Physique 5/6 - Manuel - Sciences de base - Chapitre 3 by VAN IN

Sciences de base

Ce manuel s’adresse aux élèves de 5e et 6e année en Sciences de base. Son objectif est d’amener les élèves à :

MANUEL

> acquérir et structurer des ressources, > exercer et maîtriser des savoir-faire, > développer des compétences. Grâce à la place donnée à l’expérimentation au sein d’une nouvelle mise en pages moderne et dynamique, ce manuel donnera à l’élève le goût et l’envie d’appréhender cette discipline, en lui fournissant les bases solides, tant théoriques qu’expérimentales, de tout le programme de Physique vu en 3e année, en sciences de base et en sciences générales. Il s’accompagne de vidéos (via des codes QR) qui permettent d’apporter un éclairage supplémentaire sur la matière étudiée et placent ce Physique 5e et 6e pleinement dans l’enseignement de demain !

PHYSIQUE

Des ouvrages clairs et attrayants conformes au dernier référentiel de sciences de la FWB une place importante donnée à l’expérimentation une nouvelle mise en pages dynamique illustrés de nombreux dessins et photos d’expériences originales des mises en situation et des exercices proches du quotidien des élèves

ISBN 978-2-8041-9823-7 597843

9 782804 198237

MANUEL

5-6e

Plaisir et désir d’apprendre la physique : tel est l’un des objectifs de ce manuel ! Cet apprentissage permettra aux jeunes de décoder et de résoudre des situations auxquelles ils sont et seront confrontés. Ils se prépareront ainsi à trouver leur place de citoyens dans le monde technoscientifique qui est le nôtre et à y agir de façon responsable.

5 6 e

Yv o n n e Ve r b i s t - S c i e u r Alain Bribosia Luc Nachtergaele Emmanuel Thiran

vanin.be

Sciences de base

Udiddit, la plateforme d’apprentissage en ligne pour les élèves et les enseignants La plateforme Udiddit te donne, par exemple*, accès à : - des exercices en ligne pour t’entraîner, - un aperçu de tes progrès et de tes résultats, - du matériel de cours, - des jeux captivants, - et bien plus encore... * En fonction de la méthode

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Physique 5e-6e – Sciences de base – Manuel Auteurs : Yvonne Verbist-Scieur Alain Bribosia Luc Nachtergaele Emmanuel Thiran Couverture : [nor] production Maquette : Nord Compo Mise en pages : Softwin

L’éditeur s’est efforcé d’identifier tous les détenteurs de droits. Si, malgré cela, quelqu’un estime entrer en ligne de compte en tant qu’ayant droit, il est invité à s’adresser à l’éditeur. Les photocopieuses sont d’un usage très répandu et beaucoup y recourent de façon constante et machinale. Mais la production de livres ne se réalise pas aussi facilement qu’une simple photocopie. Elle demande bien plus d’énergie, de temps et d’argent. La rémunération des auteurs, et de toutes les personnes impliquées dans le processus de création et de distribution des livres, provient exclusivement de la vente de ces ouvrages. En Belgique, la loi sur le droit d’auteur protège l’activité de ces différentes personnes. Lorsqu’il copie des livres, en entier ou en partie, en dehors des exceptions définies par la loi, l’usager prive ces différentes personnes d’une part de la rémunération qui leur est due. C’est pourquoi les auteurs et les éditeurs demandent qu’aucun texte protégé ne soit copié sans une autorisation écrite préalable, en dehors des exceptions définies par la loi. © Éditions VAN IN, Mont-Saint-Guibert – Wommelgem, 2022, De Boeck publié par VAN IN Tous droits réservés. En dehors des exceptions définies par la loi, cet ouvrage ne peut être reproduit, enregistré dans un fichier informatisé ou rendu public, même partiellement, par quelque moyen que ce soit, sans l’autorisation écrite de l’éditeur. 1re édition, 2022 ISBN 978-2-8041-9856-5 D/2022/0078/59 Art. 601239/01

