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Mécanique (Newton, mouvements)

Physique-Chimie · 2ème Bac Sciences Maths A · 92 exercices

Méthode officielle

Appliquer la 2e loi de Newton (somme des forces = m.a_G) dans un repère adapté, projeter, établir les équations horaires, exploiter chute libre / plan incliné / projectiles / mouvement circulaire, et mobiliser le théorème de l'énergie cinétique.

L'intuition

La mécanique est la branche de la physique qui étudie le mouvement des corps et les causes qui le produisent ou le modifient. Au cœur de cette étude se trouve la relation fondamentale entre les forces agissant sur un objet et la manière dont son mouvement est affecté.

Considérons le mouvement d'un véhicule. L'action sur l'accélérateur, le frein ou le volant induit une force qui modifie sa vitesse ou sa direction. Ces interactions sont régies par les principes de la mécanique. Comprendre ces principes permet d'analyser des phénomènes variés, de la chute d'un corps à la trajectoire d'un projectile, en passant par le mouvement des planètes.

La deuxième loi de Newton est l'outil central de ce chapitre. Elle établit un lien quantitatif entre les forces appliquées à un système et l'accélération de ce système. La maîtrise de cette loi est indispensable pour résoudre les problèmes de mécanique au Baccalauréat.

Le cours

I. Rappels sur les grandeurs cinématiques

Pour l'étude du mouvement d'un solide, nous nous intéressons généralement au mouvement de son centre d'inertie GG. Un solide est considéré comme un point matériel si ses dimensions sont négligeables devant l'étendue de sa trajectoire.

  1. Vecteur position Dans un repère cartésien (O,i,j,k)(O, \vec{i}, \vec{j}, \vec{k}), le vecteur position du centre d'inertie GG à l'instant tt est défini par : OG(t)=x(t)i+y(t)j+z(t)k\vec{OG}(t) = x(t)\vec{i} + y(t)\vec{j} + z(t)\vec{k}

    x(t)x(t), y(t)y(t) et z(t)z(t) sont les coordonnées de GG.

  2. Vecteur vitesse instantanée Le vecteur vitesse instantanée de GG, noté vG(t)\vec{v}_G(t), est la dérivée du vecteur position par rapport au temps : vG(t)=dOGdt=x˙(t)i+y˙(t)j+z˙(t)k=vx(t)i+vy(t)j+vz(t)k\vec{v}_G(t) = \frac{d\vec{OG}}{dt} = \dot{x}(t)\vec{i} + \dot{y}(t)\vec{j} + \dot{z}(t)\vec{k} = v_x(t)\vec{i} + v_y(t)\vec{j} + v_z(t)\vec{k}

    La norme de ce vecteur est la vitesse scalaire : vG=vG=vx2+vy2+vz2v_G = ||\vec{v}_G|| = \sqrt{v_x^2 + v_y^2 + v_z^2}. L'unité de la vitesse est le mètre par seconde (m.s1\text{m.s}^{-1}).

  3. Vecteur accélération instantanée Le vecteur accélération instantanée de GG, noté aG(t)\vec{a}_G(t), est la dérivée du vecteur vitesse par rapport au temps : aG(t)=dvGdt=x¨(t)i+y¨(t)j+z¨(t)k=ax(t)i+ay(t)j+az(t)k\vec{a}_G(t) = \frac{d\vec{v}_G}{dt} = \ddot{x}(t)\vec{i} + \ddot{y}(t)\vec{j} + \ddot{z}(t)\vec{k} = a_x(t)\vec{i} + a_y(t)\vec{j} + a_z(t)\vec{k}

    L'unité de l'accélération est le mètre par seconde carrée (m.s2\text{m.s}^{-2}).

II. Les lois de Newton

Les lois de Newton constituent le fondement de la dynamique classique. Leur application est valide dans un repère galiléen. Un repère est dit galiléen si le principe d'inertie y est vérifié. Pour les expériences de courte durée à la surface de la Terre, un repère terrestre est considéré comme galiléen.

  1. Première loi de Newton (Principe d'inertie) Dans un repère galiléen, si la somme vectorielle des forces extérieures appliquées à un solide est nulle, alors son centre d'inertie GG conserve son vecteur vitesse. Autrement dit, il est soit au repos, soit en mouvement rectiligne uniforme. Fext=0    vG=constante\sum \vec{F}_{ext} = \vec{0} \implies \vec{v}_G = \vec{constante}

  2. Deuxième loi de Newton (Principe fondamental de la dynamique) Dans un repère galiléen, la somme vectorielle des forces extérieures appliquées à un solide de masse mm est égale au produit de sa masse par le vecteur accélération aG\vec{a}_G de son centre d'inertie. Fext=maG\sum \vec{F}_{ext} = m \vec{a}_G

    Cette loi est fondamentale pour l'étude du mouvement. La masse mm doit être exprimée en kilogrammes (kg\text{kg}), les forces en Newtons (N\text{N}) et l'accélération en m.s2\text{m.s}^{-2}.

  3. Troisième loi de Newton (Principe des actions réciproques) Si un corps A exerce une force FA/B\vec{F}_{A/B} sur un corps B, alors le corps B exerce simultanément une force FB/A\vec{F}_{B/A} sur le corps A. Ces deux forces ont la même intensité, la même direction, mais des sens opposés : FA/B=FB/A\vec{F}_{A/B} = -\vec{F}_{B/A}

    Il est crucial de noter que ces forces s'appliquent sur des corps différents.

III. Application de la deuxième loi de Newton

L'application de la deuxième loi de Newton suit une démarche rigoureuse.

  1. Définir le système étudié : Identifier le solide ou l'ensemble de solides dont le mouvement est analysé.
  2. Faire le bilan des forces extérieures : Lister et représenter toutes les forces agissant sur le système. Un schéma clair est indispensable.
    • Poids (P\vec{P}) : Force d'attraction gravitationnelle exercée par la Terre. Son point d'application est le centre d'inertie GG, sa direction est verticale, et son sens est vers le bas. Son intensité est P=mgP = mg, où g\vec{g} est le vecteur accélération de la pesanteur.
    • Réaction normale du support (N\vec{N}) : Force exercée par une surface de contact sur le solide. Elle est perpendiculaire à la surface et orientée vers l'extérieur du support.
    • Forces de frottement (f\vec{f}) : Forces s'opposant au mouvement ou à sa tendance. Elles sont tangentes à la surface de contact et de sens opposé au mouvement. Leur intensité peut être constante ou dépendre de la vitesse (frottements fluides).
    • Tension d'un fil (T\vec{T}) : Force exercée par un fil ou une corde tendue. Elle est dirigée le long du fil, loin du point d'attache.
    • Force motrice (F\vec{F}) : Toute autre force appliquée au système pour le mettre en mouvement ou le maintenir.
  3. Choisir un repère d'étude galiléen : Un repère cartésien (O,i,j,k)(O, \vec{i}, \vec{j}, \vec{k}) est généralement utilisé. Le choix de l'orientation des axes est stratégique pour simplifier les projections (par exemple, un axe parallèle à la trajectoire).
  4. Appliquer la deuxième loi de Newton : Écrire l'équation vectorielle : Fext=maG\sum \vec{F}_{ext} = m \vec{a}_G.
  5. Projeter l'équation vectorielle : Décomposer l'équation vectorielle sur les axes du repère choisi. Cela conduit à un système d'équations scalaires :
    • Fx=max\sum F_x = m a_x
    • Fy=may\sum F_y = m a_y
    • Fz=maz\sum F_z = m a_z
  6. Résoudre les équations différentielles : À partir des expressions des accélérations (ax,ay,aza_x, a_y, a_z), intégrer pour obtenir les équations horaires de la vitesse (vx(t),vy(t),vz(t)v_x(t), v_y(t), v_z(t)), puis celles de la position (x(t),y(t),z(t)x(t), y(t), z(t)). Les conditions initiales (position et vitesse à t=0t=0) sont essentielles pour déterminer les constantes d'intégration.

