Cet ouvrage fait partie de la bibliothèque YouScribe
Obtenez un accès à la bibliothèque pour le lire en ligne
En savoir plus

Guide pratique du lycéen - Physique Première S

De
188 pages
Hormis la leçon et la révision, l’un des meilleurs moyens de s’approprier la connaissance est encore de la mettre en œuvre et de se tester. L’idée sous-tend ainsi le manuel d’I. Sakho qui, après avoir élaboré un recueil d’exercices portant sur le programme de chimie des Premières S, livre son ouvrage jumeau, dédié cette fois-ci au programme de physique pour la même classe. De l’énergie cinétique à la force électrostatique, de la calorimétrie aux condensateurs, voici l’idéal compagnon du lycéen: celui qui l’assistera, pragmatiquement et intelligemment, dans l’assimilation d’un savoir dense. S’appuyant tout autant sur une restitution du cours que sur une mise en pratique de celui-ci, I. Sakho fournit aux élèves de Première S un manuel des plus stimulants, parce que fondé sur une vision vivante et presque tangible du savoir. Alliant QCM et problèmes, culminant dans des exercices de synthèse qui mobiliseront toutes les ressources de l'élève, cet ouvrage fait le pari d’assurer à ce dernier une année scolaire réussie et fertile.
Voir plus Voir moins












Guide pratique du lycéen
Physique première S Ibrahima Sakho










Guide pratique du lycéen
Physique première S






















Publibook Retrouvez notre catalogue sur le site des Éditions Publibook :




http://www.publibook.com




Ce texte publié par les Éditions Publibook est protégé par les lois et traités
internationaux relatifs aux droits d’auteur. Son impression sur papier est
strictement réservée à l’acquéreur et limitée à son usage personnel. Toute autre
reproduction ou copie, par quelque procédé que ce soit, constituerait une
contrefaçon et serait passible des sanctions prévues par les textes susvisés et
notamment le Code français de la propriété intellectuelle et les conventions
internationales en vigueur sur la protection des droits d’auteur.





Éditions Publibook
14, rue des Volontaires
75015 PARIS – France
Tél. : +33 (0)1 53 69 65 55






IDDN.FR.010.0115500.000.R.P.2010.030.31500




Cet ouvrage a fait l’objet d’une première publication aux Éditions Publibook en 2010

En savoir plus sur l’auteur

Ibrahima Sakho est diplômé de l’Ecole Normale Supérieure de Dakar où il a étudié de 1994 à
1996. Il a enseigné les sciences physiques au Lycée Alpha Molo Balde de Kolda entre 1996 et
2002 et au Lycée de Bambey de 2002 à 2008. En outre, il s’est consacré pendant deux ans
(2008-2010) à l’enseignement des sciences physiques au Lycée Technique Industriel Delafosse.

Ibrahima Sakho est Enseignant-Chercheur au Département de Physique de l’UFR de Sciences
et Technologies de l’Université de Ziguinchor. Par ailleurs, il est chercheur au Laboratoire
Atomes Lasers du Département de Physique de la Faculté des Sciences et Techniques ainsi
qu’à l’Institut de Technologie Nucléaire Appliquée de l’Université Cheikh Anta Diop (UCAD).




























































7
À mon père, Mouhammad Sakho (1935-2010),
Ancien Maréchal des Logis Chef à la Caserne Samba Dièry Diallo,
Pour service dignement rendu à la nation de 1959 à 1987.
Il fut le père qu’il nous fallait, père qui assuma pleinement ses responsabilités
envers ses enfants et ses proches.


























































8Avant-propos

Les Guides Pratiques du Lycéen, Physique et Chimie Premières S, suivent dans l’ordre
chronologique de publication, les Guides Pratiques du Lycéen, Physique et Chimie Seconde S
parus en 2004 au lycée de Bambey.


Ce livre, sous sa dénomination « Guide Pratique du Lycéen, Physique Première S », paru
depuis 2005 au lycée de Bambey, est conforme à la lettre et à l’esprit du nouveau programme
des Premières scientifiques applicable depuis la rentrée 2008.


Comme tous les Guides Pratiques, ce présent ouvrage est conçu dans le même esprit et avec
un plan et une structure typographique strictement semblables aux Guides Pratiques du Lycéen,
Physique et Chimie Seconde S. C’est ainsi qu’il comporte des outils d'évaluation variés, en parfaite
adéquation avec les nouvelles tendances pédagogiques :


Des Phrases à trou;
Des Q.C.M (Questions à Choix Multiples);
Des exercices d'application;
s à caractère expérimental;
Des tests de connaissances avec un barème.


