces

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R F2

A Fe 1 cm

Par la même technique, les droites d’action de F 1 F 2 et F e sont représentées.

0,5 N

Puisque la force équilibrante F e neutralise la résultante ( R ) , celle-ci est directement opposée à F e . Sur ce schéma, R remplace F 1 et F 2 . On doit donc supprimer dans cette représentation vectorielle F 1 et F 2 .

R F1

Les vecteurs F 1 , F 2 et F e sont dessinés à l’échelle.

1 cm

0,5 N

Par construction géométrique, on constate que R est la diagonale du parallélogramme construit sur F 1 et F 2 .

A Fe 1 cm

Chapitre 4

0,5 N

Lors de cette expérience, il arrive que des imprécisions expérimentales ne permettent pas d’obtenir une résultante qui soit exactement la diagonale du parallélogramme.

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c. Synthèse

parallèle à F1

parallèle à F2 R1

F2 m2

F1 A A

La résultante ( R ) de deux forces concourantes est représentée vectoriellement par la diagonale du parallélogramme construit sur les vecteurs figurant ces deux forces. m1

d. Visualisation de la force résultante

Dans cette expérience, les trois objets ont la même masse : elles subissent chacune une force pesanteur de même intensité. Ces forces, par l’intermédiaire des poulies, sont transmises à l’anneau. De ce fait, par symétrie, les angles formés par les droites d’action de ces forces au point A valent chacun 120°. Le poids de la masse m3 neutralise la résul-

m3 m1

tante ( R ) des deux autres forces. Puisque G est vertical vers le bas, la résultante est verticale vers le haut. Pour la visualiser, il suffit de retirer la masse m3 et d’observer le déplacement du point A.

Composition de forces

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e. Réponse à la mise en situation Il arrive que des forces concourantes ne s’appliquent pas au point de concours (O) de leurs droites d’action. Pour les composer, et ainsi en déterminer la résultante, il suffit de faire « glisser » les forces sur leur droite d’action.

F1 A O

F1 O

R F2

Chapitre 4

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Exercices et tâches

1. Exercice résolu

F2 F1

A F4

R 1 est la résultante des forces F 1 et F 2 : cela signifie que R 1 remplace ces deux forces qui ne seront donc plus prises en considération dans les constructions suivantes. R 1 remplace F 1 et F 2 . On doit donc supprimer, dans cette représentation vectorielle, F 1 et F 2 .

R1 Photographie d’une expérience montrant l’équilibre d’un anneau soumis à quatre forces concourantes.

Les forces F 1 , F 2 , F 3 et F 4 , transmises à l’anneau par l’intermédiaire des poulies sont représentées vectoriellement. Pour construire la résultante ( R ) de ces forces, on applique la règle du parallélogramme de proche en proche.

A F4

De même, R est la résultante des forces R 1 et F 3 . Celle-ci est directement opposée à F 4 . De ce fait, le système est en équilibre.

Composition de forces

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Dans cette représentation vectorielle, on doit

Si tu joins l’origine A à l’extrémité de ce vec-

supprimer F 1 , F 2 , R 1 et F 3 car R les

teur F 3 translaté, tu obtiens la résultante ( R ).

remplace ! Tu constates que lorsqu’un corps est en équilibre, le polygone des forces est fermé.

F2 F1 R1

R F2

A R F4

A F4

Pour obtenir la résultante ( R ) , on peut aussi utiliser une autre méthode : la translation vectorielle.

Tu obtiens une résultante qui a les mêmes caractéristiques que celle obtenue précédemment si tu changes l’ordre de translation des forces dans le tracé du contour polygonal. Tu peux constater à nouveau que le polygone des forces est fermé lors de l’équilibre.

Celle-ci rend la construction plus aisée dans le cas de forces multiples. En décodant le document ci-contre, tu découvres qu’il suffit de tracer le contour polygonal suivant : à l’extrémité de F 1 , tu translates la force F 2 et, à l’extrémité de la force translatée, tu réalises la translation de F 3.

F2 F1 R A

Dès lors, tu dois supprimer chaque force après sa translation.

2. Exercices

F2 F1

1. Lors d’un concours interclasses, deux élèves tirent en opposition sur une corde. Le premier exerce une force de 250 N vers la gauche et son adversaire une force de 300 N.

A F4

Chapitre 4

Représente vectoriellement la situation et détermine les caractéristiques de la résultante.

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2. Construis la résultante dans les situations suivantes. a.

F1 = 160 N

F2 = 280 N

F3 = 300 N

F2 = 375 N

F1 = 450 N

3. Un livre est soumis à deux forces formant un angle de 60˚ ( F 1 = F 2 = 5 N ). Détermine la résultante par construction.

4. Un objet est soumis à deux forces perpendiculaires F 1 et F 2 . On applique une troisième force pour maintenir cet objet en équilibre. Choisis, parmi les situations proposées, celle qui remplit cette condition. Justifie ton choix.

Composition de forces

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5. Dans laquelle de ces trois situations l’objet réduit en un point reste-t-il immobile ? F1

F2 F1

F2 F2

6. Trois forces de 10 N chacune agissent sur un objet selon le schéma ci-contre. Détermine par construction les caractéristiques de la résultante ( R ) de ces trois forces.

45˚ 45˚

7. Un arbre vient d’être abattu. Quatre personnes munies de cordes conjuguent leurs efforts pour le déplacer. Construis, par translation, la résultante de ces forces.

F1 = 500 N

F2 = 400 N

F3 = 4000 N

F4 = 600 N

Chapitre 4

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8. Un alpiniste blessé est évacué par quatre guides de montagne. Recherche, par translation, la résultante ( R ) appliquée à la civière qu’ils doivent amener au sommet afin de la rendre accessible à l’hélicoptère.

F1 = 800 N F2 = 750 N F4 = 650 N F3 = 900 N

Ressources à intégrer Savoir-faire

Savoirs

• Construire le modèle d’une force équili-

• Connaître les caractéristiques de la force

brante.

• Utiliser ce modèle pour rendre compte des faits observés.

• Conduire une démarche en utilisant la force

résultante : – de forces alignées de même sens et de sens opposés ; – de forces concourantes.

équilibrante pour découvrir la force résultante de forces alignées ou concourantes.

• Résoudre des applications graphiques et numériques sur les forces équilibrantes et résultantes.

• Construire la force résultante par la méthode du parallélogramme et de la translation.

• Utiliser ses acquis dans des situations nouvelles.

• Résoudre des applications concrètes. Composition de forces

Physique 3

Sciences de base et Sciences générales

Plus d’infos ? Contactez Jean-Raymond Jehu : 978-2-8041-0513-6 au 0476 396ISBN 247 jeanraymond.jehu@deboeck.be PHY3