Sciences pour se qualifier + 5 - Livre-cahier - Chapitre 5

TABLE DES MATIÈRES

THÈME 1

La Terre une planète habitée dans l’univers 6 UAA 11 – ACTIVITÉS HUMAINES ET MODIFICATIONS ENVIRONNEMENTALES

INTRODUCTION 9

JE ME SITUE 10 ACTIVITÉS 11

Activité 1 Les cycles biogéochimiques 11

Activité 2 La pollution, c’est quoi ? 15

Activité 3 Types de pollution 22

Activité 4 Je pollue donc j’agis 27

Activité 5 Pollution et biodiversité 30

À RETENIR 36

APPLICATIONS GLOBALES 37

THÈME 2

La Lumière eT Le son nous permettent d’observer et de communiquer 40 UAA 12 – LES ONDES SONORES

INTRODUCTION 43 ACTIVITÉS 44

Activité 1 Le mouvement vibratoire 44

Activité 2 Les ondes mécaniques sonores 48

Activité 3 Les caractéristiques d’un signal sonore 52

Activité 4 La vitesse de propagation des sons dans différents milieux 59

Activité 5 Les infrasons et les ultrasons 60

Activité 6 Les dangers causés par le son 66

Activité 7 L’isolation phonique 70

À RETENIR 72

APPLICATIONS GLOBALES 73

THÈME 3

L’êTre humain, comme tous les organismes vivants, est constitué de cellules

UAA 13 – LES ORGANISMES VIVANTS CONTIENNENT, UTILISENT ET TRANSMETTENT DE L’INFORMATION GÉNÉTIQUE

INTRODUCTION 79

JE ME SITUE 80 ACTIVITÉS 81

Activité 1 La reproduction, avec ou sans sexe ? 81

Activité 2 La couleur de mes yeux ou de mes cheveux, où est-ce écrit ? 84

Activité 3 L’ADN, comment ça marche ? 89

Activité 4 L’ADN… pour en faire quoi ? 93

Activité 5 La division simple de la cellule ou mitose 100

Activité 6 La division double de la cellule ou méiose 104

Activité 7 Mon père, ma mère et moi, tous pareils mais tous différents ! ................... 110

Activité 8 Quels sont les caractères hérités ? 116

Activité 9 Garçon ou fille ? Le savoir même avant la naissance 122

Activité 10 La science pour un mieux ? 125

À RETENIR 128

APPLICATIONS GLOBALES 130

THÈME 4

INTRODUCTION 135

JE ME SITUE 136 ACTIVITÉS 137

Activité 1 Une solution 137

Activité 2 La concentration 138

Activité 3 La dilution 143

Activité 4 Caractères acide et basique 146

Activité 5 La neutralisation et les sels 155

Activité 6 Notion moderne des acides et des bases 160

Activité 7 Sécurité et étiquettes 162

Activité 8 Les pluies acides et leurs conséquences 168

Activité 9 Lutte contre l’acidité des milieux naturels 172

À RETENIR 175

APPLICATIONS GLOBALES 177

La maTière qui nous entoure 14 – LES SOLUTIONS AQUEUSES

INTRODUCTION

JE ME SITUE 183

Activité 1 Notion de force 183

Activité 2 Première loi de Newton (principe d’inertie) 184

Activité 3 Vitesse 188

Activité 4 Accélération 192

Activité 5 Distance d’arrêt 195

Activité 6 Énergies cinétique et potentielle 200

Activité 7 Énergie mécanique 206

Activité 8 Frottements 210

Activité 9 Deuxième loi de Newton (principe fondamental de la mécanique) 213

Activité 10 Troisième loi de Newton (lois d’actions réciproques) 218

À RETENIR 221

APPLICATIONS

• les de de vitesse, citer leurs

• le principe d’inertie première loi de

• énergies cinétique, préciser de quoi elles dépendent

• Définir l’énergie

• Énoncer le principe de la conservation de l’énergie

• la notion de frottements en déterminer les

• Énoncer le principe fondamental de la mécanique ou deuxième loi de

• Énoncer la loi d’actions réciproques ou troisième loi de

• consignes sécurité

• de manière toute sécurité à

• un protocole

• Exprimer le résultat d’une mesure et d’un calcul

• Analyser et interpréter des résultats d’expériences réalisées en classe

• relation des éléments

• l’information

•

• utilisant le vocabulaire le langage

•

• la d’une

• un exercice vitesse, et temps

• les unités de vitesse

• une distance et un temps

• la première loi de Newton pour expliquer les effets de l’inertie

• une distance d’arrêt à partir de l’abaque de Devilliers

• la distance d’arrêt aux facteurs dont elle dépend

• la pertinence des normes de sécurité routière (ceinture de sécurité, vitesse…)

• le type d’énergie (cinétique, potentielle)

• Identifier les variations d’énergie potentielle et cinétique dans un mouvement simple

• Décrire une situation concrète illustrant la conservation de l’énergie mécanique