IV. Types de mouvements et équations horaires

  1. Mouvement rectiligne uniformément varié (MRUV) Un mouvement est rectiligne uniformément varié si le vecteur accélération aG\vec{a}_G est constant et non nul, et colinéaire à la direction du mouvement. Si l'axe (Ox)(Ox) est choisi le long de la trajectoire, alors ax=a=constantea_x = a = \text{constante}.

    • Accélération : ax(t)=aa_x(t) = a
    • Vitesse : vx(t)=at+v0v_x(t) = a t + v_0, où v0v_0 est la vitesse initiale à t=0t=0.
    • Position : x(t)=12at2+v0t+x0x(t) = \frac{1}{2} a t^2 + v_0 t + x_0, où x0x_0 est la position initiale à t=0t=0.
  2. Mouvement de chute libre Un corps est en chute libre s'il n'est soumis qu'à son poids. Les frottements de l'air sont négligés.

    • Système : Solide de masse mm.
    • Forces : Poids P=mg\vec{P} = m\vec{g}.
    • Repère : (O,k)(O, \vec{k}) vertical, orienté vers le haut ou vers le bas.
    • 2ème loi de Newton : mg=maG    aG=gm\vec{g} = m\vec{a}_G \implies \vec{a}_G = \vec{g}. Si l'axe OzOz est vertical et orienté vers le haut, alors az=ga_z = -g.
    • Accélération : az(t)=ga_z(t) = -g
    • Vitesse : vz(t)=gt+v0zv_z(t) = -g t + v_{0z}
    • Position : z(t)=12gt2+v0zt+z0z(t) = -\frac{1}{2} g t^2 + v_{0z} t + z_0
  3. Mouvement d'un projectile Un projectile est lancé avec une vitesse initiale v0\vec{v}_0 et n'est soumis qu'à son poids (frottements de l'air négligés).

    • Système : Projectile de masse mm.

    • Forces : Poids P=mg\vec{P} = m\vec{g}.

    • Repère : (O,i,j)(O, \vec{i}, \vec{j}) avec OO le point de lancement, i\vec{i} horizontal et j\vec{j} vertical orienté vers le haut.

    • 2ème loi de Newton : mg=maG    aG=gm\vec{g} = m\vec{a}_G \implies \vec{a}_G = \vec{g}. Projection sur les axes :

    • ax=0a_x = 0

    • ay=ga_y = -g Conditions initiales : OG(0)=0\vec{OG}(0) = \vec{0} (si OO est le point de lancement), vG(0)=v0cosαi+v0sinαj\vec{v}_G(0) = v_0 \cos\alpha \vec{i} + v_0 \sin\alpha \vec{j}, où α\alpha est l'angle de tir.

    • Accélération : ax(t)=0a_x(t) = 0, ay(t)=ga_y(t) = -g

    • Vitesse : vx(t)=v0cosαv_x(t) = v_0 \cos\alpha, vy(t)=gt+v0sinαv_y(t) = -g t + v_0 \sin\alpha

    • Position : x(t)=(v0cosα)tx(t) = (v_0 \cos\alpha) t, y(t)=12gt2+(v0sinα)ty(t) = -\frac{1}{2} g t^2 + (v_0 \sin\alpha) t

    • Équation de la trajectoire : En éliminant tt des équations de position, on obtient : y(x)=g2(v0cosα)2x2+(tanα)xy(x) = -\frac{g}{2(v_0 \cos\alpha)^2} x^2 + (\tan\alpha) x

      C'est l'équation d'une parabole.

  4. Mouvement circulaire uniforme Un mouvement est circulaire uniforme si la trajectoire est un cercle et la vitesse scalaire est constante. Dans ce cas, le vecteur accélération aG\vec{a}_G est centripète (dirigé vers le centre du cercle) et sa norme est constante : aN=v2Ra_N = \frac{v^2}{R}

    vv est la vitesse scalaire et RR est le rayon de la trajectoire. La 2ème loi de Newton implique que la somme des forces extérieures a une composante radiale non nulle, dirigée vers le centre du cercle.

V. Théorème de l'énergie cinétique (TEC)

Le théorème de l'énergie cinétique est une approche énergétique pour l'étude du mouvement. Il est particulièrement utile lorsque les forces sont variables ou lorsque l'on s'intéresse aux variations de vitesse sur un déplacement donné.

  1. Énergie cinétique (EcE_c) L'énergie cinétique d'un solide de masse mm et de vitesse vv est donnée par : Ec=12mv2E_c = \frac{1}{2} m v^2

    L'unité de l'énergie cinétique est le Joule (J\text{J}).

  2. Travail d'une force (W\mathcal{W}) Le travail d'une force constante F\vec{F} lors d'un déplacement rectiligne AB\vec{AB} est : WAB(F)=FAB=FABcosα\mathcal{W}_{AB}(\vec{F}) = \vec{F} \cdot \vec{AB} = F \cdot AB \cdot \cos\alpha

    α\alpha est l'angle entre F\vec{F} et AB\vec{AB}.

    • Si α[0,π/2[\alpha \in [0, \pi/2[ : travail moteur (W>0\mathcal{W} > 0).
    • Si α=π/2\alpha = \pi/2 : travail nul (W=0\mathcal{W} = 0).
    • Si α]π/2,π]\alpha \in ]\pi/2, \pi] : travail résistant (W<0\mathcal{W} < 0). Pour une force variable ou un déplacement non rectiligne, le travail est calculé par une intégrale.
  3. Énoncé du Théorème de l'Énergie Cinétique La variation de l'énergie cinétique d'un solide entre deux instants t1t_1 et t2t_2 (ou entre deux positions A et B) est égale à la somme des travaux de toutes les forces extérieures appliquées au solide pendant ce déplacement. ΔEc=EcBEcA=WAB(Fext)\Delta E_c = E_{c_B} - E_{c_A} = \sum \mathcal{W}_{AB}(\vec{F}_{ext})

    Ce théorème est valable dans tout repère galiléen.

Exemple résolu

Extrait d'annale : Étude du mouvement d'un solide sur un plan horizontal

Un solide SS de masse m=2m = 2 kg et de centre d'inertie GG glisse sans frottement sur un plan horizontal (π\pi). Le solide SS est en mouvement sur la partie OAOA du plan sous l'action d'une force motrice F\vec{F} horizontale constante. Données : m=2m = 2 kg ; OA=2,25OA = 2,25 m. On étudie le mouvement de GG dans un repère (O,i)(O, \vec{i}) lié à un laboratoire considéré galiléen. L'axe OxOx est horizontal et orienté dans le sens du mouvement. À l'instant t=0t=0, le solide SS part de OO sans vitesse initiale.