Les divers outils d’évaluations déclinés dans cet ouvrage sont répartis en trois grandes
rubriques pour chaque chapitre :


La rubrique « Connaissances essentielles du cours » pour une simple restitution des
définitions des concepts clés à travers d’exercices riches et variés : phrases à trou, Q.C.M
(Questions à Choix Multiples) et Q.R.C (Questions à Réponses Courtes);
La rubrique « Application du cours » pour amener l’élève à tester son aptitude à transférer
ou à mobiliser ses connaissances du cours pour la résolution d’un problème relatif à la
vérification de l’assimilation de certain nombre de compétences exigibles. Sachant qu’il
n’existe pas d’enseignement des Sciences Physiques sans expérimentation, des exercices à
caractère expérimental sont venus étoffer les problèmes proposés dans cette rubrique;
Enfin, la rubrique « Je teste mes connaissances » pour permettre à l’élève de s’auto - évaluer.
Cette rubrique permet ainsi à l’élève de vérifier son aptitude à mobiliser ses connaissances
directes du cours et/ou ses acquis (lorsque l’exercice proposé fait appel à des connaissances relatives
aux chapitres antérieurs) pour la résolution d’un problème donné.


En plus des exercices proposés à divers endroits des chapitres étudiés, nous avons
proposé une série de problèmes de synthèse faisant appel à des connaissances acquises à
travers l’apprentissage de plusieurs chapitres. Les solutions détaillées de ces problèmes
ainsi que les solutions abrégées des exercices d’applications et des exercices de test de
connaissances, sont données à la fin du livre.

Nous témoignons notre profonde gratitude à Monsieur Mohammadou Moustapha Ndiaye,
ancien élève de l’Ecole Normale Supérieure de Dakar (1991-1992) et professeur de Sciences
Physiques au lycée Blaise Diagne ainsi qu’à Monsieur Ali Sène, Professeur de Sciences Physiques
au Collège privé Yalla Suur En et Doctorant en Physique Atomique et Nucléaire au Laboratoire
Atomes Laser du Département de Physique de la Faculté des Sciences et Techniques de
l’Université Cheikh Anta Diop de Dakar, pour leurs précieuses critiques et suggestions lors du
peaufinement du présent ouvrage.
9Que l’on nous permette de témoigner notre profonde gratitude à Monsieur Dramane Sakho,
Proviseur du Lycée Technique Industriel Delafosse qui par la sagesse qui l’anime et par le souci
de voir ses agents briller par la compétence, nous a indiqué la piste des Éditions Publibook. Nous
remercions par avance, tous ceux qui nous feront parvenir critiques, remarques et suggestions à
l’adresse électronique ci-dessous.

Enfin, nous rendons grâce à Allah Qui nous a permis de réaliser ce présent travail.

L’auteur
Dakar, le 25 mars 2010
coursphysique _sakho@yahoo.fr







































10Extrait du programme officiel de Premières S Mai 2008

ENERGIE _ CHAMPS



P Travail et puissance 1 Énergie potentielle élastique Énergie
potentielle de torsion Variation de l’énergie
Contenus : potentielle.
Travail: Énergie mécanique:
Travail d’une force constante ; Système conservatif Théorème de
exemple du poids Travail d’une l’énergie mécanique Conservation de
force variable (sans calcul) : force l’énergie mécanique.
élastique, couple de torsion Activités d’apprentissage:
Travail moteur ; travail résistant. Exploitation d’enregistrement Vérification
Puissance : du théorème de l’énergie potentielle à partir
Puissance moyenne Puissance d’enregistrements ou de mesures
instantanée. Vérification du théorème de l’énergie
Activités d’apprentissage: mécanique à partir d’enregistrements ou de
Détermination des travaux de mesures.
quelques forces (poids, force
appliquée à un système en rotation P Calorimétrie 4
autour d’un axe fixe, couple de
Contenus : force Détermination des
Dégradation de l’énergie mécanique puissances moyenne et
Chaleur et température. instantanée.
Modes de transfert d’énergie par:
Conduction thermique Convection P Énergie cinétique 2 Rayonnement.
Contenus : Quantité de chaleur :
Énergie cinétique: Convention de signe Expression
Énergie cinétique de translation Capacité calorifique Chaleur latente de nétique de rotation changement d’état.
Moment d’inertie d’un solide par Détermination expérimentale de
rapport à un axe fixe. grandeurs calorimétriques :
Théorème de l’énergie Calorimètre Bilan thermique.
cinétique Chaleur de réaction.
Activités d’apprentissage: Activités d’apprentissage:
Calcul de l’énergie cinétique et Expérience illustrant la transformation de
du moment d’inertie (cas simple) l’énergie mécanique en énergie thermique
Vérification du théorème de Étude des modes de transfert de chaleur
l’énergie cinétique à partir Expériences de détermination de quelques
d’enregistrements ou de valeurs grandeurs calorimétriques (capacité
numériques. calorifique, chaleur latente de changement

d’état) Expériences de détermination de la
chaleur de réaction et de la chaleur de
P Énergie potentielle. 3 dissolution.
Énergie mécanique
P Force et champ électrostatiques 5 Contenus :