• les rôles du frottement lors d’un déplacement

SOMMAIRE 15 SE DÉPLACER EN TOUTE SÉCURITÉ

INTRODUCTION

JE

Activité 1 Notion de force (rappel du premier degré) 183

Activité 2 Première loi de Newton (principe d’inertie) 184

Activité 3 Vitesse 188

Activité 4 Accélération 192

Activité 5 Distance d’arrêt 195

Activité Énergies cinétique et potentielle

Activité Énergie mécanique

Activité

Activité 9 Deuxième loi de Newton (principe fondamental de la mécanique) 213

Activité 10 Troisième loi de Newton (loi d’actions réciproques)

INTRODUCTION

Sur la route, chaque prise de liberté avec le code de la route, chaque comportement à risque peut mettre en péril ta vie, celle des autres passagers de la voiture que tu conduis et celle des autres usagers de la route. Il faut être bien conscient(e) des risques et adopter une conduite responsable : cela reste le meilleur moyen d’éviter des drames.

Lorsque l’on étudie les lois physiques qui permettent de calculer la distance d’arrêt d’un véhicule ou l’énergie « emmagasinée » par une voiture, lorsque l’on roule vite, ou encore les raisons pour lesquelles il est conseillé de mettre une ceinture de sécurité, il nous est plus facile de comprendre et de tenir compte des règles du code de la route.

Quelles sont les limites de vitesse sur les routes en Wallonie ?

JE ME SITUE

1 Définis une force.

2 Quelles sont les quatre caractéristiques d’une force ?

3 Comment appelle-t-on le segment fléché utilisé pour représenter une force ?

4 Quel est le lien entre la longueur du segment fléché et l'intensité de la force ?

5 Quel est l’instrument de mesure d’une force ?

6 Quelle est l’unité de la force ? Donne son symbole.

ACTIVITÉS

Appliquons la notion de force.

1 Laurence pousse une boîte en exerçant une force horizontale appliquée en A, dirigée vers la gauche, de 6 N. Schématise la situation et représente la force à l’échelle 1 cm correspondant à 1 N.

2 À partir de la photo, réponds aux questions suivantes.

activité 1 NOTION DE FORCE F A 1cm=1 N

a. Quelles sont les forces qui s’exercent sur ce lustre de 3 kg ? Caractérise-les et calcule-les.

b. Schématise la situation.

c. Que peux-tu dire des deux forces qui s’exercent sur le lustre ?

d. Que vaut le somme de ces deux forces ?

activité 2 PREMIÈRE LOI DE NEWTON (PRINCIPE D’INERTIE) P T G A

Déterminons comment les forces agissent sur un corps lors d’un mouvement rectiligne uniforme (MRU).

1 Jonathan et Charlotte sont assis côte à côte dans le bus, celui-ci démarre. Alexandre attend le bus suivant sur le trottoir.

a. Jonathan est-il en mouvement par rapport à Charlotte ?

b. Jonathan est-il en mouvement par rapport à Alexandre ?

c. Alexandre est-il en mouvement par rapport à la Terre ?

2 Voici une série de clichés pris à intervalles de temps réguliers, tous les dixièmes de seconde, à partir d’une caméra fixe.

a. Le motard est-il en mouvement ou au repos ? Justifie.

b. Que peux-tu conclure de l’état de mouvement ou de repos ?

3 a. Dans les exercices 1 et 2, qu'est-ce qui a mis le bus ou la moto en mouvement ?

b. Sur une route horizontale, le bus ou la moto auraient-ils pu se mettre en mouvement sans une force extérieure ?

c. Que peux-tu en conclure ?

4 Pourquoi les constructeurs des bus ont-ils mis des mains courantes dans le véhicule ?

5 Pourquoi les airbags sont-ils devenus obligatoires dans les voitures ?

6 Que peux-tu conclure des exercices précédents ?

De ces conclusions, Isaac Newton écrit : « Tout corps persévère dans l’état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme dans lequel il se trouve, à moins qu’une force n’agisse sur lui et ne le contraigne à changer d’état. »

Les corps s’opposent à toute variation de vitesse que nous voulons leur imposer : ils présentent une certaine inertie, liée à leur masse.

7 Lorsqu’un objet est immobile, que peux-tu dire de la somme des forces qui agissent sur lui ?

Dans un repère (référentiel) terrestre, si la somme des forces qui s’exercent sur un objet est nulle, il est dit au repos ou en mouvement rectiligne uniforme (MRU).

Cette première loi de Newton est appelée principe d’inertie

EXPÉRIENCE

• Fais rouler une balle sur une table bien lisse.

• Que dois-tu faire si tu veux modifier le mouvement rectiligne de la bille ?

Isaac Newton a vécu de 1643 à 1727. C’était un philosophe, physicien, mathématicien et astronome anglais. Il est considéré comme l’un des fondateurs de la physique.

La légende veut que ce soit en recevant une pomme sur la tête, alors qu’il était assoupi sous un pommier, que Newton découvrit les lois sur les mouvements et les forces.