  1. Faire le bilan des forces exercées sur le solide SS.
  2. Appliquer la deuxième loi de Newton pour déterminer l'expression de l'accélération axa_x du centre d'inertie GG.
  3. Établir les équations horaires de la vitesse vx(t)v_x(t) et de la position x(t)x(t) du centre d'inertie GG.
  4. Sachant que l'intensité de la force F\vec{F} est F=10F = 10 N, calculer la vitesse du solide SS en arrivant au point AA.

Solution :

  1. Bilan des forces exercées sur le solide SS : Le solide SS est soumis à trois forces :

    • Son poids P\vec{P} : force verticale, dirigée vers le bas, d'intensité P=mgP = mg.
    • La réaction normale du support N\vec{N} : force verticale, dirigée vers le haut, exercée par le plan horizontal sur le solide.
    • La force motrice F\vec{F} : force horizontale, dirigée dans le sens du mouvement. (Absence de frottements selon l'énoncé).

    figure

  2. Application de la deuxième loi de Newton :

    • Système étudié : Solide SS.
    • Repère d'étude : (O,i)(O, \vec{i}) lié au laboratoire, considéré galiléen.
    • Bilan des forces : P\vec{P}, N\vec{N}, F\vec{F}.
    • Deuxième loi de Newton : Fext=maG\sum \vec{F}_{ext} = m \vec{a}_G P+N+F=maG\vec{P} + \vec{N} + \vec{F} = m \vec{a}_G
    • Projection sur l'axe OxOx : L'axe OxOx est horizontal et orienté dans le sens du mouvement. Les forces P\vec{P} et N\vec{N} sont perpendiculaires à l'axe OxOx, donc leurs projections sont nulles. La force F\vec{F} est colinéaire à l'axe OxOx et dans le même sens, donc sa projection est FF. Px+Nx+Fx=maxP_x + N_x + F_x = m a_x 0+0+F=max0 + 0 + F = m a_x D'où l'expression de l'accélération axa_x : ax=Fma_x = \frac{F}{m}
  3. Établissement des équations horaires de la vitesse vx(t)v_x(t) et de la position x(t)x(t) : L'accélération ax=Fma_x = \frac{F}{m} est constante, le mouvement est donc rectiligne uniformément varié.

    • Accélération : ax(t)=Fma_x(t) = \frac{F}{m}

    • Vitesse : Par intégration de l'accélération : vx(t)=axdt=Fmt+C1v_x(t) = \int a_x dt = \frac{F}{m} t + C_1. À t=0t=0, le solide part sans vitesse initiale, donc vx(0)=0v_x(0) = 0. 0=Fm(0)+C1    C1=00 = \frac{F}{m} (0) + C_1 \implies C_1 = 0. Donc, l'équation horaire de la vitesse est : vx(t)=Fmtv_x(t) = \frac{F}{m} t

    • Position : Par intégration de la vitesse : x(t)=vxdt=Fmtdt=12Fmt2+C2x(t) = \int v_x dt = \int \frac{F}{m} t dt = \frac{1}{2} \frac{F}{m} t^2 + C_2. À t=0t=0, le solide part de OO, donc x(0)=0x(0) = 0. 0=12Fm(0)2+C2    C2=00 = \frac{1}{2} \frac{F}{m} (0)^2 + C_2 \implies C_2 = 0. Donc, l'équation horaire de la position est : x(t)=12Fmt2x(t) = \frac{1}{2} \frac{F}{m} t^2

  4. Calcul de la vitesse du solide SS en arrivant au point AA : Données : F=10F = 10 N, m=2m = 2 kg, OA=2,25OA = 2,25 m. L'accélération est ax=Fm=102=5 m.s2a_x = \frac{F}{m} = \frac{10}{2} = 5 \text{ m.s}^{-2}. Au point AA, la position est xA=OA=2,25x_A = OA = 2,25 m. Nous avons x(t)=12axt2x(t) = \frac{1}{2} a_x t^2. Pour trouver le temps tAt_A mis pour atteindre AA : tA2=2xAax=2×2,255=4,55=0,9 s2t_A^2 = \frac{2 x_A}{a_x} = \frac{2 \times 2,25}{5} = \frac{4,5}{5} = 0,9 \text{ s}^2. tA=0,90,9487 st_A = \sqrt{0,9} \approx 0,9487 \text{ s}. La vitesse au point AA est vA=axtAv_A = a_x t_A. vA=5×0,94874,74 m.s1v_A = 5 \times 0,9487 \approx 4,74 \text{ m.s}^{-1}.

    Méthode alternative (Théorème de l'énergie cinétique) : ΔEc=WOA(Fext)\Delta E_c = \sum \mathcal{W}_{OA}(\vec{F}_{ext}) EcAEcO=WOA(P)+WOA(N)+WOA(F)E_{c_A} - E_{c_O} = \mathcal{W}_{OA}(\vec{P}) + \mathcal{W}_{OA}(\vec{N}) + \mathcal{W}_{OA}(\vec{F}) Le solide part sans vitesse initiale, donc EcO=0E_{c_O} = 0. Les forces P\vec{P} et N\vec{N} sont perpendiculaires au déplacement OA\vec{OA}, donc leurs travaux sont nuls. WOA(F)=FOA=FOAcos(0)=FOA\mathcal{W}_{OA}(\vec{F}) = \vec{F} \cdot \vec{OA} = F \cdot OA \cdot \cos(0^\circ) = F \cdot OA. Donc, 12mvA20=FOA\frac{1}{2} m v_A^2 - 0 = F \cdot OA. vA2=2FOAmv_A^2 = \frac{2 F \cdot OA}{m}. vA=2FOAm=2×10×2,252=10×2,25=22,54,74 m.s1v_A = \sqrt{\frac{2 F \cdot OA}{m}} = \sqrt{\frac{2 \times 10 \times 2,25}{2}} = \sqrt{10 \times 2,25} = \sqrt{22,5} \approx 4,74 \text{ m.s}^{-1}. Les deux méthodes donnent le même résultat.