AVANT-PROPOS « L’imagination est beaucoup plus importante que le savoir. » « C’est le rôle essentiel du professeur d’éveiller la joie de travailler et de connaître. » Albert Einstein (1879-1955) Ce manuel Physique 5e/6e, qui s’inscrit résolument dans la perspective des nouveaux référentiels de Sciences1, s’adresse aux élèves de 5e et 6e années qui suivent 3 périodes de sciences par semaine (Sciences de base). Ce manuel développe 4 unités d’acquis d’apprentissage (UAA) et est articulé autour de 8 thèmes. Chaque UAA présente plusieurs compétences à développer. Les développements attendus sont répartis en trois catégories : • expliciter des connaissances (C) : acquérir et structurer des ressources ; • appliquer (A) : exercer et maîtriser des savoir-faire ; • transférer (T) : développer des compétences. Compétences et processus sont identifiés pour chaque UAA à la fin du manuel. À la lumière de ces objectifs, ce manuel a pour but d’amener l’élève à acquérir un certain nombre de compétences de manière à : • confronter ses conceptions et représentations aux modèles scientifiques en s’appropriant un bagage suffisant ; • maîtriser les notions apprises pour les mobiliser dans des situations, en identifiant les outils scientifiques pertinents et en les mettant en œuvre pour mener à bien une tâche ; • exercer son esprit critique vis-à-vis des développements scientifiques, c’est-à-dire les analyser dans leur contexte et considérer qu’ils sont une réponse partielle aux problèmes posés ; • développer sa curiosité, le goût pour les sciences et de l’intérêt pour le monde qui l’entoure. Le contenu de ce manuel est très riche, c’est un fait ! Les auteurs ont décidé de ne pas choisir à la place des professeurs mais de leur présenter un outil de travail que chacun enrichira de sa personnalité et de son expérience et dont il adaptera librement l’usage à la spécificité et aux attentes de chacune de ses classes, de l’intérêt et de la curiosité des élèves ou de l’actualité. Présentée en quadrichromie, cette nouvelle édition, jalonnée de rubriques colorées telles que « Expérience », « Activité », « Retenons que… », « Définition », ou encore « Apps », fait à nouveau la part belle à l’expérimentation, fondamentale en sciences, et aux questions et exercices, qui terminent chaque chapitre. Les pages « L’écho de la science » attisent la curiosité par des prolongements particulièrement intéressants. En outre, des QR Codes permettent, grâce à l’application Sésame, de visionner des vidéos de contenu pour un apprentissage complet ! Enfin un index détaillé se trouve en fin d’ouvrage. Tous ces outils devraient aider l’élève à « apprendre pour comprendre » et progressivement accéder à plus d’autonomie dans ses apprentissages. Nous remercions nos amis anciennement co-auteurs, Michel Vanderperren et Emmanuel Walckiers, pour l’enrichissement apporté par le partage des idées et des expériences. Nous remercions aussi tous les collègues qui, au cours de nos publications, ont partagé leurs avis et suggestions visant à améliorer notre travail ! Nous n’oublierons pas une mention particulière pour nos éditeurs, toujours soucieux de produire un outil aussi agréable que possible tant pour les professeurs que pour les jeunes utilisateurs. Chers lecteurs, les auteurs vous souhaitent beaucoup de satisfaction à l’usage de ce manuel ! 1 www.ejustice.just.fgov.be/mopdf/2014/04/17_1_2.pdf, entre les pages 32853 et 32860 du moniteur belge du 17 avril 2014 ; Annexe II : Compétences terminales et savoirs requis en Sciences de base

Ce manuel comporte 4 unités d’acquis d’apprentissage (UAA). Chaque UAA est découpée en chapitres (voir table des matières en fin de manuel) présentant chacun la même structure.

Les textes repris en pavés jaunes sont des points de repères essentiels : énoncés, lois, définitions, conclusions, principes, synthèses, mais aussi activités.

Les expériences inscrites dans les pavés bleus sont réalisées soit par le professeur, soit par les élèves. Elles peuvent illustrer les différents concepts qui seront abordés dans la suite du chapitre, ou bien faire découvrir des règles ou des lois.

Certaines activités à réaliser via des applications pour tablettes ou smartphones sont proposées dans des pavés verts.

Les questions et exercices permettent à l’élève de tester sa compréhension de la matière, de s’entraîner, d’intégrer ses acquis dans des situations courantes et de se préparer à une évaluation certificative. 4

Les pavés mauves fournissent des rappels de certaines notions ou permettent aux lecteurs curieux de découvrir certains détails concernant le chapitre abordé.

Des exercices résolus ou de dépassement sont présentés dans des pavés verts.

L’écho

de la science

Performance énergétique des bâtiments La Performance Énergétique des Bâtiments ou PEB est une directive européenne datant de 2002. Celle-ci s’inscrit dans le cadre d’une meilleure gestion de l’énergie et de la lutte contre le réchauffement climatique. Un certificat PEB est obligatoire pour tous les bâtiments. Il impose : • un audit énergétique pour les bâtiments qui sont mis en vente (appartements y compris) ; • une norme énergétique maximale à ne pas dépasser pour tout nouveau bâtiment, maison ou immeuble à appartements.

De plus, le manuel est parsemé de pages « L’écho de la science » où les élèves pourront approfondir certaines notions.

La maison passive

n Belgique, la plupart des maisons unifamiliales, construites avant 1996, consomment pour le chauffage en moyenne près de 300 kWh par m2 et par an (en 2011). Depuis quelques années, des maisons passives qui ne consomment pratiquement pas d’énergie traditionnelle (mazout, gaz, électricité pour le chauffage) sont construites en Belgique. Ces maisons consomment 15 kWh d’énergie par m2 et par an, soit moins que l’énergie nécessaire au fonctionnement d’un petit radiateur électrique durant un an. Quelles sont les techniques utilisées pour arriver à ce résultat ?

Ces documents, liés à l’actualité et aux domaines scientique, historique, technologique, etc. étoffent les chapitres et invitent les élèves à développer leur curiosité pour « en savoir plus ».