C’est en son honneur que l’unité de force du système international a été appelée le newton (N). Un descendant de ce pommier existe encore près de Cambridge.

Arbre de Newton, Université de Cambridge

VA À L’ESSENTIEL

X Principe d’inertie ou première loi de Newton : Dans un repère terrestre, si la somme des qui s’exercent sur un objet est , celui-ci reste dans son état de ou de mouvement uniforme (MRU).

APPLICATION

Une voiture se déplace sur une route plane et horizontale à vitesse constante grâce à son cruise control.

a. Quel est le type de mouvement de la voiture ?

b. Que peux-tu dire des forces qui s’exercent sur la voiture ?

activité 3 VITESSE

Déterminons de quoi dépend la vitesse d’un corps. Pour décrire un mouvement, on utilise la notion de trajectoire et la notion de vitesse.

1 Qu’appelle-t-on une trajectoire ?

2 Quelle est la limitation de vitesse sur autoroute en Belgique ?

3 Que signifie cette valeur ?

4 De quoi dépend donc la vitesse ?

ÉditionsVANIN

EXPÉRIENCE

• Mesure à l’aide d’un chronomètre le temps mis par une bulle d’air coincée dans un tube rempli de glycérine, posé verticalement, pour parcourir différentes distances.

TEMPS (t)

1 Que constates-tu ?

2 Qu’avons-nous calculé en faisant

3 Tracele graphique de l’espace parcouru en fonction du temps.

4 Que peux-tu conclure à partir de ce graphique ?

5 Voici les clichés d’une moto pris tous les dixièmes de seconde. Dans chaque cas, qualifie le mouvement avec le mot adéquat : accéléré, uniforme, décéléré.

6 Quel est le mouvement qui correspond à l’expérience ? vitesse l’intervalle

APPLICATIONS

1 Calcule la vitesse moyenne d’un véhicule qui met 35 minutes pour aller de Bruxelles à Namur. Ces deux villes sont séparées par une distance de 65 km. Transforme la vitesse obtenue en km/h.

2 Comment passer de m/s à km/h ?

a. Multiplie les m/s par pour obtenir des m/h.

b. Divise les m/h par pour obtenir des km/h.

En résumé, multiplie les m/s par pour obtenir des km/h.

3 Complète. m/s  km/h et km/h  m/s

4 Propose une méthode qui permet d’estimer la vitesse d’une voiture sur autoroute

5 Quel sera le temps gagné, en minutes, si tu roules sur l’autoroute à 130 km/h au lieu de 120 pour aller de Bruxelles à Arlon, villes distantes de 187 km ?

Cela en vaut-il vraiment la peine ?

Voyons de quoi dépend l’accélération.

1 Que signifie pour toi la phrase suivante : « La voiture accélère » ?

2 Complète la phrase suivante. L’accélération mesure la variation de la d’un mobile en fonction du . Son symbole est a.

EXPÉRIENCE

À partir d’un rail mécanique, enregistrons la trajectoire d’un mobile sur un papier ou sur un ordinateur.

• Incline le rail pour obtenir une pente d’environ 10 %.

• Positionne le sélecteur de temps sur une fréquence de 10 Hz (enregistrement toutes les 0,1 s).

• Le mobile est immobile au départ.

• L’appareil enregistre le passage du mobile.

Chariot sur rail mécanique

1 Quelle est la grandeur mesurée ? Quelle est son unité ?

2 Quelle est l’unité du temps ?

3 Quelle est la grandeur manquante en fonction de la définition que nous avons élaborée ? Quelle est son unité ? ACCÉLÉRATION

4 À partir des données obtenues et notées dans le tableau ci-dessous, calcule celles qui nous manquent.

TEMPS (t) UNITÉ : s 01234567

ESPACE PARCOURU (x) UNITÉ : m 00,2980,3290,4700,7261,0711,5082,02

DÉPLACEMENT (Δx) UNITÉ : m 0,2980,031

VARIATION DE TEMPS (Δt) UNITÉ : s

VITESSE (v) UNITÉ : m/s v = ∆x ∆t 0,298

VARIATION DE VITESSE (Δv) UNITÉ : m/s

VARIATION DE VITESSE EN FONCTION DU TEMPS

OU a = ∆v ∆t (arrondie au centième) 0,070,070,07

5 Comment évolue l’accélération en fonction du temps ?

Lorsqu’un mobile accélère de manière constante, on parle de mouvement rectiligne uni formément accéléré ou MRUA.

6 Quelle est l’unité d’accélération ? Détermine-la en fonction de la formule.

7 Trace le graphique de la variation de vitesse en fonction du temps.

8 Si la vitesse augmente, que fait l’accélération ?

9 Si le temps diminue pour une même distance parcourue, que fait l’accélération ?

10 Complète les phrases suivantes. Accélération et vitesse sont proportionnelles. Accélération et temps sont proportionnels.

VA À L’ESSENTIEL

X L’accélération est la variation de vitesse en fonction du temps. a = ∆v ∆t

X L’accélération s’exprime en mètres par seconde au carré m ou m/s2 s2

X Lorsqu’un mobile accélère de manière constante, on parle de mouvement rectiligne uniformément ou MRUA.