La méthode

Pour résoudre un problème de mécanique impliquant la 2ème loi de Newton, suis ces étapes numérotées :

  1. Définir le système étudié : Précise clairement le corps ou l'ensemble de corps dont tu étudies le mouvement.
  2. Choisir un repère d'étude : Sélectionne un repère galiléen (souvent lié au laboratoire ou à la Terre) et un système de coordonnées (cartésien, polaire, etc.) adapté à la géométrie du problème. Oriente les axes judicieusement pour simplifier les projections.
  3. Faire le bilan des forces extérieures :
    • Liste toutes les forces agissant sur le système.
    • Représente-les sur un schéma clair du système, en indiquant leur point d'application, leur direction et leur sens.
    • N'oublie pas le poids, la réaction normale du support, les frottements, les tensions, etc.
  4. Appliquer la deuxième loi de Newton : Écris l'équation vectorielle Fext=maG\sum \vec{F}_{ext} = m \vec{a}_G.
  5. Projeter l'équation vectorielle : Projette l'équation vectorielle sur les axes du repère choisi pour obtenir un système d'équations scalaires. Sois attentif aux signes des projections.
  6. Déterminer l'accélération : À partir des équations projetées, déduis les composantes de l'accélération (ax,ay,aza_x, a_y, a_z).
  7. Intégrer pour obtenir les équations horaires de la vitesse : Intègre les composantes de l'accélération par rapport au temps. Utilise les conditions initiales de vitesse (vx(0),vy(0),vz(0)v_x(0), v_y(0), v_z(0)) pour déterminer les constantes d'intégration.
  8. Intégrer pour obtenir les équations horaires de la position : Intègre les composantes de la vitesse par rapport au temps. Utilise les conditions initiales de position (x(0),y(0),z(0)x(0), y(0), z(0)) pour déterminer les constantes d'intégration.
  9. Exploiter les équations horaires ou le Théorème de l'Énergie Cinétique :
    • Pour trouver des grandeurs cinématiques (vitesse, position à un instant donné, durée, portée, hauteur maximale).
    • Pour établir l'équation de la trajectoire (en éliminant le temps).
    • Si le problème implique des variations d'énergie ou de vitesse sur un déplacement, le Théorème de l'Énergie Cinétique (ΔEc=WAB(Fext)\Delta E_c = \sum \mathcal{W}_{AB}(\vec{F}_{ext})) peut être plus direct.

Pièges classiques

  • Oubli ou mauvaise représentation d'une force : Par exemple, oublier la réaction normale sur un plan incliné, ou mal orienter la force de frottement. Contre-exemple : Sur un plan incliné, la réaction normale est perpendiculaire au plan, pas verticale.
  • Erreur dans le choix du repère ou de son orientation : Un repère mal choisi complique les projections. Contre-exemple : Pour un plan incliné, un axe parallèle au plan et un axe perpendiculaire au plan simplifient les projections du poids et de la réaction normale.
  • Erreur de signe lors des projections : Une projection dans le sens opposé à l'axe doit avoir un signe négatif. Contre-exemple : Si l'axe OyOy est vers le haut, la projection du poids P\vec{P} est P=mg-P = -mg.
  • Oubli des conditions initiales : Les constantes d'intégration ne peuvent être déterminées sans les conditions initiales de vitesse et de position. Contre-exemple : Si un objet part sans vitesse initiale, v0=0v_0 = 0. Si un objet part de l'origine, x0=0x_0 = 0.
  • Confusion entre masse et poids : La masse est une grandeur scalaire intrinsèque au corps (en kg), le poids est une force (en N). Contre-exemple : P=mgP = mg, mm est la masse, PP est le poids.
  • Utilisation d'un repère non galiléen sans correction : Les lois de Newton ne s'appliquent directement que dans un repère galiléen. Contre-exemple : Le repère terrestre est galiléen pour des durées courtes, mais pas pour des mouvements de longue durée (ex: pendule de Foucault).
  • Erreur dans le calcul des travaux des forces : Oublier l'angle entre la force et le déplacement, ou ne pas considérer les forces dont le travail est nul (forces perpendiculaires au déplacement). Contre-exemple : Le travail de la réaction normale sur un plan est toujours nul car N\vec{N} est perpendiculaire au déplacement.
  • Manque d'unités ou de chiffres significatifs : Ces erreurs coûtent des points à l'examen. Contre-exemple : Un résultat numérique doit toujours être accompagné de son unité et présenté avec un nombre de chiffres significatifs cohérent avec les données.

Ce qui tombe à l'examen

Le chapitre de mécanique est un pilier de l'examen de Physique-Chimie, représentant environ 27% de la note totale. Les questions évaluent ta capacité à mobiliser les savoirs et savoir-faire (45%), à appliquer une démarche expérimentale (15%) et à résoudre des problèmes (40%).

Les exercices de mécanique se présentent souvent sous forme de problèmes thématiques (environ 2,5 à 5,5 points sur 20) et peuvent inclure :

  • Mouvement sur plan horizontal ou incliné : Avec ou sans frottements, sous l'action d'une force constante.

    • Questions typiques :
      • Bilan des forces.
      • Application de la 2ème loi de Newton pour établir l'équation différentielle du mouvement.
      • Détermination de l'accélération.
      • Établissement des équations horaires de vitesse et de position.
      • Calcul de vitesses ou de distances à des instants précis.
      • Utilisation du théorème de l'énergie cinétique pour calculer une vitesse ou un travail.
    • Exemple d'annale : "Étude du mouvement d'un solide sur un plan horizontal" (voir l'exemple résolu ci-dessus). "Étude du mouvement d'un skieur avec frottements" (annale réelle). figure figure
  • Chute libre et chute avec frottements : Mouvement vertical d'un corps.

    • Questions typiques :
      • Établissement de l'équation différentielle de la vitesse.
      • Détermination de la vitesse limite (en cas de frottements).
      • Exploitation de courbes v(t)v(t) pour déterminer la vitesse limite ou le temps caractéristique.
      • Application de la méthode d'Euler pour la résolution numérique.
    • Exemple d'annale : "Appliquer la deuxième loi de Newton pour établir l'équation différentielle du mouvement du centre d'inertie d'un solide en chute verticale avec frottement." (Corrigé officiel 2024).
  • Mouvement de projectiles : Lancement d'un objet dans le champ de pesanteur uniforme.

    • Questions typiques :
      • Établissement des équations horaires du mouvement.
      • Déduction de l'équation de la trajectoire.
      • Calcul de la portée, de la hauteur maximale, de l'instant d'impact.
    • Exemple d'annale : "Appliquer la deuxième loi de Newton dans le cas d'un projectile pour : *établir les équations différentielles du mouvement. *en déduire les équations horaires du mouvement et les exploiter. *trouver l'équation de la trajectoire." (Corrigé officiel 2024).
  • Mouvement circulaire : Étude de la dynamique des corps en rotation ou en mouvement circulaire.

    • Questions typiques :
      • Calcul de l'accélération normale (centripète).
      • Application de la 2ème loi de Newton pour déterminer les forces nécessaires au maintien du mouvement circulaire.

Attendus de correction :

  • Rigueur : Chaque étape de la démarche doit être justifiée.
  • Schémas : Des schémas clairs et annotés des forces sont souvent exigés.
  • Unités : Toutes les grandeurs physiques doivent être accompagnées de leur unité dans le système international.
  • Chiffres significatifs : Les résultats numériques doivent être donnés avec un nombre de chiffres significatifs cohérent avec les données de l'énoncé.
  • Exploitation de courbes : Tu devras savoir lire et interpréter des graphiques (v(t)v(t), x(t)x(t), a(t)a(t)) pour en extraire des informations (vitesse limite, temps caractéristique, etc.). figure

La pratique régulière d'exercices variés est la clé de la réussite pour ce chapitre.

Exercices corrigés

Exercice 1·Facile

Étude du mouvement d'un solide sur un plan horizontal

Cet exercice se propose d'étudier le mouvement d'un solide sur un plan horizontal. Un solide SS de masse mm et de centre d'inertie GG glisse sans frottement sur un plan horizontal (π\pi).