Énergie potentielle: Contenus :
État de référence Énergie Force électrostatique :
potentielle de pesanteur
11Extrait du programme officiel de Premières S Mai 2008

Mise en évidence Loi de Contenus :
Coulomb. Puissance ‘’ échangée’’ par un récepteur
Champ électrostatique : Récepteur Loi d’Ohm pour un récepteur
Vecteur champ électrique ligne Force contre électromotrice Puissance totale
de champ Spectre du champ échangée, puissance utile, puissance par effet
électrique Champ électrique joule Rendement d’un récepteur Bilan
uniforme Champ électrique énergétique dans un dipôle Puissance
résultant. totale et puissance disponible d’un
Activités d’apprentissage: générateur
Expériences de mise en évidence Bilan énergétique dans un circuit
de la force électrostatique électrique
Expérience sur le champ Loi de Pouillet généralisée
électrique : mise en évidence, Activités d’apprentissage:
caractérisation du champ à Vérification expérimentale de la loi d’Ohm
l’intérieur d’un condensateur. pour récepteur (moteur, électrolyseur)
Étude de la puissance d’un récepteur
Vérification expérimentale de la loi d’Ohm P Travail de la force 6
pour générateur Étude de la puissance électrostatique Énergie
totale d’un générateur Étude du bilan potentielle électrostatique
énergétique dans un circuit électrique Étude

de la loi de Pouillet généralisée.
Contenus :

Travail de la force
P Condensateur, capacité, énergie 8électrostatique:
emmagasinée Cas d’un champ uniforme
Contenus : Différence de potentielle
Condensateur Potentiel électrique Cas d’un
Constitution Exemples Symbole champ quelconque Electronvolt.
Charge et décharge Énergie potentielle
Mise en évidence grandeurs électriques : électrostatique:
charge, tension. Relation entre le travail et la
Capacité variation de l’énergie potentielle
Relation entre charge et tension. Surface équipotentielle.
Énergie emmagasinée
Énergie d’une particule.
Expressions.
Conservation de l’énergie d’une
Activités d’apprentissage:
particule.
Observations Exploitation de documents
Étude d’oscillogrammes.
Activités d’apprentissage:
Expériences avec la cuve
rhéographique Représentation Le professeur de Sciences physiques
des lignes de champs autour d’une n’enseigne pas les Sciences physiques.
charge ponctuelle Représentation
de l’allure des lignes de champs
entre les armatures d’un Eh bien ! Qu’enseigne – t – il alors ?
condensateur plan Étude de l’énergie d’une particule.
enseigne un p programme de Sciences P Énergie électrique totale 7
physiques. mise en jeu dans un circuit
électrique