Dans une maison, les pertes de chaleur ont lieu par conduction thermique à travers murs, toit, fenêtres ainsi que par les sorties d’air. Plus un matériau est épais, plus il sera isolant du point de vue thermique. D’autre part, en construction, les matériaux sont souvent associés. Ainsi un mur peut être plein et constitué d’un seul matériau, ou constitué de plusieurs parties, par exemple : un mur creux sera constitué d’un parement en briques, d’un isolant et de blocs de béton de soutien. Une bonne isolation d’un mur permet de réduire les pertes d’un facteur 5 ; même gain pour le double

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vitrage par rapport au simple vitrage ; l’isolation du sol de la cave peut réduire les pertes d’un facteur 7. D’autres techniques sont utilisées. Citons par exemple : – l’orientation adéquate de la maison pour bénéficier d’un maximum d’ensoleillement ; – le choix de l’emplacement des vitrages ; – la suppression de tous les ponts thermiques, c’està-dire des passages thermiques entre l’intérieur et l’extérieur de la maison (voir figure ci-dessous) ; – l’apport d’énergie thermique par de l’air provenant de tuyaux enterrés dans le sol à une profondeur de deux mètres (à cette profondeur le sol ne gèle pas sous nos latitudes). Cet air est ensuite préchauffé avant de circuler dans la maison. Cette technique s’appelle puits canadien ou puits provençal ; – les murs capables de restituer la nuit la chaleur solaire emmagasinée le jour ; – la construction mitoyenne ; – etc. Mais toutes ces innovations techniques ont un coût : construire une maison passive coûte près de 20 % en plus qu’une maison traditionnelle. Mur extérieur

Isolation et parement Risque de condensation en hiver

Fuite d’énergie Isolant

Pont thermique d’un plancher

Thème 6 Gestion de l’énergie

1. Télécharge l’application « Sésame » des Éditions Van In.

2. Scanne le QR code sur la page : tu auras directement accès à la vidéo ! 5

Ciném Marcher, courir, sauter, nager, voler sont des mouvements que nombre d’êtres vivants sont capables de réaliser. Même les astres du ciel sont en mouvement. Qui plus est, l’homme a confectionné bon nombre d’engins qui lui assurent une mobilité sans cesse améliorée. Face à ce foisonnement de mouvements, la physique s’est évertuée à les catégoriser et à les décrire. Ce que nous ferons sous l’intitulé général de « cinématique ».

THÈME 1

atique Chapitre 1 Déplacement et vitesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Chapitre 2 Les mouvements accélérés.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Chapitre 3 La chute libre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

La chute libre

Un objet lâché d’une certaine hauteur tombe vers le sol et sa vitesse augmente en fonction de la durée de la chute. En absence de frottements, la chute est dite « libre ». Dans ce cas, position et vitesse de l’objet peuvent être calculées par les lois du mouvement accéléré.

Sommaire I. Un peu d’histoire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 II. Objets en chute libre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 III. Le mouvement de chute libre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

UAA1 Électricité

IV. Questions et exercices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

I. Un peu d’histoire Depuis longtemps, la chute des corps a été un objet d’étude : comment et pourquoi les corps tombent-ils ? L’histoire des réponses est très longue ; il faut attendre Galilée et Newton pour voir clair…

1. Aristote Commençons par le philosophe grec Aristote (ive s. avant J.C.) : ses conceptions sont encore enseignées au début du xviie s., même si elles sont de plus en plus contestées. Comme d’autres philosophes, il admet que tout Figure 3.1 objet est composé, dans Aristote des proportions diverses, de quatre éléments fondamentaux : terre, eau, air et feu. Et chacun de ces éléments possède un lieu naturel dans l’Univers ; par exemple le lieu naturel de l’élément terre est en bas, au centre de l’Univers qui est le centre de la Terre, tandis que pour l’élément feu le lieu naturel est en haut, au-dessus de l’air. Dès lors une pierre, composée surtout de l’élément terre, tombe pour rejoindre son lieu naturel, tandis que l’air chaud qui comporte l’élément feu, monte… Si les corps dits pesants tombent, c’est donc à cause de leur nature, de leur composition intrinsèque : la chute n’est pas causée par une action extérieure (comme dans les conceptions modernes). De quelle manière se déroule la chute ? Aristote pense qu’après un bref intervalle au cours duquel sa vitesse augmente, un corps tombe avec une vitesse constante. Et il affirme que cette vitesse est proportionnelle à son poids : plus un corps est lourd (c’est-à-dire comporte une grande proportion de l’élément terre), plus il tombe rapidement car sa tendance à occuper son lieu naturel est plus forte. La vitesse de chute dépend aussi de la résistance du milieu : une pierre tombe plus lentement dans l’eau que dans l’air. Aristote en tire un argument pour affirmer que le vide n’existe pas : dans le vide la résistance serait évidemment nulle, et par conséquent la vitesse de chute serait infinie, ce qui est absurde.