  1. Le solide SS est en mouvement sur la partie OAOA du plan sous l'action d'une force motrice F\vec{F} horizontale constante (figure 1). Données :

    • m=2m = 2 kg.
    • OA=2,25OA = 2,25 m. On étudie le mouvement de GG dans un repère (O,i)(O, \vec{i}) lié à un référentiel terrestre supposé galiléen et on repère la position de GG à chaque instant par son abscisse x(t)x(t). À l'instant t=0t=0, le centre GG et l'origine OO sont confondus. Un système d'acquisition informatisé permet de tracer la courbe représentant l'évolution de la vitesse de GG sur la partie OAOA (figure 2). 1.1. En appliquant la deuxième loi de Newton, montrer que l'équation différentielle vérifiée par l'abscisse x(t)x(t) est d2xdt2=Fm\frac{d^2 x}{dt^2} = \frac{F}{m}. 1.2. En exploitant le graphe de la figure 2, vérifier que l'accélération du mouvement de GG est aG=2a_G = 2 m.s2^{-2}. 1.3. En déduire l'intensité de F\vec{F}. 1.4. Montrer que l'équation horaire du mouvement de GG sur la partie OAOA, dans le système international d'unités, s'écrit : x=t2x = t^2.
  2. Lors du passage de GG par le point AA, on élimine la force F\vec{F}. Le solide poursuit alors son mouvement sur la portion ABAB. 2.1. Montrer que le mouvement de GG sur la partie ABAB est rectiligne uniforme. 2.2. Trouver alors la vitesse VV de GG sur la partie ABAB.

Figure 1

Figure 2

Voir la correction

1.1. Système étudié : {solide S}. Bilan des forces : Poids P\vec{P}, Réaction normale du plan N\vec{N}, Force motrice F\vec{F}. En appliquant la deuxième loi de Newton : F=ma\sum \vec{F} = m \vec{a}. Projection sur l'axe (Ox)(Ox) : F=max=md2xdt2F = m a_x = m \frac{d^2 x}{dt^2}. Donc, d2xdt2=Fm\frac{d^2 x}{dt^2} = \frac{F}{m}. 1.2. D'après le graphe de la figure 2, la vitesse v(t)v(t) est une fonction linéaire du temps, v(t)=ktv(t) = k t. La pente k=ΔvΔt=0,600,30=2k = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{0,6 - 0}{0,3 - 0} = 2 m.s2^{-2}. Puisque aG=dvdta_G = \frac{dv}{dt}, l'accélération du mouvement de GG est aG=2a_G = 2 m.s2^{-2}. 1.3. D'après la deuxième loi de Newton, F=maG=2×2=4F = m a_G = 2 \times 2 = 4 N. 1.4. L'accélération est constante aG=2a_G = 2 m.s2^{-2}. L'équation horaire de la vitesse est v(t)=aGt+v0v(t) = a_G t + v_0. Avec v0=0v_0 = 0, v(t)=2tv(t) = 2t. L'équation horaire de la position est x(t)=12aGt2+v0t+x0x(t) = \frac{1}{2} a_G t^2 + v_0 t + x_0. Avec v0=0v_0 = 0 et x0=0x_0 = 0, x(t)=12(2)t2=t2x(t) = \frac{1}{2} (2) t^2 = t^2. 2.1. Lors du passage de GG par le point AA, la force F\vec{F} est éliminée. Le solide glisse sans frottement. Les forces agissant sur le solide sont P\vec{P} et N\vec{N}. En appliquant la deuxième loi de Newton : P+N=ma\vec{P} + \vec{N} = m \vec{a}. Projection sur l'axe (Ox)(Ox) : 0=maxax=00 = m a_x \Rightarrow a_x = 0. Puisque l'accélération est nulle, le mouvement est rectiligne uniforme. 2.2. La vitesse VV de GG sur la partie ABAB est la vitesse au point AA. D'après l'équation horaire x(t)=t2x(t) = t^2, on a xA=OA=2,25x_A = OA = 2,25 m. tA2=2,25tA=2,25=1,5t_A^2 = 2,25 \Rightarrow t_A = \sqrt{2,25} = 1,5 s. La vitesse au point AA est vA=2tA=2×1,5=3v_A = 2 t_A = 2 \times 1,5 = 3 m.s1^{-1}. Donc, la vitesse VV de GG sur la partie ABAB est V=3V = 3 m.s1^{-1}.

1.1. Appliquer la deuxième loi de Newton au solide, projeter les forces sur l'axe du mouvement pour obtenir l'équation différentielle de l'abscisse. 1.2. Lire la pente du graphe v(t)v(t) sur la figure 2 pour déterminer l'accélération. 1.3. Utiliser la deuxième loi de Newton (F=maF = ma) pour calculer l'intensité de la force F\vec{F}. 1.4. Intégrer l'accélération pour trouver l'équation horaire de la vitesse, puis intégrer la vitesse pour trouver l'équation horaire de la position, en utilisant les conditions initiales. 2.1. Appliquer la deuxième loi de Newton au solide sur la partie ABAB (sans la force F\vec{F} et sans frottement) pour montrer que l'accélération est nulle, ce qui implique un mouvement rectiligne uniforme. 2.2. Calculer le temps tAt_A pour atteindre le point AA en utilisant l'équation horaire de la position. Puis, calculer la vitesse au point AA en utilisant l'équation horaire de la vitesse. Cette vitesse est la vitesse sur la partie ABAB.

Exercice 2·Facile

EXERCICE 5 (2,5 points) Etude du mouvement d'un solide sur un plan horizontal Cet exercice se propose d'étudier le mouvement d'un solide sur un plan horizontal. Un solide S de masse m et de centre d'inertie G glisse sans frottement sur un plan horizontal (π\pi) .

  1. Le solide S est en mouvement sur la partie OA du plan sous l'action d'une force motrice F\vec{F} horizontale constante (figure 1). Données :
  • m = 2 kg;
  • OA = 2,25 m. On étudie le mouvement de G dans un repère (O, i\vec{i}) lié à un référentiel terrestre supposé galiléen et on repère la position de G à chaque instant par son abscisse x(t). A l'instant t = 0, le centre G et l'origine O sont confondus. Un système d'acquisition informatisé permet de tracer la courbe représentant l'évolution de la vitesse de G sur la partie OA(figure 2). 1.1. En appliquant la deuxième loi de Newton, montrer que l'équation différentielle vérifiée par l'abscisse x(t) est : d2xdt2=Fm\frac{d^2x}{dt^2} = \frac{F}{m}. 1.2. En exploitant le graphe de la figure 2, vérifier que l'accélération du mouvement de G est aG=2m.s2a_G = 2 m.s^{-2}. 1.3. En déduire l'intensité de F. 1.4. Montrer que l'équation horaire du mouvement de G sur la partie OA, dans le système international d'unités, s'écrit : x=t2x = t^2.
  1. Lors du passage de G par le point A, on élimine la force F\vec{F} . le solide poursuit alors son mouvement sur la portion AB. 2.1. Montrer que le mouvement de G sur la partie AB est rectiligne uniforme. 2.2. Trouver alors la vitesse V de G sur la partie AB.
Voir la correction