12
B.3- Mouvement d’une bille projetée Avant-propos 9
par un lance-pierres 35 Extrait programme officiel
B.4- Mouvement d’une bille sur un de Premières 11
support curviligne 35
B.5- Energie potentielle-conservation Chapitre 1 : Travail et puissance 17
36 de l’énergie mécanique
B.6- Mouvement d’une bille projetée A. /. Connaissances essentielles du cours 17
à l’aide d’un ressort 36 A.1- Phrases à trou 17
B.7- Mouvement de rotation et de A.2- Q.C.M 17
glissement d’une bille 37 A.3- Vrai ou faux 18
B.8- Mouvement d’un projectile 37 B. /- Applications du cours 19
B.9- Mouvement d’un solide dans B.1- Mouvement d’une voiture sur un
le champ de pesanteur 38 plan incliné 19
B.10- t d’un pendule pesant 38 B.2- Charge soulevée à l’aide d’une B.11- Etude du mouvement d’une barre poulie à deux gorges 19 dans le plan vertical 39 B.3- Mouvement d’un chariot 20
B.12- Barrière de potentielle 40 B.4- Travail du poids d’un corps 20
C. /- Je teste mes connaissances 41 B.5- Travail de coupe de torsion 21 B.6- Travail de la tension d’un ressort 21 Chapitre 4: Calorimétrie 43 C. /- Je teste mes connaissances 22
A. /- Connaissances essentielles du cours 43 Chapitre 2 : Energie cinétique 24
A.1- Phrases à trou 43
A.2- Q.C.M 43 A. /- Connaissances essentielles du cours 24 A.3- Vrai ou faux 44 A.1- Phrases à trou 24 B. /- Applications du cours 45 A.2- Q.C.M 24
B.1- Transformation d’énergie mécanique A.3- Vrai ou faux 25
en énergie thermique 45 B. /- Applications du cours 26
B.2- Modes de transfert de chaleur : B.1- Mouvement d’un chariot sur un conduction, convection, rayonnement 45 plan incliné 26 B.3- Détermination expérimentale de la
B.2- t d’un cylindre homogène 26 capacité calorifique d’un calorimètre 45 B.3- Mouvement d’une barre homogène B.4- Détermination expérimentale de la dans le plan vertical 26 de la chaleur massique d’un solide 47 B.4- Mouvement d’un solide propulsé B.5- Détermination expérimentale de la par un ressort 27 de la chaleur latente de fusion de la B.5- Mouvement d’un enfant glace 47 sur un toboggan 28 B.6- Détermination expérimentale de la B.6- Vérification expérimentale de la chaleur latente de fusion du du théorème de l’énergie cinétique 28 cyclohexane par la méthode des B.7- Mouvement d’un solide à l’intérieur mélanges 47 d’une demi-sphère 29 B.7- Détermination expérimentale de la B.8- t d’un Skieur nautique 30 de la chaleur latente de vaporisation C. /- Je teste mes connaissances 31 de l’eau par la méthode des mélanges 48 B.8- Détermination expérimentale de Chapitre 3 : Énergie potentielle- chaleur de réaction 48 Énergie mécanique 32 B.9- Echange de chaleur carafe-
réfrigérateur 49 A. /- Connaissances essentielles du cours 32
B.10- Détermination de chaleur de A.1- Phrases à trou 32
réaction : diagramme de Hess 50 A.2- Q.C.M 32
B.10.1- Synthèse de l’eau 50 A.3- Vrai ou faux 33
B.10.2- Aluminothermie 50 B./- Applications du cours 34
B.10.3- Synthèse du trioxyde B.1- Vérification expérimentale
de soufre 50 34 conservation de l’énergie mécanique
C. /- Je teste mes connaissances 51 B.2- Energie mécanique d’un pendule-
puits de potentiel parabolique 34

13

Alhamdoulilahi rabil a’lamina C. /- Je teste mes connaissances 72
Chapitre 5 : Force et champ électrostatique 53
Chapitre 7 : Energie électrique mise
en jeu dans un circuit électrique 74
A. /- Connaissances essentielles du cours 53
A.1- Phrases à trou A. /- Connaissances essentielles du cours 74 53
A.2- Q.C.M A.1- Phrases à trou 74 53
A.3- Vrai ou faux A.2- Q.C.M 74 54
B. /- Applications du cours A.3- Vrai ou faux 75 55
B.1- Interaction de deux pendules B. /- Applications du cours 76
électrostatiques B.1- Notion de reste du circuit, de dipôle 55
B.2- Champ électrique résultant et de milieu ambiant 76 55
B.3- électrique créé par une B.2- Bilan énergétique d’un conducteur
répartition de charges ohmique 76 56
B.4- Pendule en équilibre dans un champ B.3- Bilan énergétique d’une ampoule
électrostatique horizontal incandescente 77 56
B.5- Pendule e daB.4- Bilan énergétique d’un électrolyseur 77
électrique uniforme B.5- Bilan énergétique d’un moteur 78 57
B.6- Expérience de Millikan : mesure B.6- énergétique d’un générateur 79
de la charge électrique élémentaire B.7- Mise en évidence expérimentale de 57
B.7- Balance de Coulomb l’effet joule : mesure de la résistance 59
B.8- Champ électrique créé par un dipôle d’un conducteur ohmique 79
moléculaire : cas de la molécule de B.8- Loi d’Ohm pour un récepteur 80
chlorure d’hydrogène B.9- Etude d’un chauffe-eau électrique 80 59
B.9- Pendule électrostatique soumis à B.10- Rendement d’un électrolyseur 81
des champs électriques orthogonaux B.11- Etude du fonctionnement d’un 60
B.10- Champ électrique créé par un dipôle moteur 81
+ constitué par l’ion He B.12- Caractéristique intensité – tension 60
C. /- Je teste mes connaissances d’un générateur 82 62
B.13- Charge d’une batterie
Chapitre 6 : Travail de la force d’accumulateurs d'une automobile 82
électrostatique, Energie potentielle- B.14- Caractéristique intensité – tension
électrostatique d’un électrolyseur 83 63
B.15- Moteur électrique monté avec un
A. /- Connaissances essentielles du cours rhéostat de démarrage 83 63
A.1- Phrases à trou B.16- Association en série d’un générateur 63
A.2- Q.C.M et d’un électrolyseur 84 63
A.3- Vrai ou faux B.17- Charge et décharge d’une batterie 64
B. /- Applications du cours d’accumulateurs 84 65
B.1- Cuve rhéographique B.18- Application de l’effet joule : 65
détermination de la chaleur B.2- Surfaces équipotentielles 65
latente de fusion de l’eicosane B.3- Mouvement d’un pendule dans un 85
champ électrique uniforme C . /- Je teste mes connaissances 87 66
B.4- Potentiel électrique -
Chapitre 8 : Condensateur, capacité- état de référence 66
B.5- Vitesse acquise par une particule énergie emmagasinée 89
entre deux électrodes 67
B.6- Mouvement d’isotopes de l’hélium A. /- Connaissances essentielles du cours 89
entre deux électrodes A.1- Phrases à trou 89 68
B.7- Travail de la force électrostatique A.2- Q.C.M 89