On voit que les affirmations d’Aristote sont en accord avec certaines observations banales : un caillou tombe plus vite qu’un petit morceau de tissu ou qu’une plume ; mais dans ses écrits il n’y a aucune mesure pour justifier ses affirmations.

2. Quelques opposants L’histoire a gardé des traces de quelques contestataires des conceptions d’Aristote concernant la chute des corps. Car, peu à peu, les savants se détachent des discours pour s’attacher aux faits observés. • Vers l’an 520, Jean Philopon (né à Alexandrie à la fin du ve s.) réfute le point de vue d’Aristote : si on laisse tomber à partir d’une même hauteur deux poids dont l’un est beaucoup plus lourd que l’autre, on constate que le rapport des durées des mouvements ne dépend pas du rapport des poids, mais que la différence de durée est très petite. En 1586, dans son • ouvrage De beghinselen der weeghconst (« Les principes de l’art de peser »), Simon Stevin, né à Bruges, raconte avoir réalisé avec Jan Cornets De Groot dit Grotius, bourgFigure 3.2 mestre de Delft, des Simon Stevin expériences de chutes de corps (sans doute depuis la tour de la Nieuwe Kerk de Delft). – Lorsqu’ils laissent tomber de 30 pieds de hauteur (environ 10 m) deux sphères de plomb, l’une dix fois plus lourde que l’autre, on n’entend qu’un seul choc lorsque les sphères arrivent au sol. Ceci Figure 3.3 contredit l’affirmaJan Grotius tion d’Aristote selon laquelle la vitesse de chute est proportionnelle au poids. 3 • La chute libre

– En revanche, lors d’une autre expérience, ils ont laissé tomber de 5 ou 6 pieds un brin de coton et un paquet de coton fortement serré : le brin de coton mit 25 fois plus de temps que le paquet pour arriver au sol. Cette observation est assez conforme aux conceptions d’Aristote. Stevin n’a pas approfondi davantage l’étude de la chute des corps, étant surtout intéressé par les situations d’équilibre.

3. Galilée Concernant bien des questions, Galilée est un antiaristotélicien convaincu, voire acharné. C’est le cas à propos de la chute des corps. Il affirme vers 1602 que la vitesse de chute est la même pour Figure 3.4 tous les corps. ComGalilée (1564-1642) ment procède-t-il ? Tout d’abord, Galilée, voulant étudier avec précision le mouvement des corps, comprend qu’il faut pour cela isoler au maximum le phénomène physique à étudier, et le libérer de tout phénomène parasite. Pour ce faire, il faut négliger les forces de frottement. (Pour Aristote, ceci aurait été absurde, car, sans résistance, les mouvements seraient infiniment rapides.) Les expériences dont il parle sont toujours choisies de façon à ce que ce soit le cas. a) I l aurait laissé tom ber du haut de la tour de Pise divers corps de nature et poids différents et n’aurait constaté que des différences minimes en ce qui concerne les durées de chute, différences qu’il attribue Figure 3.5 au frottement de La tour de Pise l’air. Mais il est probable qu’en fait, Galilée n’a jamais réalisé cette expérience !

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Thème 1 Cinématique

b) Il peut montrer grâce à un raisonnement par l’absurde la fausseté de l’affirmation d’Aristote. Supposons avec Aristote qu’un corps plus massif tombe plus vite qu’un corps léger. Alors, si on attache à l’aide d’une ficelle une grosse pierre et une petite pierre et qu’on les lâche, la grosse pierre devrait être ralentie dans son mouvement de chute par la petite. Donc le couple petite pierre et grosse pierre tombe moins vite que la grosse pierre toute seule. Or le couple petite pierre et grosse pierre est plus lourd que la grosse pierre seule ; il devrait donc, selon Aristote, tomber plus vite que la grosse pierre seule ! La supposition d’Aristote est donc fausse. Aristote affirme :

Galilée se pose la question :

v3 = ?

v1 < v2

v1 < v3 < v2 ? Absurde, dit Galilée (voir texte)

Figure 3.6

c) Une autre piste peut l’avoir amené à la conclusion. En mesurant les mouvements d’oscillations de divers pendules (objets de petites dimensions attachés à l’extrémité d’un fil), il constate que la période ne dépend pas de la masse ni de la nature de l’objet suspendu : un pendule lourd n’oscille pas plus vite qu’un pendule léger de même longueur. Il considère que le mouvement du pendule est comme une chute, mais ralentie ; il transpose alors la conclusion concernant le pendule au mouvement de chute : les corps tombent à la même vitesse, quel que soit leur poids. Quelle sorte de mouvement est le mouvement de chute : uniforme, accéléré, etc. ? Le mouvement de chute est trop rapide pour que Galilée puisse effectuer des mesures. En revanche, il étudie de façon expérimentale le

mouvement de différents mobiles sur un plan incliné (fig. 3.7) ; il est le premier à définir correctement le concept d’accélération, à dégager les formules du MRUA et à conclure que le mouvement sur un plan incliné est un MRUA. Cette constatation est valable, indépendamment de l’inclinaison du plan. Galilée conclut que c’est vrai aussi pour une chute verticale. Figure 3.7

Fresque de Giussepe Bezzuoli, Specola Museum, Florence.