1.1. Système : Solide S de masse m. Référentiel : Terrestre, supposé galiléen. Forces : Poids P\vec{P}, Réaction normale R\vec{R} (pas de frottement), Force motrice F\vec{F}. Deuxième loi de Newton : F=maGP+R+F=maG\sum \vec{F} = m\vec{a}_G \Rightarrow \vec{P} + \vec{R} + \vec{F} = m\vec{a}_G. Projection sur l'axe Ox : F=maGF = m a_G. Or aG=dvdt=d2xdt2a_G = \frac{dv}{dt} = \frac{d^2x}{dt^2}. Donc F=md2xdt2d2xdt2=FmF = m \frac{d^2x}{dt^2} \Rightarrow \frac{d^2x}{dt^2} = \frac{F}{m}. 1.2. Le graphe de la figure 2 représente v(t)v(t). C'est une droite passant par l'origine, donc le mouvement est rectiligne uniformément varié. La pente de cette droite représente l'accélération aGa_G. aG=ΔvΔt=0.600.30=0.60.3=2m.s2a_G = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{0.6 - 0}{0.3 - 0} = \frac{0.6}{0.3} = 2 m.s^{-2}. 1.3. D'après la question 1.1, F=maGF = m a_G. F=2kg×2m.s2=4NF = 2 kg \times 2 m.s^{-2} = 4 N. 1.4. L'accélération est constante aG=2m.s2a_G = 2 m.s^{-2}. L'équation horaire de la vitesse est v(t)=aGt+v0v(t) = a_G t + v_0. Puisque v(0)=0v(0) = 0, v(t)=2tv(t) = 2t. L'équation horaire de la position est x(t)=12aGt2+v0t+x0x(t) = \frac{1}{2} a_G t^2 + v_0 t + x_0. Puisque x(0)=0x(0) = 0 et v(0)=0v(0) = 0, x(t)=12(2)t2=t2x(t) = \frac{1}{2} (2) t^2 = t^2. 2.1. Sur la portion AB, la force F\vec{F} est éliminée. Les seules forces agissant sur le solide sont le poids P\vec{P} et la réaction normale R\vec{R}. La somme des forces est P+R=maG\vec{P} + \vec{R} = m\vec{a}_G. En projetant sur l'axe Ox, 0=maG0 = m a_G, donc aG=0a_G = 0. Un mouvement avec une accélération nulle est un mouvement rectiligne uniforme. 2.2. La vitesse V sur la partie AB est la vitesse du solide au point A. Au point A, xA=OA=2.25mx_A = OA = 2.25 m. En utilisant l'équation horaire x(t)=t2x(t) = t^2, on trouve le temps tAt_A au point A : tA2=2.25tA=2.25=1.5st_A^2 = 2.25 \Rightarrow t_A = \sqrt{2.25} = 1.5 s. La vitesse au point A est VA=v(tA)=2tA=2×1.5=3m.s1V_A = v(t_A) = 2 t_A = 2 \times 1.5 = 3 m.s^{-1}. Donc la vitesse V de G sur la partie AB est 3m.s13 m.s^{-1}.

1.1. Appliquer la deuxième loi de Newton et projeter sur l'axe du mouvement. 1.2. Calculer la pente de la courbe v(t)v(t) pour trouver l'accélération. 1.3. Utiliser la relation F=maGF = m a_G pour calculer F. 1.4. Intégrer l'accélération pour obtenir la vitesse, puis la position, en utilisant les conditions initiales. 2.1. Appliquer la deuxième loi de Newton sans la force F\vec{F} et montrer que l'accélération est nulle. 2.2. Calculer le temps tAt_A pour atteindre le point A en utilisant l'équation horaire de la position, puis calculer la vitesse à cet instant.

Exercice 3·Moyen

Exercice IV (5,5 points) :

Les deux parties sont indépendantes

Partie I: Étude du mouvement d'un skieur avec frottements

Le ski, comme sport, est considéré parmi les meilleures activités de loisir pendant l'hiver; c'est un sport d'aventure, de constance physique, et de souplesse.

On se propose d'étudier dans cette partie, le mouvement du centre d'inertie d'un skieur avec ses accessoires sur une piste de ski.

  • Un skieur glisse sur une piste de ski, constituée par deux parties:
    • Une partie A'B' rectiligne et inclinée d'un angle α\alpha par rapport à l'horizontale.
    • Une partie B'C' rectiligne et horizontale (voir figure).

Données :

  • g=9,8 m.s2g = 9,8 \text{ m.s}^{-2} ;
  • Masse totale du skieur et ses accessoires : m=65 kgm = 65 \text{ kg} ;
  • Angle d'inclinaison: α=23\alpha = 23^{\circ} ;
  • On néglige la résistance de l'air.

1- Étude du mouvement sur le plan incliné :

On étudie le mouvement du centre d'inertie GG du système (S)(S), constitué par le skieur et ses accessoires, dans le repère (A,i,j)(A', \vec{i}, \vec{j}) lié à un référentiel terrestre considéré galiléen.

Le système (S)(S) se met en mouvement sans vitesse initiale depuis le point AA, confondu avec GG à l'instant t=0t=0, origine des dates.

Le mouvement de GG se fait suivant la ligne de plus grande pente du plan incliné ABA'B' (AB=ABA'B' = A'B').

Le contact entre le plan incliné et le système (S)(S) se fait avec frottements .La force de frottements est constante d'intensité f=15 Nf = 15 \text{ N}.

1.1. En appliquant la deuxième loi de Newton, montrer que l'équation différentielle vérifiée par la vitesse vGv_G du mouvement de GG s'écrit sous forme dvGdt=gsin(α)fm\frac{dv_G}{dt} = g \sin(\alpha) - \frac{f}{m}. 1.2. La solution de cette équation différentielle est de la forme : vG(t)=bt+cv_G(t) = b t + c. Déterminer les valeurs de bb et cc. 1.3. Déduire la valeur de tBt_B, l'instant de passage du centre d'inertie GG par la position BB avec une vitesse égale à 90 km.h190 \text{ km.h}^{-1}. 1.4. Trouver l'intensité RR de l'action de la force exercée par le plan incliné sur le système (S)(S).

2- Étude du mouvement sur le plan horizontal :

Le système (S)(S) continue son mouvement sur le plan horizontal BCB'C' pour s'arrêter à la position CC'. Le contact entre le plan horizontal et le système (S)(S) se fait avec frottements . La force de frottements est constante d'intensité ff'.

Le mouvement de GG est étudié dans le repère horizontal (B,i)(B, \vec{i}) lié à un référentiel terrestre considéré galiléen.

Le centre d'inertie GG passe par le point BB avec une vitesse de 90 km.h190 \text{ km.h}^{-1} à un instant considéré comme nouvelle origine des dates.

2.1. En appliquant la deuxième loi de Newton, trouver l'intensité ff' sachant que la composante horizontale du vecteur accélération du mouvement de GG est ax=3 m.s2a_x = -3 \text{ m.s}^{-2}. 2.2. Déterminer tCt_C, l'instant d'arrêt du système. 2.3. Déduire la distance BCBC parcourue par GG.