dans un champ électrique uniforme A.3- Vrai ou faux 90 68
B.8- Mouvement d’un proton dans un B. /- Applications du cours 91
accélérateur de particules B.1- Relation entre charge et tension 69
B.9- Chambre d’ionisation : identification d'un condensateur : capacité d’un
d’isotopes condensateur 91 69
B.10- Mouvement d’un faisceau B.2- Charge d’un condensateur à l’aide
homocinétique de deutons d’un échelon de tension 9171
14

B.3- Mise en évidence de l’énergie B.7- Capacité d’un condensateur à air 94
emmagasinée par un B.8- Condensateur à air à capacité
condensateur 92 variable 95
B.4- Mesure de la capacité C d’un B.9- Energie emmagasinée par un
condensateur chargé 95 93
B.5- Exploitation d’oscillogrammes : C. /- Je teste mes connaissances 97
charge et décharge d’un 99 Problèmes de synthèse
condensateur 93 Solutions abrégées des exercices
B.6- Décharge d’un condensateur dans d’application du cours 117
un autre 94 Solutions des problèmes de synthèse 123










Alhamdoulilahi






















































15
Alhamdoulilahi rabil a’lamina

Chapitre 1 : Travail et puissance



A/ Connaissances essentielles du cours

A.1. /- Phrases à trou :

Compléter les phrases suivantes :

Une ….. peut effectuer un ….. si son point d’application se déplace. Le travail d’une …..
est indépendant du chemin suivi. Le travail d’une force peut être ….. ou résistant. La
….. développée par une force, est le rapport du …… effectué par cette force sur la durée
du déplacement observé. La puissance ….. est définie par le produit scalaire du ……
agissant sur le système par le vecteur vitesse du point d’application de la force.

A.2. /- Q.C.M. :

Choisir la (ou les) bonne (s) réponse (s) :

1. Le travail d’une force :

a) est une grandeur arithmétique ; b) est moteur lorsque son signe est positif ; c) de
frottement est toujours résistant ; d) perpendiculaire au déplacement est toujours négatif.

2. Le travail d’une force :

a) est une énergie ; b) a même unité que l’énergie ; c) est un mode de transfert d’énergie.

3. La direction du vecteur force agissant constamment sur un système fait un angle
avec le vecteur déplacement. Le travail de la force est:

a) moteur si est aigu ; b) résistant si est obtus ; c) nul si = 90°.

4. Un mobile de masse m en mouvement dans l’air suivant la verticale, occupe les
positions initiale z et finale z d’un axe (Oz) ascendant: 1 2

a) le travail du poids du mobile est défini par : W = mg (z z ) ; b) si z z , alors le corps 1 2 1 2
monte et le travail du poids est résistant; c) si z z , alors le corps descend et le travail 1 2
poids est moteur; d) le travail effectué par le poids du mobile dépend du chemin suivi
pour passer de z à z . 1 2

5. Un système est animé d’un mouvement rectiligne uniforme sur un support rugueux
horizontal:

a) la somme des travaux des forces appliquées au système est nulle ; b) le travail de la
force de réaction est résistant ; c) les travaux d’au moins de deux forces appliquées au
système sont nuls ; d) le travail de l’une des forces agissant sur le système est forcément
moteur.
17


Alhamdoulilahi rabil a’lamina
6. L’extrémité libre d’un ressort passe de la position d’abscisse x à la position 1
d’abscisse x . Lors de cette déformation, la tension du ressort effectue un travail: 2

2 2 2 2a) W = ½ k (x x ) ; b) W = ½ k (x x ) ; c) W = ½ k (x x ) ; d) toujours résistant. 1 2 2 1 1 2

A.3. /- Vrai ou faux :

Répondre par vrai ou faux aux affirmations suivantes :

1. Une force constante agit tangentiellement sur un disque. Celui-ci tourne d’un
angle :

a) le moment de la force et l’angle sont toujours de même signe ; b) le travail de la
force est indépendant du sens positif choisi ; c) Si la rotation se fait dans le sens opposé
au sens positif choisi, le travail est moteur si 0.