II. Objets en chute libre 1. Objets lâchés dans l’atmosphère terrestre Alors que les feuilles d’arbres tombent en virevoltant, les pommes, elles, tombent verticalement. La feuille de papier abandonnée à elle-même a aussi un parcours sinueux avant d’atteindre le sol, tandis que la même feuille roulée en boule chute verticalement. On conçoit que c’est l’air atmosphérique qui oblige les feuilles, légères et étendues, à s’y frayer un chemin en zigzag. Attachons-nous dès lors à observer la chute d’objets à symétrie sphérique pour s’en tenir à des trajectoires verticales. Remarquons que les objets que nous laissons tomber démarrent d’une position arrêtée et font certainement l’objet d’une accélération, en tout cas au début du mouvement. Nous avons la conviction, basée sur certaines observations, que les objets lourds tombent plus vite (ou mieux : avec une plus grande accélération) que les objets légers. Par exemple, les grosses gouttes de pluie arrivent au sol avec une vitesse assez importante tandis que les fines gouttelettes tombent tellement lentement qu’elles semblent flotter dans l’air. Et pourtant… Reprenons la feuille de papier roulée en boule, ainsi qu’un morceau de craie ou un boulon ou une clé. Le premier objet a une masse plus petite que le second. Lachés en même temps d’une hauteur d’homme, ils arrivent au sol quasiment en même temps. S’il y a de légères différences, elles ne sont en tout cas pas en proportion des deux masses.

La complication vient de ce que, non seulement la masse de l’objet (et donc en conséquence le poids) intervient dans la manière de tomber, mais aussi les frottements dus à l’air atmosphérique. Pour clarifier, il faudrait pouvoir faire abstraction du rôle de l’air.

2. Chute libre DÉFINITION La chute libre est une chute d’objets à la surface de la Terre sous la seule action de la force poids, en absence de tout frottement dû à la traversée de l’air atmosphérique. Comme l’atmosphère est omniprésente, une chute réellement libre semble irréaliste. Cependant pour des objets denses et pour des chutes sur de courtes distances, les frottements dus à l’air peuvent être considérés comme négligeables. C’est ce que nous supposerons dans la suite. Dans le vocabulaire du parachutisme, la « chute libre » consiste à sauter à grande altitude et à n’ouvrir son parachute qu’à quelques centaines de mètres du sol. Cette technique (Free Fly, en anglais) n’est en rien une chute libre au regard du physicien car, peu de temps après avoir quitté l’avion, la vitesse de chute cesse d’augmenter et se stabilise à cause des frottements de l’air sur le parachutiste. C’est alors que le parachutiste effectue différentes figures acrobatiques. 3 • La chute libre

3. Observation de chutes libres EXPÉRIENCE 1 Pour travailler en absence de tout frottement, on peut utiliser, par exemple, un tube en verre, pourvu à son extrémité d’un robinet permettant de le raccorder à une pompe à vide. Dans ce tube, dit de « Newton », sont placés une plume et une bille en plomb. Lorsqu’on laisse ces deux objets chuter dans le tube rempli d’air, la plume tombe plus lentement que la bille de plomb (fig. 3.8 a). Lorsque le vide d’air est réalisé dans le tube, les deux objets chutent en atteignant le bas du tube en même temps (fig. 3.8 b).

Figure 3.8

Ce type d’expériences maintes fois répétées dans les laboratoires de physique a montré que, dans le vide d’air, tous les corps, quelles

que soient leur masse et leur surface, chutent en effectuant le même mouvement accéléré et en atteignant le sol en même temps.

EXPÉRIENCE 2 Cette propriété de la chute libre peut même être observée dans l’atmosphère en comparant la chute d’objets qui offrent peu de prise à l’air relativement à leur poids, et en les laissant tomber d’une hauteur de chute pas trop importante. Il en est ainsi des billes de verre, d’acier, ou encore de différentes

pièces de monnaies : lachons-en deux en même temps, nous percevons des bruits d’impact qui ne se distinguent pas l’un de l’autre. Ces objets relativement denses, mais néanmoins de masses différentes, atteignent le sol en même temps.

EXPÉRIENCE 3 Une autre manière de mener ce genre d’expérience est de comparer la chute d’une pièce de monnaie avec la chute d’une rondelle de papier de même dimension que la pièce. Lâchée séparément, la rondelle de papier atteint le sol plus tard que la pièce (fig. 3.9 a) ; le papier offre une résistance

à l’air qui n’est pas négligeable par rapport à son poids. Plaçons la rondelle de papier au-dessus de la pièce (fig. 3.9 b) et lâchonsles : elles tombent en même temps. La rondelle de papier, à l’abri de la pièce de monnaie, ne subit plus le frottement de l’air.