1 Olivia Borlée, sprinteuse belge, a parcouru un 100 m en 11,6 s. Elle avait ainsi atteint la vitesse de 8,6 m/s. Quelle était son accélération en imaginant celle-ci constante tout au long du mouvement ?

APPLICATIONS m s2

2 La voiture de Lewis Hamilton sort d’une courbe et parcourt une section droite en 11 s. Au début de cette section, le compteur kilométrique indique 65 km/h. Sachant que, dans cette section, sa F1 possède une accélération constante de 6 , calcule sa vitesse finale, en km/h, à la sortie de la ligne droite.

activité 5 DISTANCE D’ARRÊT

Voyons de quoi dépend la distance d’arrêt.

1 De quoi dépend la distance d’arrêt d’un véhicule ?

2 De quoi dépend le temps de réaction ?

Durant le temps de réaction, le mobile est en MRU.

3 Définis la distance de freinage.

Durant le temps de freinage, le mobile est en MRUA.

4 De quoi dépend la distance de freinage ?

5 Complète.

Distance d’arrêt = distance de + distance de

Le freinage et la tenue de route dépendent du coefficient d’adhérence qui varie en fonction de l’état du sol et des pneus.

6 Que fait la distance de freinage si l’adhérence diminue ?

La surface de contact du véhicule sur le sol est toujours très petite. Ainsi, chaque pneu offre une surface de contact avec le sol correspondant à peu près à la surface d’une carte postale.

perception action

distance d'arrêt distance de freinage

7 À partir des schémas ci-dessous, explique pourquoi les campagnes de sécurité routière nous sensibilisent au fait d’avoir des pneus gonflés correctement.

VITESSE (5 km/h)

L’abaque de Devilliers donne la distance et le temps de freinage en fonction de la vitesse et du coefficient d’adhérence.

Mode d’emploi

Il suffit de relier par une ligne droite la vitesse au coefficient d’adhérence. Au centre, tu pourras lire la distance de freinage et le temps de freinage. Dans l’exemple, tu liras qu’en roulant à 90 km/h sur un revê tement moyen et sec, la distance de freinage sera de 45 m et la durée de freinage sera d’environ 3,5 s.

DISTANCE DU FREINAGE (MÈTRES)

DURÉE DU FREINAGE (SECONDES)

COÉFFICIENT D'ADHÉRENCE

gonflage correct sous-gonflage sur-gonflage 0,9

Asphalte propre et sec Revêtement moyenetsec Pavé sec Revêtement moyenhumide Pavé mouillé Asphalteboueux

8 Utilise l’abaque de Devilliers de la 2e de couverture pour compléter le tableau suivant dans le cas d’un revêtement moyen et sec.

VITESSE (km/h) 30507090120

DISTANCE DE FREINAGE (m)

SUR REVÊTEMENT MOYEN SEC

9 Calcule la distance parcourue pendant le temps de réaction de 2 secondes.

VITESSE (km/h) 30507090120

VITESSE km/h  m/s

DISTANCE DE RÉACTION (m)

10 Calcule la distance d’arrêt en fonction de la vitesse dans le cas d’un revêtement moyen et sec avec un temps de réaction de 2 secondes.

VITESSE (km/h) 30507090120

DISTANCE DE FREINAGE (m)

DISTANCE DE RÉACTION (m)

DISTANCE D’ARRÊT (m)

11 Dessine le graphique de la distance d’arrêt en fonction de la vitesse sur revêtement moyen et sec.

DISTANCE DE FREINAGE SUR REVÊTEMENT MOYEN ET SEC (m) DISTANCE DE FREINAGE SUR REVÊTEMENT MOYEN ET HUMIDE (m) 100 50 10 _ 0 0 10 30 50 70 90 120 v (km/h)

12 Compare la distance de freinage sur sol mouillé et sur sol sec. Trouve le coefficient par lequel il faut multiplier la distance de freinage sur sol sec pour obtenir la distance de freinage sur sol mouillé.

VITESSE (km/h)

Voici un petit truc qui permet d’évaluer assez rapidement la distance d’arrêt par temps sec sur une route moyenne. Je divise la vitesse par dix et j’élève le nombre obtenu au carré, j’obtiens une valeur approximative en mètres. Exemple à 120 km/h : 120 : 10 = 12 122 = 144 distance d’arrêt = 144 m x (m)

VA À L’ESSENTIEL

X Distance d’arrêt = distance de + distance de

X Sur une chaussée mouillée, la distance d’arrêt est multipliée par environ 1,75.

APPLICATIONS

1 En utilisant l’abaque de Devilliers en 2e de couverture, calcule la distance d’arrêt pour une voiture qui roule à 80 km/h si le temps de réaction du conducteur est d’1 s, si la route est faite de pavés et si le temps est sec.