Partie II : Étude énergétique d'un pendule de torsion

Historiquement, Cavendish a utilisé le pendule de torsion pour déterminer la valeur de GG, la constante d'attraction universelle. Ce type de pendule est utilisé parfois, pour déterminer la constante de torsion des matériaux solides et déformables.

On se propose de déterminer la valeur de la constante de torsion d'un fil en acier ainsi que le moment d'inertie d'une tige en exploitant les diagrammes d'énergie.

Un pendule de torsion est constitué d'un fil en acier vertical, de constante de torsion CC, et d'une tige ABAB homogène de moment d'inertie JΔJ_{\Delta} par rapport à un axe vertical (Δ)(\Delta) confondu avec le fil et passant par le centre d'inertie GG de la tige.

On écarte la tige horizontalement, dans le sens positif, d'un angle θ0=0,8 rad\theta_0 = 0,8 \text{ rad} par rapport à sa position d'équilibre et on la lâche sans vitesse initiale à un instant t=0t=0.

On repère la position de la tige à chaque instant par l'abscisse angulaire θ\theta par rapport à la position d'équilibre. (voir figure ci-contre)

On étudie le mouvement du pendule dans un référentiel terrestre considéré galiléen.

On considère la position d'équilibre du pendule comme référence de l'énergie potentielle de torsion et le plan horizontal passant par GG comme référence de l'énergie potentielle de pesanteur.

On néglige tout frottement.

La courbe de la figure ci-contre, représente les variations de l'énergie cinétique ECE_C du pendule en fonction de l'angle θ\theta.

  1. Écrire l'expression de l'énergie mécanique du pendule en fonction de CC, JΔJ_{\Delta}, θ\theta et la vitesse angulaire θ˙\dot{\theta}.
  2. Déterminer la valeur de la constante de torsion CC du fil en acier.
  3. Sachant que la vitesse angulaire maximale est θ˙max=2,31 rad.s1\dot{\theta}_{max} = 2,31 \text{ rad.s}^{-1}. Trouver la valeur de JΔJ_{\Delta}.

Figure 1

Figure 2

Figure 3

Voir la correction

Partie I: 1.1. Équation différentielle: dvGdt=gsin(α)fm\frac{dv_G}{dt} = g \sin(\alpha) - \frac{f}{m}. 1.2. Valeurs de bb et cc: b=gsin(α)fm=3,6 m.s2b = g \sin(\alpha) - \frac{f}{m} = 3,6 \text{ m.s}^{-2} et c=0c = 0. 1.3. Instant tBt_B: tB=6,9 st_B = 6,9 \text{ s}. 1.4. Intensité RR de l'action du plan: R=586,5 NR = 586,5 \text{ N}. 2.1. Intensité ff': f=195 Nf' = 195 \text{ N}. 2.2. Instant tCt_C: tC=8,33 st_C = 8,33 \text{ s}. 2.3. Distance BCBC: BC=104,2 mBC = 104,2 \text{ m}.

Partie II:

  1. Expression de l'énergie mécanique du pendule: Em=Ec+Ept+Epp=12JΔθ˙2+12Cθ2+0E_m = E_c + E_{pt} + E_{pp} = \frac{1}{2} J_{\Delta} \dot{\theta}^2 + \frac{1}{2} C \theta^2 + 0.
  2. Constante de torsion CC: C=50 mN.m.rad1C = 50 \text{ mN.m.rad}^{-1}.
  3. Valeur de JΔJ_{\Delta}: JΔ=6,0×103 kg.m2J_{\Delta} = 6,0 \times 10^{-3} \text{ kg.m}^2.

Partie I: 1.1. On applique la deuxième loi de Newton F=ma\sum \vec{F} = m \vec{a}. On projette cette équation sur l'axe AxA'x' orienté dans le sens du mouvement. Les forces sont le poids P\vec{P}, la réaction normale Rn\vec{R}_n et la force de frottement f\vec{f}. On obtient Px+Rnx+fx=maxP_x + R_{nx} + f_x = m a_x. Avec Px=mgsin(α)P_x = mg \sin(\alpha), Rnx=0R_{nx} = 0, fx=ff_x = -f et ax=dvGdta_x = \frac{dv_G}{dt}. On en déduit l'équation différentielle. 1.2. On intègre l'équation différentielle dvGdt=b\frac{dv_G}{dt} = b. La solution est vG(t)=bt+cv_G(t) = bt + c. On identifie b=gsin(α)fmb = g \sin(\alpha) - \frac{f}{m} et c=vG(0)c = v_G(0). Puisque le skieur part sans vitesse initiale, vG(0)=0v_G(0) = 0, donc c=0c=0. 1.3. On utilise l'équation de la vitesse vG(t)=btv_G(t) = bt. On convertit la vitesse 90 km.h190 \text{ km.h}^{-1} en m.s1\text{m.s}^{-1} et on résout pour tBt_B. 1.4. L'intensité de l'action du plan RR est la résultante de la réaction normale RnR_n et de la force de frottement ff. R=Rn2+f2R = \sqrt{R_n^2 + f^2}. La réaction normale Rn=Py=mgcos(α)R_n = P_y = mg \cos(\alpha). 2.1. On applique la deuxième loi de Newton sur le plan horizontal: F=ma\sum \vec{F} = m \vec{a}. On projette sur l'axe BxBx'. Les forces sont le poids P\vec{P}, la réaction normale Rn\vec{R}_n' et la force de frottement f\vec{f}'. On a Px+Rnx+fx=maxP_x + R_{nx}' + f_x' = m a_x. Avec Px=0P_x = 0, Rnx=0R_{nx}' = 0, fx=ff_x' = -f' et ax=3 m.s2a_x = -3 \text{ m.s}^{-2}. On en déduit ff'. 2.2. L'équation de la vitesse est vG(t)=axt+vG(0)v_G(t) = a_x t + v_G(0). Au point CC, vG(tC)=0v_G(t_C) = 0. La vitesse initiale vG(0)v_G(0) est la vitesse à laquelle le skieur arrive en BB, soit 90 km.h190 \text{ km.h}^{-1}. On résout pour tCt_C. 2.3. L'équation horaire est x(t)=12axt2+vG(0)t+x(0)x(t) = \frac{1}{2} a_x t^2 + v_G(0) t + x(0). On prend x(0)=0x(0) = 0 au point BB. La distance BC=x(tC)BC = x(t_C).