Figure 3.9 a Figure 3.9 b

36 36

Thème 1 Cinématique

III. Le mouvement de chute libre Des mesures de temps de chute pour différentes distances montrent que le mouvement accéléré de l’objet se fait avec une accélération constante. Comme de plus la chute se déroule en ligne droite, le mouvement de l’objet qui tombe est donc un MRUA. Les résultats des mesures donnent une valeur de l’accélération de 9,81 m/s2 (dans nos régions). Nous pouvons écrire pour un objet en chute libre, initialement au repos (v0 = 0) et partant de la position x0 = 0 (axe OX orienté vers le bas dans le sens du mouvement), les équations du MRUA décrivant sa vitesse vt et sa position xt à l’instant t : a (chute libre) = g = 9,81 m/s2 vt = g · t xt =

g · t2 2

Si on lance un objet vers le haut, la force poids ralentit le mouvement de l’objet avec une décélération constante de 9,81 m/s2. Il s’agira

dans ce cas d’un MRUD. Nous pouvons alors écrire pour un tel objet lancé vers le haut avec une vitesse initiale v0 à partir d’une position initiale x0, (l’axe OX orienté vers le haut dans le sens du mouvement) les équations suivantes : a (freinage vertical) = - g = - 9,81 m/s2 vt = v0 - g · t g · t2 xt = x0 + v0 · t 2

CONCLUSION 1. En chute libre, tous les objets tombent selon le même mouvement rectiligne uniformément accéléré. 2. Dans nos régions, la valeur de l’accélération en chute libre est égale à 9,81 m/s2. Cette valeur est symbolisée par g et appelée accélération due à la pesanteur. 3. La valeur de g est indépendante de la masse de l’objet.

3 • La chute libre

IV. Questions et exercices hélicoptère en vol stationnaire laisse tom1 Un ber des colis de vêtements d’une hauteur de 200 m. En supposant que la descente de ces objets est une chute libre, calculer : a) la durée de la chute jusqu’au sol ; b) la vitesse du colis au moment du contact avec le sol. n ballon de football est envoyé verticale2 U ment vers le haut avec une vitesse initiale de 15,0 m/s. Calculer : a) la hauteur maximale atteinte ; b) la durée de la montée. 3 L a chute des corps légers ne se fait pas vraiment comme une chute libre. Commenter les deux chronophotographies ci-après et construire la conclusion qui peut être tirée de chacune d’elles. Dans la première (fig. 3.10 a), trois cônes l’un en papier léger, le second en papier épais, le troisième en carton sont lâchés en même temps d’une même hauteur. Dans la seconde (fig. 3.10 b), trois ballons de baudruche identiques, mais gonflés différemment, sont aussi lâchés en même temps d’une même hauteur.

Figure 3.10 b

4 L ’autrichien Félix Baumgartner est un parachutiste de l’extrême. Le 14 octobre 2012, il s’élance depuis une nacelle accrochée à un ballon à une altitude record de 38 969 m. Après 48,5 secondes de chute, il est à 28 369 m d’altitude et il est le premier homme à franchir le mur du son en chute « libre » : il dépasse la vitesse de 1 342 km/h ! Au final, il reste en chute « libre » pendant 4 minutes et 19 secondes en parcourant 36 402 m, il bat ainsi un second record ! À ce moment, il ouvre enfin son parachute. Il met alors un peu plus de 5 minutes pour atterrir sain et sauf sur le sol à 1 500 m d’altitude.

a) Vérifier si, dans la première phase de mouvement, la chute est véritablement « libre » en supposant une accélération de pesanteur constante de 9,81 m/s2. b) Calculer la vitesse moyenne de sa chute sans parachute.

Figure 3.10 a

38 38

Thème 1 Cinématique

5 L a chute d’une balle dans l’air et celle d’une bille dans un tube en verre rempli d’huile ne sont pas identiques comme le montre les deux chronophotographies ci-contre. Commenter les deux photos et construire la conclusion qui peut être tirée de leur comparaison.

Figure 3.11 a Figure 3.11 b

3 • La chute libre

Sommaire Avant-propos ��3 Comment utiliser ce manuel ? ��4

Thème 1 CINÉMATIQUE (UAA5) Chapitre 1 Déplacement et vitesse....................................................................................................................................... 8 I. Mobile sur une trajectoire rectiligne................................................................................................................................ 9 II. Mobile sur un trajet non-rectiligne................................................................................................................................13 III. Relativité des mouvements..............................................................................................................................................15 IV. Questions et exercices.......................................................................................................................................................16 Chapitre 2 Les mouvements accélérés.............................................................................................................................18 I. Accélération d’un mobile sur une trajectoire rectiligne........................................................................................19 II. Notions d’accélérations instantanée et moyenne..................................................................................................21 III. Loi de la position d’un objet mobile en MRUA........................................................................................................23 IV. Vecteur accélération...........................................................................................................................................................25 V. Le mouvement rectiligne uniformément décéléré (MRUD)............................................................................26 VI. Synthèse : MRU, MRUA et MRUD.................................................................................................................................27 VII. Distance de freinage d’une automobile....................................................................................................................28 VIII. Questions et exercices....................................................................................................................................................30 Chapitre 3 La chute libre.........................................................................................................................................................32 I. Un peu d’histoire.....................................................................................................................................................................33 II. Objets en chute libre............................................................................................................................................................35 III. Le mouvement de chute libre.........................................................................................................................................37 IV. Questions et exercices.......................................................................................................................................................38