2 En utilisant l’abaque de Devilliers, calcule la distance d’arrêt pour une voiture qui roule à 130 km/h si le temps de réaction est de 2 s, si la route est faite d’asphalte propre et si le temps est sec.

activité 6 ÉNERGIES CINÉTIQUE ET POTENTIELLE

Déterminons de quoi dépendent les énergies cinétique et potentielle.

1 Quand disons-nous dans la vie courante que nous avons de l’énergie ?

Au sens « physique », nous dirons qu’un système possède de l’énergie s’il est capable de produire un travail. Il y a travail lorsqu’une force déplace son point d’application dans sa propre direction. L’unité de travail est le joule Le travail d’une force d’1 N dont le point d’application se déplace d’1 m dans sa propre direction vaut 1 joule (J).

2 Trouve deux exemples où un système déplace une force.

Puisque la Terre attire tous les corps situés à proximité, il faut fournir un travail pour soulever les valises. Une voiture au sommet d’une côte, un réservoir rempli d’eau, un ressort tendu… Forces et déplacements ont été nécessaires pour monter la voiture, tendre le ressort, remplir le réservoir. La voiture, l’eau, le ressort sont « capables » de restituer l’énergie emmagasinée lors de ce travail. Ils possèdent de l’énergie due à leur position : cette énergie est dite potentielle (Ep ).

3 Viviane souhaite poser un colis assez lourd au-dessus d’une armoire. Pour y parvenir, elle doit fournir un travail. L’objet a emmagasiné de l’énergie lors de l’exécution de ce travail.

a. Si la masse de l’objet augmente, l’énergie accumulée est-elle plus importante ?

b. Si l’armoire est plus haute, l’énergie accumulée est-elle plus importante ?

c. Si l’expérience a lieu sur la Lune où l’attraction est six fois moindre, l’énergie accumulée est-elle plus importante ?

4 Complète les phrases suivantes.

L’énergie potentielle E p est proportionnelle à la masse m L’énergie potentielle E p est proportionnelle à la variation de hauteur, d’altitude Δh

L’énergie potentielle E p est proportionnelle à la gravitation g

5 Détermine la formule de l’énergie potentielle à partir des informations du point 4.

6 Que vaut g sur la Terre ?

7 De quoi dépendent les dommages occasionnés à un véhicule suite à un accident de la route ?

8 De quoi dépend l’énergie accumulée par une voiture ?

La balle d’un fusil, une voiture en mouvement possèdent de l’énergie due à la vitesse : cette vitesse est appelée énergie cinétique (Ec )

9 Complète les phrases suivantes.

L’énergie cinétique est proportionnelle à la masse.

L’énergie cinétique est proportionnelle au carré de la vitesse.

La formule de l’énergie cinétique est E c = m × v2 2 L’énergie s’exprime en joules, la masse en kilogrammes et la vitesse en mètres par seconde.

10 Cite des exemples où un corps accumule de l’énergie cinétique.

VA À L’ESSENTIEL

X Un système possède de l’énergie s’il est capable de fournir un

X L’énergie potentielle est liée à la de l’objet par rapport au sol pris comme repère.

E p = m × g × h

X L’énergie cinétique est l’énergie due au . E c = m × v2 2

X L’énergie s’exprime en joule.

APPLICATIONS

1 L’eau stockée dans les réservoirs des barrages permet de faire fonctionner des centrales hydroélectriques placées en aval. C’est le cas de la centrale hydroélectrique du barrage de la Gileppe (Belgique). Entre le point de captage et la vallée, il y a une dénivellation de 42,9 m. Le débit journalier moyen est de 76 300 m3. Le lac lui-même peut contenir 12 millions de mètres cubes d’eau.

Barrage de la Gileppe

Calcule l’énergie potentielle que l’eau peut fournir quotidiennement.

2 Un haltérophile porte, au-dessus de ses épaules (hauteur de 2,3 m), une masse de 130 kg, en partant du sol. Calcule l’énergie potentielle de l’haltère.

3 a. Calcule l’énergie cinétique d’une personne de 60 kg lorsqu’elle est dans une voiture qui roule :

• à 90 km/h.

• à 120 km/h.

b. Si ces valeurs correspondaient à de l’énergie potentielle, à quelle hauteur de chute cela correspondrait-il ?

• à 90 km/h  E c = h

activité 7 ÉNERGIE MÉCANIQUE

Déterminons s’il est possible de gagner ou de perdre de l’énergie.

La notion d’énergie est liée à l’idée de transformation.

1 Calcule l’énergie potentielle, l’énergie cinétique ainsi que l’énergie totale du système lorsqu’une pierre d’1 kg tombe d’une hauteur initiale de 50 m. Complète le tableau ci-dessous.

ALTITUDE DE LA PIERRE (m)

ÉNERGIE POTENTIELLE (J)

TEMPS DE CHUTE (s) VITESSE (m/s) ÉNERGIE CINÉTIQUE (J) ÉNERGIE TOTALE DE LA PIERRE (J)

2 Pour chaque position étudiée, remplis le parallélépipède rectangle proportionnellement à l’énergie cinétique et/ou potentielle que possède la pierre à cette altitude.