Partie II:

  1. L'énergie mécanique EmE_m est la somme de l'énergie cinétique EcE_c, l'énergie potentielle de torsion EptE_{pt} et l'énergie potentielle de pesanteur EppE_{pp}. L'énergie cinétique est Ec=12JΔθ˙2E_c = \frac{1}{2} J_{\Delta} \dot{\theta}^2. L'énergie potentielle de torsion est Ept=12Cθ2E_{pt} = \frac{1}{2} C \theta^2. L'énergie potentielle de pesanteur est nulle car le plan horizontal passant par GG est la référence.
  2. À l'angle maximal θmax=0,8 rad\theta_{max} = 0,8 \text{ rad}, la vitesse angulaire est nulle (θ˙=0\dot{\theta} = 0), donc l'énergie cinétique est nulle. L'énergie mécanique est alors égale à l'énergie potentielle de torsion maximale: Em=12Cθmax2E_m = \frac{1}{2} C \theta_{max}^2. On lit l'énergie mécanique maximale sur le graphe (valeur maximale de EcE_c, qui est aussi EmE_m car Ept=0E_{pt}=0 à θ=0\theta=0). On résout pour CC.
  3. Lorsque θ=0\theta = 0, l'énergie potentielle de torsion est nulle. L'énergie mécanique est alors égale à l'énergie cinétique maximale: Em=12JΔθ˙max2E_m = \frac{1}{2} J_{\Delta} \dot{\theta}_{max}^2. On utilise la valeur de EmE_m lue sur le graphe et la vitesse angulaire maximale donnée pour trouver JΔJ_{\Delta}.
Exercice 4·Moyen

Un mobile de masse m = 200 g décrit un cercle horizontal de rayon R=0.80R = 0.80 m à vitesse constante v=4.0v = 4.0 m/s. Calculer l'accélération et l'intensité de la force centripète qui s'exerce sur lui.

Voir la correction

Mouvement circulaire uniforme : accélération centripète a = v2v^2/R = 4.0^2/0.80 = 16/0.80 = 20 m/s2s^2. Force centripète F = m.a = 0.200 x 20 = 4.0 N, dirigée vers le centre du cercle.

MCU : a est purement normale (centripète) a = v2v^2/R ; la résultante des forces F = m.v2v^2/R pointe vers le centre.

Exercice 5·Moyen

Un solide de masse m = 0.50 kg glisse sans frottement sur un plan incliné d'angle α=30°\alpha = 30° par rapport à l'horizontale. Déterminer l'accélération du mouvement et la vitesse acquise après une distance d = 2.0 m partant du repos. Donnée : g = 9.8 m/s29.8 \text{ m/s}^{2}.

Voir la correction

2e loi de Newton projetée sur l'axe du plan : m.g.sin(alpha) = m.a -> a = g.sin(alpha) = 9.8 x 0.50 = 4.9 m/s2s^2. Mouvement uniformément accéléré depuis le repos : v2v^2 = 2.a.d = 2 x 4.9 x 2.0 = 19.6 -> v = racine(19.6) = 4.4 m/s.

Appliquer la 2e loi de Newton, projeter sur la ligne de plus grande pente (a = g.sin(alpha) sans frottement) puis v2v^2 = 2.a.d.

Exercice 6·Moyen

Exercice 3 : Mécanique - Détermination de quelques paramètres physiques caractérisant la planète Mars

La planète Mars est l'une des planètes du système solaire qu'on peut détecter facilement dans le ciel à cause de sa luminosité et de sa couleur rouge. Il a deux satellites naturels : Phobos et Déimos. Les scientifiques se sont intéressés à son étude depuis longtemps, et ils lui ont été envoyés ces dernières décennies plusieurs sondes spatiales qui ont permis d'avoir d'importantes informations sur lui. Cet exercice propose de déterminer quelques grandeurs physiques liées à cette planète.

Données :

  • Masse du Soleil : MS=2.1030M_S = 2.10^{30} kg.
  • Rayon de Mars : RM=3400R_M = 3400 km.
  • La constante gravitationnelle : G=6,67.1011G = 6,67.10^{-11} (SI).
  • La période de la rotation de Mars autour du Soleil : TM=687T_M = 687 jours. ; 1 jour = 86400 s.
  • Intensité de la pesanteur à la surface de la Terre : g0=9,8N.kg1g_0 = 9,8 N.kg^{-1}. On considère que Mars et le Soleil ont une symétrie à répartition sphérique de masse.

1- Détermination du rayon de la trajectoire de Mars et sa vitesse : On considère que le mouvement de Mars dans le référentiel héliocentrique est circulaire, sa vitesse est V et son rayon est r (on néglige les dimensions de Mars devant les distances le séparant du centre du Soleil et on néglige aussi les autres forces exercées sur lui devant l'attraction universelle exercée par le Soleil)

1-1- Représenter sur un schéma la force exercée par le Soleil sur Mars. (0,5 pts)

1-2- Écrire en fonction de G, MSM_S, MMM_M et r, l'expression de l'intensité FS/MF_{S/M} de la force d'attraction universelle qu'exerce le Soleil sur Mars. (MMM_M représente la masse de Mars) (0,5 pts)

1-3- En appliquant la deuxième loi de Newton, montrer que :

1-3-1- Le mouvement de Mars est circulaire uniforme. (0,5 pts)

1-3-2- La relation entre la période et le rayon est : TM2=4π2G.MSr3T_M^2 = \frac{4\pi^2}{G.M_S} r^3, et que la valeur de r est : r=2,3.1011r = 2,3.10^{11} m. (1pt)

1-4- Trouver la vitesse V. (0,5 pts)

2- Détermination de la masse de Mars et l'intensité de la pesanteur à sa surface : On considère que le satellite Phobos est en mouvement circulaire uniforme autour de Mars à la distance Z=6000 km de sa surface. La période de ce mouvement est TP=460T_P = 460 min (on néglige les dimensions de Phobos devant les autres dimensions). En étudiant le mouvement de Phobos dans un référentiel dont l'origine est confondue avec le centre de Mars, et qu'on suppose galiléen, trouver :

2-1- La masse MMM_M de Mars. (1 pt)

2-2- L'intensité de la pesanteur gMg_M à la surface de Mars, et comparer la valeur gMg_M avec la valeur gexp=3,8N.kg1g_{exp} = 3,8 N.kg^{-1} mesurée à sa surface à l'aide d'appareils sophistiqués. (1.5 pts)

Voir la correction

1-1- Schéma de la force FS/MF_{S/M} orientée vers le Soleil. 1-2- FS/M=GMSMMr2F_{S/M} = G \frac{M_S M_M}{r^2} 1-3-1- Le mouvement est circulaire uniforme. 1-3-2- TM2=4π2G.MSr3T_M^2 = \frac{4\pi^2}{G.M_S} r^3, r=2,3.1011mr = 2,3.10^{11} m 1-4- V=2,4.104m.s1V = 2,4.10^4 m.s^{-1} 2-1- MM=6,4.1023kgM_M = 6,4.10^{23} kg 2-2- gM=3,7N.kg1g_M = 3,7 N.kg^{-1}. La valeur est proche de gexpg_{exp}.

1-1- Dessiner Mars et le Soleil, et représenter le vecteur force d'attraction gravitationnelle exercée par le Soleil sur Mars. 1-2- Appliquer la loi de la gravitation universelle. 1-3-1- Appliquer la deuxième loi de Newton, projeter sur la base de Frenet et montrer que l'accélération tangentielle est nulle et l'accélération normale est constante. 1-3-2- Utiliser la deuxième loi de Newton pour établir la relation entre la période et le rayon (3ème loi de Kepler). Calculer r. 1-4- Utiliser la relation V=2πrTMV = \frac{2\pi r}{T_M}. 2-1- Appliquer la deuxième loi de Newton au satellite Phobos. Utiliser la 3ème loi de Kepler pour trouver MMM_M. 2-2- Utiliser la formule gM=GMMRM2g_M = G \frac{M_M}{R_M^2}. Comparer avec gexpg_{exp}.

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