Thème 2 DYNAMIQUE (UAA5) Chapitre 1 Le principe d’inertie............................................................................................................................................42 I. Un peu d’histoire.....................................................................................................................................................................44 II. Principe d’inertie....................................................................................................................................................................45 III. Questions et exercices.......................................................................................................................................................46 Chapitre 2 La loi fondamentale de la dynamique.........................................................................................................48 I. Direction et sens de la force résultante et du vecteur accélération...............................................................49 II. Relation entre intensité de la force résultante et grandeur de l’accélération...........................................50 III. Applications de la loi fondamentale de la dynamique.........................................................................................53 IV. Questions et exercices.......................................................................................................................................................56 Sommaire

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Chapitre 3 Les actions réciproques ou principe d’action-réaction.....................................................................58 I. Énoncé du principe des actions réciproques.............................................................................................................61 II. Applications..............................................................................................................................................................................61 III. Questions et exercices.......................................................................................................................................................63 Chapitre 4 La dynamique du mouvement circulaire uniforme..............................................................................64 I. Étude cinématique.................................................................................................................................................................65 II. Étude dynamique...................................................................................................................................................................67 III. Questions et exercices.......................................................................................................................................................69 Chapitre 5 La sécurité des véhicules et des automobilistes...................................................................................70 I. Sécurité des véhicules dans les virages.........................................................................................................................71 II. Sécurité des automobilistes lors de collisions.........................................................................................................73 III. Questions et exercices.......................................................................................................................................................78

Thème 3 FORCE DE GRAVITATION UNIVERSELLE (UAA8) Chapitre 1 Les astres et leurs mouvements...................................................................................................................82 I. Observations au cours d’une journée...........................................................................................................................83 II. Observations de la Lune au cours d’un mois............................................................................................................84 III. Observations du Soleil au cours d’une année.........................................................................................................85 IV. Observations des planètes...............................................................................................................................................86 Chapitre 2 Les modèles du système solaire....................................................................................................................88 I. Modèles de l’Antiquité..........................................................................................................................................................89 II. Le modèle héliocentrique de Copernic.......................................................................................................................90 III. L’œuvre de Galilée................................................................................................................................................................93 IV. L’œuvre de Johannes Kepler...........................................................................................................................................96 V. Questions et exercices........................................................................................................................................................97 L’écho de la science : repérage de la position d’un astre.........................................................................................98 Chapitre 3 Newton et la force de gravitation universelle......................................................................................100 I. De Copernic à Newton......................................................................................................................................................101 II. La gravitation universelle.................................................................................................................................................102 III. Applications..........................................................................................................................................................................106 IV. Questions et exercices....................................................................................................................................................108 L’écho de la science : Fécondité de la théorie de Newton...................................................................................109

Thème 4 OSCILLATIONS ET ONDES MECANIQUES (UAA6) Chapitre 1 Des oscillations aux ondes................................................................................................................................112 I. Les oscillations......................................................................................................................................................................113 II. Les oscillateurs couplés...................................................................................................................................................116 III. Les ondes et leurs caractéristiques...........................................................................................................................117 IV. Questions et exercices....................................................................................................................................................121 L’écho de la science : quelques applications pratiques de la résonance.......................................................122

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Sommaire

Chapitre 2 L’onde sonore.....................................................................................................................................................124 I. Production d’une onde sonore......................................................................................................................................125 II. Résonance acoustique......................................................................................................................................................125 III. Propagation de l’onde sonore......................................................................................................................................126 IV. Visualisation électrique du signal sonore...............................................................................................................127 V. Caractéristiques d’un son...............................................................................................................................................128 VI. Dangers des sons trop intenses.................................................................................................................................132 VII. Questions et exercices..................................................................................................................................................134 L’écho de la science : L’acouphène, une maladie......................................................................................................135 Chapitre 3 Propriétés des ondes......................................................................................................................................136 I. Réflexion des ondes............................................................................................................................................................137 II. Réfraction des ondes........................................................................................................................................................140 III. Diffraction des ondes......................................................................................................................................................143 IV. Interférences d’ondes à la surface de l’eau............................................................................................................145 V. L’effet Doppler.....................................................................................................................................................................147 VI. Questions et exercices...................................................................................................................................................149 L’écho de la science : L’effet Doppler en médecine................................................................................................151