3 Que peux-tu dire de l’énergie totale en chaque point ?

L’énergie totale, somme de l’énergie potentielle et de l’énergie cinétique, est appelée énergie mécanique. Entre ces altitudes, l’énergie du système passe par une multitude de valeurs telles que la somme des énergies potentielle et cinétique reste toujours égale. L’énergie ne peut se créer ni se détruire, mais seulement passer d’une forme à l’autre.

4 Cite des exemples de transformation d’énergie.

VA À L’ESSENTIEL

X Énergie mécanique = énergie + énergie

X L’énergie totale d’un système isolé (qui ne subit aucune intervention extérieure) reste

APPLICATIONS

1 Dans un film de James Bond, Demain ne meurt jamais, un treuil fixé à un hélicoptère remonte de la surface de la mer un plongeur de 75 kg. L’hélicoptère est en vol stationnaire à l’altitude de 25 m. Le plongeur est soulevé d’une hauteur de 10 m au-dessus de l’eau pour être transporté.

a. Calcule l’énergie potentielle du plongeur lorsqu’il est au-dessus du niveau de la mer.

b. Calcule la vitesse, en km/h, à laquelle le plongeur arriverait dans l’eau si l’hélicoptère le lâchait.

2 Dans le film Meurs un autre jour, James Bond vole dans un avion qui est en palier horizontal à l’altitude de 8 000 m. Sa masse est de 97 kg, en comptant son équipement. Il saute de cet avion qui vole à 200 km/h. Calcule les énergies potentielle, cinétique et mécanique à cette altitude.

3 Dans le film Rien que pour vos yeux, James Bond glisse, à skis, sur une piste verglacée de bobsleigh. En imaginant qu’il part sans vitesse initiale, arrive 200 m plus bas, que sa masse soit de 80 kg et que son énergie potentielle soit égale à 0 au niveau du bas de la piste…

a. Calcule son énergie potentielle au départ.

b. En appliquant le principe de conservation de l’énergie mécanique, détermine sa vitesse, en km/h, lorsqu’il arrive en bas de la piste.

c. James Bond arrive-t-il réellement à cette vitesse ? Justifie.

4 Enfin, dans le film Goldeneye, James Bond fait un saut d’une hauteur de 220 m du barrage de Verzasca (Suisse). Détermine la vitesse, en km/h, atteinte par l’agent 007 après 220 m de chute.

Cascadeur (saut à l’élastique) et barrage de Verzasca

5 Un nageur de 70 kg saute d’un plongeoir culminant à 7,5 m au-dessus du sol.

a. Calcule l’énergie potentielle du nageur lorsqu’il est sur le tremplin.

b. À quelle vitesse atteindra-t-il la surface de l’eau ?

6 Explique le va-et-vient de ce mobile appelé « pendule de Newton ».

activité FROTTEMENTS

Déduisons de quoi dépendent les forces de frottements.

1 a. Selon le principe d’inertie, quelle est la condition pour qu’une bille lancée sur une table horizontale et lisse s’arrête (on imagine une table de longueur infinie) ?

b. La bille s’arrêtera pourtant rapidement. Quelle force est susceptible d’arrêter la bille ? Explique.

c. Comment nomme-t-on les forces qui ralentissent la bille ?

d. Explique comment ces forces prennent naissance.

2 a. Est-ce facile de faire glisser une lourde armoire ?

b. Imagine des solutions pour t’aider à la faire glisser.

Les forces de frottement peuvent se manifester même sans mouvement.

c. Que peux-tu dire de la direction et du sens des forces de frottement par rapport à la force motrice ?

3 De quoi dépendent les forces de frottement ?

Les forces de frottement peuvent prendre différentes formes et, souvent, elles sont très utiles.

4 Quel est le rôle des forces de frottement la neige ?

5 Pourquoi est-il préférable de poser des dalles de pierre bleue rainurées plutôt que des dalles lisses sur un trottoir ?

6 Pourquoi est-ce plus difficile de se déplacer lorsqu’il y a du verglas ? Explique.

Lorsque l’on regarde au microscope électronique la surface de contact entre deux objets posés l’un contre l’autre, nous voyons que les molécules en contact se lient. Il faut rompre ces « liens » pour faire glisser un objet sur l’autre.

VA À L’ESSENTIEL

X Il y a des forces de entre deux corps en contact l’un avec l’autre.

X Ces forces de frottement dépendent : • de la des corps en contact ; • de la de ces corps.

APPLICATIONS

1 Pourquoi mettons-nous de l’huile dans les engrenages ?

2 Pourquoi est-il déconseillé de courir autour des piscines ?

3 Serait-ce facile de marcher s’il n’y avait pas de frottement ? Explique.

4 Un train à sustentation magnétique est un monorail qui utilise les forces magnétiques pour se déplacer. Il utilise le phénomène de sustentation électromagnétique et n’est donc pas en contact avec des rails, contrairement aux trains classiques. Quel en est l’avantage ?

activité 9 DEUXIÈME LOI DE NEWTON FONDAMENTAL DE LA MÉCANIQUE)

Déterminons la relation entre force, accélération et masse. Dans le cas où les forces qui agissent sur un corps immobile ne se compensent pas, que se passe-t-il ? Celui-ci se met en mouvement, il accélère.