2. Un couple de forces:

a) est un ensemble de deux forces de somme vectorielle nulle mais dont la somme des
moments est différente de zéro ; b) a un effet non nul sur un système en rotation ; c) est
tel que les moments des forces par rapport à un axe fixe de rotation ont même signe.

3. Une barre liée à un fil de torsion de constante de torsion C, est soumise à un couple
de forces qui la fait tourner uniformément d’un angle à un tel que : 1 2 1 2

a) le travail du couple de torsion est résistant ; b) le travail du couple de force est positif ;
c) le moment du couple de torsion est positif ; d) le travail du couple de torsion est donné
2 2par l’expression : W = ½ C ( ). 1 2

4. Un système en mouvement de translation rectiligne uniforme sur un tronçon
horizontal effectue un déplacement de 10 m en 10 s sous l’effet d’une force de
traction de direction horizontale et d’intensité 1000 N (résistance de l’air négligée) :

a) le travail de la force de traction est égal à 10kJ ; b) la puissance moyenne développée
par la force de traction vaut 1 kW ; c) la puissance instantanée développée par la force de
traction est égale à 1000 W ; d) le travail des forces de frottement vaut 1000 J.

5. Un corps de masse 1kg tombe en chute libre d’une hauteur de 10 m au-dessus du
sol. Le travail du poids du corps (g = 10N/kg) :

a) est moteur ; b) est égal à 100 J ; c) à mi-parcours vaut 50 J.

6. Un solide en rotation uniforme à la vitesse de 60 trs/min est soumis constamment
à un couple de moment 10 N.m ( 3,14). La puissance instantanée développée
par le couple de force est égale à:

a) 31,4 W ; b) 314 W ; c) 62,8 W ; d) 62,8 W.

18


Alhamdoulilahi rabil a’lamina
B/ Applications du cours

B.1. /- Mouvement d’une voiture sur un plan incliné

Une voiture de masse m, gravite une côte à 8% à
Fig.1vitesse constante. En 30 s, le centre d’inertie de la
x voiture parcourt une distance x = AB (figure 1 ci-
B contre). La force motrice a pour intensité F.
M On assimile la voiture à un point matériel M. De

plus, les forces de frottement sont réduites à une
seule force de même direction que le vecteur A
vitesse de la voiture et d’intensité constante f.

1. Reproduire la figure 1 ci-contre puis,
représenter l’ensemble des forces appliquées au centre d’inertie de la voiture.
2. Exprimer en fonction de x, les travaux de la force motrice et du poids de la voiture
lors du déplacement AB.
3. Calculer les travaux précédents en précisant dans chaque cas, si le travail est moteur
ou résistant.
4. Déterminer le travail de la résultante des forces de frottement. En déduire f.
5. Calculer la puissance instantanée développée par chacune des forces appliquées à la
voiture.

Données : F = 3140 N ; AB = 300 m ; m = 1 tonne ; g = 10 N/kg.

B.2. /- Charge soulevée à l’aide d’une poulie à deux gorges

On considère une poulie dont le réa porte deux gorges
Fig.2 de rayons R et r avec R = 3r. Au fond de chaque gorge,
R on attache et enroule un fil inextensible de masse
r négligeable. Les sens d’enroulement étant contraires,
lorsque l’un des fils s’enroule, l’autre se déroule. Soit
m la masse de la charge soulevée par la poulie (fig.2).



1. Lorsque le système (poulie – charge) est au repos
m par rapport au sol, la masse m de la charge est

inférieure ou égale à une certaine valeur m . 0

Sol
1.1. Montrer que dans ces conditions, un couple
de frottement s’exerce nécessairement sur la poulie au niveau de l’axe de
rotation.
c1.2. Exprimer alors le moment de ce couple de frottement que l’on notera M . f

2. Un manœuvre exerce une force musculaire de valeur F = 75 N de façon que la
charge dont le poids est égal à 147 N, s’élève de 16 m en 40 s (fig.3 ci-après). Lors
de cette ascension, le mouvement du système (poulie – charge) est uniforme et le
moment du couple de frottement garde la même valeur que précédemment.
19

Alhamdoulilahi rabil a’lamina
Calculer durant l’intervalle de temps = 40 s :

F 2.1. Les moments des forces appliquées à la R poulie. r
2.2. En déduire m . 0
2.3. Les travaux des forces appliquées à la poulie.
2.4. La puissance instantanée développée par.
a) La force musculaire.
b) Le poids de la charge. (m)
c) Le couple de frottement.


h = 16m
Données : r = 30 cm ; g = 9,81 N/kg ; 3,14.