Thème 5 ONDES ÉLECTROMAGNÉTIQUES (UAA6) Chapitre 1 Électromagnétisme..........................................................................................................................................154 I. Le champ magnétique.......................................................................................................................................................155 II. Les courants induits...........................................................................................................................................................158 III. Le courant alternatif.........................................................................................................................................................161 IV. Les transformateurs.........................................................................................................................................................163 V. Questions et exercices.....................................................................................................................................................165 Chapitre 2 Les différentes ondes électromagnétiques..........................................................................................166 I. Découverte des ondes électromagnétiques...........................................................................................................167 II. Histoire de la détermination de la vitesse de la lumière...................................................................................168 III. Le spectre électromagnétique....................................................................................................................................170 IV. Questions et exercices....................................................................................................................................................179 L’écho de la science : Les dangers des ondes utilisées en téléphonie mobile............................................180

Thème 6 GESTION DE L’ÉNERGIE (UAA7) Chapitre 1 La thermodynamique......................................................................................................................................184 I. Les besoins en énergie mécanique..............................................................................................................................185 II. Conservation de l’énergie................................................................................................................................................186 III. Transformation d’énergie thermique en énergie mécanique........................................................................187 IV. La centrale électrique thermique..............................................................................................................................189 V. Calcul du rendement d’appareils domestiques.....................................................................................................191 VI. Machine frigorifique et pompe à chaleur..............................................................................................................192 VII. Questions et exercices..................................................................................................................................................194 L’écho de la science : Petite histoire des machines thermiques........................................................................195 Sommaire

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Chapitre 2 Les énergies renouvelables..........................................................................................................................196 I. Les énergies primaires.......................................................................................................................................................197 II. L’énergie éolienne...............................................................................................................................................................198 III. L’énergie solaire..................................................................................................................................................................200 IV. La biomasse..........................................................................................................................................................................202 V. Questions et exercices.....................................................................................................................................................205 L’écho de la science : Performance énergétique des bâtiments.......................................................................206

Thème 7 RADIOACTIVITÉ ET ÉNERGIE NUCLÉAIRE (UAA7) Chapitre 1 La radioactivité...................................................................................................................................................210 I. Une découverte surprenante.........................................................................................................................................211 II. Trois types de rayonnements........................................................................................................................................211 III. Les réactions de désintégration..................................................................................................................................212 IV. Propriétés des rayonnements radioactifs..............................................................................................................214 V. Décroissance radioactive................................................................................................................................................216 VI. Questions et exercices...................................................................................................................................................218 L’écho de la science : Le radon, une radioactivité toute naturelle...................................................................219 Chapitre 2 Les forces à l’intérieur du noyau................................................................................................................220 I. L’interaction nucléaire forte...........................................................................................................................................221 II. Équivalence masse-énergie............................................................................................................................................222 III. Les réactions nucléaires.................................................................................................................................................224 IV. Questions et exercices....................................................................................................................................................227 L’écho de la science : La tomographie par émission de positons.....................................................................228 Chapitre 3 Le réacteur nucléaire......................................................................................................................................230 I. Une réaction en chaîne.....................................................................................................................................................231 II. Le combustible nucléaire................................................................................................................................................231 III. Le contrôle de la réaction en chaîne........................................................................................................................232 IV. L’énergie libérée.................................................................................................................................................................233 V. Déchets et sécurité............................................................................................................................................................234 VI. Questions et exercices...................................................................................................................................................235 L’écho de la science : Les accidents nucléaires.........................................................................................................236

Thème 8 LA TERRE ET LE COSMOS (UAA8) L’écho de la science : voyage au centre de l’Univers......................................................................................................240 Chapitre 1 Vie sur Terre et effet de serre....................................................................................................................242 I. Paramètres conditionnant la vie sur Terre...............................................................................................................243 II. Une vie sur d’autres planètes ?.....................................................................................................................................246 III. Atmosphère et température terrestres..................................................................................................................247 IV. Effet de serre et changement climatique...............................................................................................................248 V. Le bilan radiatif moyen de la Terre.............................................................................................................................250 VI. Questions et exercices...................................................................................................................................................253 294 294

Sommaire

Chapitre 2 Physique du Soleil et des étoiles...............................................................................................................254 I. La physique du Soleil..........................................................................................................................................................255 II. Vie et mort des étoiles.....................................................................................................................................................256 III. Étoiles de seconde génération....................................................................................................................................258 IV. Questions et exercices....................................................................................................................................................259 Chapitre 3 Cosmologie..........................................................................................................................................................260 I. L’Univers en expansion......................................................................................................................................................261 II. Théorie du Big Bang..........................................................................................................................................................262 III. Conséquences du Big Bang...........................................................................................................................................263 IV. Avant le Big Bang ?............................................................................................................................................................264 V. Questions et exercices.....................................................................................................................................................265 L’écho de la science : Albert Einstein et Georges Lemaître.................................................................................266 UAA, compétences et processus.....................................................................................................................................267 Annexes............................................................................................................................................................................................271 I. Calcul numérique.................................................................................................................................................................271 II. Données numériques et constantes physiques....................................................................................................275 Réponses des « Questions et exercices » numériques....................................................................................278 Bibliographie.................................................................................................................................................................................281 Index....................................................................................................................................................................................................283 Crédits................................................................................................................................................................................................288

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