EXPÉRIENCE 1

• Pose un chariot sur une table horizontale.

1 Quelles sont les forces qui agissent sur le chariot ? Compare ces forces.

2 Que constates-tu ?

3 Pour un corps immobile, si la force est nulle, que peux-tu dire de l’accélération ?

• Applique une force horizontale F au chariot.

Cette force est due à la gravitation subie par la masse m, transmise au chariot par un fil. La poulie permet de modifier la direction de la force , mais pas son intensité.

4 Cas 1 – Lâche le système, que se passe-t-il ?

5 Cas 2 – Augmente la masse du chariot. Que se passe-t-il ? Compare l’accélération.

6 Cas 3 – Enlève la masse supplémentaire du chariot et augmente la force de traction en augmentant la masse m’. Compare l’accélération par rapport au cas 1.

Des observations qualitatives montrent que :

- force et accélération sont des grandeurs directement proportionnelles ;

- force et masse sont des grandeurs inversement proportionnelles.

On a réalisé la même expérience, mais, cette fois, avec un rail à coussin d’air (sans frottement), un chariot dont on a, au préalable, mesuré la masse, un électro-aimant qui retient le mobile en position de départ, un chronomètre à portique, des masses de différentes valeurs et une poulie fixe.

On mesure le temps mis par le chariot pour parcourir une distance que nous aurons définie.

La masse m du chariot reste constante, faisons varier la force de traction F.

Voici le tableau de résultats obtenus.

MASSE DU CHARIOT m (kg) 0,150,150,150,15

FORCE DE TRACTION (N) 0,15 0,3 0,45 0,6

EXPÉRIENCE 2 F

ACCÉLÉRATION a ( m ) s2 1234

1 À partir du tableau de résultats, établis la relation existant entre la masse, l’accélération et la force F résultante.

2 Complète la phrase suivante.

Lorsque la force augmente, à masse constante, l’accélération proportionnellement.

La force de traction F reste constante, faisons varier la masse du chariot.

Voici les résultats obtenus lors de l’expérience. Voici le tableau de résultats obtenus.

FORCE DE TRACTION F (N) 0,20,20,20,2 MASSE DU CHARIOT m (kg) 0,10,15 0,2 0,25

ACCÉLÉRATION a ( m ) s2 21,331 0,8

3 À partir du tableau ci-dessus, établis la relation existant entre la masse, l’accélération et la force F résultante.

4 Complète la phrase suivante.

Lorsque la masse augmente et la force reste constante, l’accélération proportionnellement

En combinant les deux résultats : a est proportionnelle à m

5 À partir de la formule, quelle est la force nécessaire pour communiquer à une masse d’1 kg une accélération d’1 m/s2 ?

La force la plus familière est le poids, elle s’exerce de haut en bas et est due à la pesanteur. Puisque le poids est une force, la formule F = m x a peut être appliquée à tous les corps situés à proximité d’un astre. F

VA À L’ESSENTIEL

X L’accélération d’un corps est proportionnelle à la qui lui est appliquée et inversement proportionnelle à sa . a = F  F = m × a m

X La masse s’exprime en (kg).

X L’accélération s’exprime en ( m ) s2

X La force s’exprime en (N).

X Un newton, c’est la force qui, appliquée à une masse d’1 kg, lui donne une accélération d’1 m/s2.

APPLICATIONS

1 Le satellite européen Sentinel-1 a été lancé en avril 2014. Il a une masse de 2 300 kg. Il orbite autour de la Terre à une altitude de 700 km. Quel est le poids du satellite sur Terre ?

2 Ahmed pousse sa petite sœur Firuzam, assise sur un grand carton, à la patinoire. Si la poussée d'Ahmed est de 62,5 N et si Firuzam pèse 25 kg, quelle est son accélération ?

3 Une force de 4 000 N est appliquée à une voiture de 1 200 kg au repos.

a. Quelle sera son accélération ?

b. Quelle sera sa vitesse après 3 s ?

4 Une voiture de 1 300 kg passe de 10 à 25 m/s en 5 s. Quelle est la force qui lui est appliquée ?

5 Calcule l’énergie mécanique de la station spatiale internationale qui a une masse de 420 tonnes, qui tourne sur une orbite basse à 400 km de la Terre et qui a une vitesse d’environ 28 000 km/h.

activité 10 TROISIÈME LOI DE NEWTON (LOI D’ACTIONS RÉCIPROQUES)

1 Pourquoi le passager de cette moto est-il éjecté lorsque la moto démarre ?

2 Quand un fusil est mis à feu, quels sont les déplacements de la balle et du fusil ?

3 Le rameur appuie sur l’eau avec ses rames. Comment se déplace la barque ?

4 Quelle conclusion peut-on en tirer ?

Comparons ces forces.