Fig.3
B.3. /- Mouvement d’un chariot

Un chariot de masse m est placé sur un plan incliné A
Fig.4
d’un angle par rapport à l’horizontal (fig.4). Il est
attaché à un fil inextensible s’enroulant sur la gorge A
d’une poulie et portant à son extrémité une charge de
masse m . Les deux corps A et B sont animés d’un B B

mouvement d’ensemble uniforme. Le chariot monte.

On néglige tous les frottements.

1. Reproduire la figure puis représenter sans considération d’échelle les forces
appliquées au chariot et à la charge.
2. En mettant à profit le principe de l’inertie, calculer m . A
3. Calculer les travaux des forces appliquées au chariot et ceux des forces appliquées à la
charge si elle descend de 5 m en 10 s.
4. En déduire la puissance instantanée développée par chacune de ces forces.

Données : m = 80 g ; g = 10 N/kg ; = 6. B

B.4. /- Travail du poids d’un corps z (m)
Fig.5 A Un corps ayant la forme d’un ballon décrit
une trajectoire Dont le profil est indiqué
10 sur la figure 5 ci-contre. Le corps part sans
vitesse, initialement du point A situé à la D
côte 10 m par rapport à un point B. 5
C

0 1. Calculer le travail du poids du corps B
lorsque son point d’application se
- 5 déplace de A à B (W ), de B à C CA
B

(W ) et de C à D (W ). B
C C
D -10 E
2. Évaluer la somme des travaux :
W = W + W + W . A
B B
C C
D
20



Alhamdoulilahi rabil a’lamina
3. Calculer le travail W du poids du corps lorsque son point d’application se A
D
déplace de A à D. Comparer W et W . Conclure A
D
4. Déterminer alors le travail W du poids du corps lorsque son point d’application A
E
se déplace de A à E.

Données : masse du corps = 30 kg ; g = 10 N/kg.

B.5. /- Travail de couple de torsion

Un fil de torsion est fixé au centre d’un disque
Fig.6
homogène de rayon R. On soumet au disque un couple

de forces comme l’indique la figure 6 ci-contre. Le fil se

tord alors d’un angle puis on bloque le disque dans
F 1cette position (fig.6). Les forces d’intensités F et F sont 1 2
perpendiculaires au diamètre du disque.
1. En appliquant la condition de non rotation du F 2
disque, calculer .
2. Calculer les travaux du moment de couple de forces et du moment de couple de
torsion lors de la rotation d’angle .
3. Interpréter le signe du travail du moment de couple de torsion.
4. On supprime la contrainte. Que se passe-t-il ?
5. Déterminer alors le travail du moment du couple de torsion lorsque le disque
revient à sa position initiale d’angle = 0.

-1Données : F = 10 N ; R = 10 cm ; constante de torsion du fil : C = 0,2 N.m.rad . 1

B.6. /- Travail de la tension d’un ressort

Un ressort de constante de raideur k suspend une charge
Fig.7 de masse m. L’axe Ox est gradué en centimètres. Lorsque
x le ressort est à vide, sa longueur est égale à 10 cm.
0
1. En s’adressant à la figure 7, déterminer la constante
de raideur k du ressort.
2. Reproduire puis représenter les forces agissant sur la 10 charge à l’équilibre.
3. Calculer le travail de chacune de ces forces lors de la
déformation du ressort. Préciser leur caractère 15
résistant ou moteur.

4. Un opérateur raccourcit le ressort de 2 cm. Calculer
le travail de la tension du ressort lors de ce

raccourcissement.

5. Le travail de la tension d’un ressort est-il toujours
résistant ? Si non expliquer pourquoi ?

Données : m = 500 g ; g = 10N/kg.

21




Alhamdoulilahi rabil a’lamina
C/ Je teste mes connaissances en 3h

Exercice 1. /- Système en mouvement sur un support horizontal (4 points)

Un système est constitué de deux blocs de
pierre identiques B et B reliés par un 1 2 Fig.1 F
ressort de constante de raideur k, de B B1 2
longueur à vide et de masse négligeable. 0 L’ensemble est tracté par un fil inextensible
exerçant sur le système une force constante
d’intensité F et dont la direction fait un
angle par rapport à l’horizontale (fig.1). Le support du mouvement est rugueux.
Lorsque les blocs sont en mouvement rectiligne uniforme, le ressort conserve une
longueur constante et sa tension T reste de même constante durant tout le mouvement.
La vitesse constante de translation du système (blocs – ressort) est notée v.