EXPÉRIENCE

• Place une épingle sur un aimant en barreau durant 24 h.

• Colle une épingle aimantée et une épingle en fer (doux) de mêmes masses sur deux tranches de bouchon en liège.

• Pose les tranches dans un récipient contenant de l’eau.

1 Que constates-tu ?

2 Complète les phrases suivantes.

Les forces sont toujours mutuelles. Si un corps exerce une force sur un autre corps, ce dernier réagit sur le premier avec une force et La troisième loi de Newton implique plus d’un objet (deux forces sur deux objets différents).

X Si un objet A exerce sur l’objet B une force FA/B (force de A vers B), alors l’objet B exerce sur l’objet A une force de intensité et de sens FB/A VA À L’ESSENTIEL

APPLICATIONS

1 D’où vient la force qui fait rebondir un ballon lancé sur le sol ?

2 Si c’est la poussée de la route sur les roues des voitures qui les fait tourner, pourquoi les roues ont-elles besoin d’un moteur ?

3 Si, pour se déplacer dans l’espace, les astronautes se servent de propulseurs portatifs fixés sur leur dos et qu’un astronaute qui se trouve à 50 m de la station spatiale internationale (ISS) constate que son propulseur est en panne, comment pourrait-il faire pour regagner la station ?

4 Dans l’ISS, deux astronautes décident de se lancer un ballon pour se détendre. Comment vont-ils se déplacer à mesure que le jeu se déroule ?

GRANDEURS

SYMBOLE DE LA GRANDEUR UNITÉS SYMBOLE DE L’UNITÉ

Masse m kilogramme kg

Distance parcourue x mètre m

Temps t seconde s

Vitesse v mètre par secondem/s Force F newton N

Accélération a mètre par seconde au carré m/s2

Énergie E joule J

Sciences pour se qualifi Éditions Van In, 2022

X Principe d’inertie ou première loi de Newton Dans un repère (référentiel) terrestre, si la somme des forces qui s’exercent sur un objet est nulle, il est dit au repos ou en mouvement rectiligne uniforme (MRU).

La vitesse mesure la variation de position d’un objet en fonction du temps. v = ∆x ∆t

X L’accélération est la variation de la vitesse en fonction du temps. a = ∆v ∆t

Lorsqu’un mobile accélère de manière constante, on parle de mouvement rectiligne uniformément accéléré MRUA. Distance d’arrêt = distance de réaction + distance de freinage

X Un système possède de l’énergie s’il est capable de fournir un travail.

X L’énergie potentielle est liée à la hauteur de l’objet par rapport au sol.

E p = m × g × h

X L’énergie cinétique d’un objet est due à sa vitesse et à sa masse.

E c = m × v2 2

X L'énergie mécanique = énergie potentielle + énergie cinétique

X Il y a des forces de frottement lorsque deux corps sont en contact l’un avec l’autre.

Les forces de frottement dépendent de la nature des corps en contact et de la masse de ceux-ci.

X Principe fondamental de la mécanique ou seconde loi de Newton

L’accélération d’un corps est proportionnelle à la force qui lui est appliquée et inversement proportionnelle à sa masse. Les vecteurs force et accélération sont parallèles et de même sens.

F = m × a

Un newton, c’est la force qui, appliquée à une masse d’1 kg, lui donne une accélération d’1 m/s2.

X Loi d’actions réciproques ou troisième loi de Newton

Si un objet A exerce sur l’objet B une force FA/B, alors l’objet B exerce sur l’objet

A une force de même intensité et de sens opposé FB/A.

SpaceX Crew Dragon

APPLICATIONS GLOBALES

1 Complète le tableau suivant. VITESSE (km/h) VITESSE (m/s) 50 19,44 90 120 36,11

2 Voici deux panneaux de signalisation qu’on trouve sur les autoroutes.

En France, sur autoroute, les bandes blanches séparant la voie de droite et la voie d’arrêt d’urgence ont une longueur de 39 m et sont espacées de 14 m. Selon la loi française, « la distance minimale séparant deux véhicules est celle correspondant à un temps minimal de perception-réaction de 2 secondes ».

a. Quel espace parcourt-on en 2 s à la vitesse de 130 km/h ?

b. Quelle est la signification de ce symbole ? Danger Sécurité

c. La phrase « 1 trait = danger, 2 traits = sécurité » est-elle justifiée ? Explique.

3 Lors d’un accident, le pilote de F1 Max Verstappen est passé de 314 km/h à 0 en 2 s. Calcule sa décélération.

4 Une plongeuse de 60 kg s’élance à partir du tremplin situé à 12 m de hauteur. Quelle est son énergie potentielle au moment où elle s’élance ?

5 Calcule l’énergie cinétique d’une voiture de 800 kg qui roule à 120 km/h.

6 À quelle vitesse, en km/h, l’haltère de 130 kg situé à 2,3 m arriverait sur le sol si l’haltérophile le lâchait malencontreusement ?