1.1. Déterminer les intensités f et f de la résultante des forces de frottement s’exerçant 1 2
respectivement sur les blocs B et B . (1 pt) 1 2
1.2. Calculer le travail de la force de traction lorsque son point d’application se
déplace de 10 m. (1pt)
1.3. En déduire le travail de la résultante des forces de frottement agissant sur
l’ensemble du système (blocs + ressort). (0,5pt)
1.4. Quelle est la longueur totale L sur laquelle s’exerce l’ensemble des forces de
frottement sur le système (B + B )? (1pt) 1 2
1.5. Quelle est la puissance instantanée de la force de traction ? (0,5pt)

Données: F = 400 N; k = 412,8 N/m ; = 1,0m ; = 1,5 m ; v = 10cm/s ; = 30°. 0

Exercice 2. /- Mouvement d’un solide sur un plan incliné (4 points)

Un moteur fait monter une charge C
Fig.2 par l’intermédiaire d’un câble passant

sur la gorge d’une poulie (fig.2). La

charge se déplace à vitesse constante v.

L’intensité F de la force de traction est
C
constante durant tout le mouvement.
La charge se déplace sur un plan
incliné d’un angle par rapport à
l’horizontale. La résultante des forces de frottement est supposée colinéaire au vecteur
vitesse du centre d’inertie de la charge.

2.1. Faire le bilan des forces appliquées à la charge. (0,75pt)
2.2. Calculer l’intensité f de la résultante des forces de frottement. (1pt)
2.3. Calculer la puissance moyenne développée par chacune des forces appliquées à la
charge lorsqu’elle se déplace pendant 10 s. (1,75pt)
2.4. Quelle est la puissance instantanée développée par la tension du câble ? (0,5pt)

Données: F = 4000 N; m = 300 kg ; v = 5m/s ; = 30° ; g = 10 N/kg.
Alhamdoulilahi rabil a’lamina
22


Exercice 3. /- Etude d’un système de treuillage (4,5 points)

Sur la margelle d’un puits, on a installé
Fig.3 un système de treuillage constitué d’un
L cylindre plein de rayon r = 15 cm, d’axe
de rotation et à l’extrémité duquel est
soudée une manivelle de longueur L =
50 cm (fig.3). L’extrémité libre du filin margelle
enroulé sur le cylindre est attachée à un filin
sceau. Soient m et m respectivement les s
masses du sceau vide et du sceau
remplie d’eau. On néglige les divers
frottements dans tout l’exercice. eau

3.1. Dans un premier temps, un
opérateur fait descendre le sceau
vide d’un mouvement rectiligne
uniforme. Le cylindre tourne alors à la vitesse constante de 2 rad/s. En 2 s, la
tension du filin effectue un travail de – 7,5 J. En déduire la valeur de m . Prendre s
g = 10 N/kg. (1pt)
3.2. Après avoir puisé de l’eau, l’opérateur fait remonter le
L
sceau rempli à vitesse constante en exerçant une force

musculaire d’intensité F et de direction perpendiculaire r
F à la manivelle (figure 4 simplifiée). Pour F = 31,5 N, le
sceau s’élève d’une hauteur h = 10m en 7,5s. Calculer :
3.2.1. La masse m’ d’eau puisée. (1pt)
3.2.2. Le travail de la force musculaire. (1pt)

3.2.3. Le travail de la tension du filin de deux façons
Fig.4
différentes. (1,5 pt)
3.2.4. La puissance instantanée développée par la force musculaire. (1pt)

Exercice 4. /- Mouvement d’un pendule (4 points)

Un pendule est constitué d’une petite bille de masse m,
Fig.5
fixée à l’extrémité libre d’un fil inextensible de masse
négligeable et de longueur . On écarte le pendule d’un max
angle par rapport à sa position d’équilibre puis on max
A l’abandonne (fig.5). On néglige la résistance de l’air.


4.1. Reproduire la figure ci-contre puis représenter les
B
forces appliquées à la bille lors qu’elle passe par
Cla position B d’abscisse angulaire . (1pt)
4.2. Exprimer le travail du poids de la bille en fonction de m, g, , et . (1pt) max
4.3. Déduire de l’expression précédente, le travail du poids de la bille lorsque son
centre d’inertie passe de A à la position d’équilibre C. Préciser son signe. (1pt)
4.4. Que vaut la puissance instantanée développée par la tension du fil au cours de la
rotation ? Justifier par le calcul. (1pt)
Données : m = 100 g ; = 1,0 m ; g = 10 N/kg ; = 60°. max
23