V VIDYALAYA · Soutien scolaire
Physique-Chimie2ndeMouvement et interactionsExercices + corrigé

Forces et interactions fondamentales — Exercices

Identifier, calculer, caractériser et faire le bilan des forces. Corrigé en fin de fiche.
⏱ ~25 min✎ Calculatrice autorisée
1Identifier les interactions/ 4 pts
Pour chacune des situations suivantes, identifie l'interaction fondamentale en jeu et justifie en une phrase.
  1. La Terre maintient la Lune sur son orbite.
  2. Un proton et un électron s'attirent dans un atome d'hydrogène.
  3. Les protons et les neutrons sont maintenus ensemble dans un noyau d'hélium, malgré la répulsion électrique entre les protons.
  4. Une aiguille de boussole s'oriente sous l'effet du champ magnétique terrestre.
2Calcul du poids/ 4 pts
On prend $g = 9{,}8$ N/kg, sauf indication contraire. Calcule le poids de chaque objet.
  1. Un cartable de masse $m = 5{,}0$ kg.
  2. Une voiture de masse $m = 1{,}2 \times 10^3$ kg.
  3. Un grain de sable de masse $m = 5{,}0 \times 10^{-5}$ kg.
  4. Un astronaute de masse $m = 80$ kg sur la Lune ($g_\text{Lune} = 1{,}6$ N/kg).
3Caractériser des forces/ 4 pts
Une boîte de masse $m = 3{,}0$ kg est posée immobile sur un sol horizontal. On prend $g = 9{,}8$ N/kg. Deux forces s'exercent sur la boîte.
  1. Nomme chaque force et indique quel objet l'exerce sur la boîte.
  2. Précise la direction et le sens de chaque force.
  3. Calcule la valeur de chaque force et justifie à partir de l'immobilité de la boîte.
4Lampe suspendue/ 4 pts
Une lampe de masse $m = 0{,}50$ kg est suspendue au plafond par un fil vertical. Elle est immobile. On prend $g = 9{,}8$ N/kg.
  1. Fais le bilan des forces exercées sur la lampe : nom, objet qui exerce la force, direction, sens.
  2. Calcule le poids de la lampe, puis déduis la tension du fil en justifiant à l'aide de l'équilibre.
5Plan incliné/ 4 pts
Un livre de masse $m = 0{,}40$ kg est posé sur un plan incliné à $30°$ de l'horizontale. Il est maintenu immobile par un fil parallèle au plan, dirigé vers le haut du plan. On prend $g = 10$ N/kg. La réaction du support est perpendiculaire au plan.
  1. Calcule le poids $P$ du livre.
  2. La composante du poids parallèle au plan vaut $P_{\parallel} = P \times \sin(30°)$. Calcule $P_{\parallel}$.
  3. La composante du poids perpendiculaire au plan vaut $P_{\perp} = P \times \cos(30°)$. Calcule $P_{\perp}$ avec $\cos(30°) \approx 0{,}87$.
  4. Le livre étant immobile, déduis la tension $T$ du fil et la réaction $R$ du plan. Justifie.
Corrigé détaillé
1Identifier les interactions
a) \(\text{Deux objets massifs (Terre et Lune) s'attirent :}\) \(\text{interaction gravitationnelle}\)
b) \(\text{Proton (charge }+e\text{) et électron (charge }-e\text{), charges opposées :}\) \(\text{interaction électromagnétique}\)
c) \(\text{Cohésion du noyau malgré la répulsion électrique entre protons :}\) \(\text{interaction forte (nucléaire forte)}\)
d) \(\text{Réaction à un champ magnétique (charges en mouvement) :}\) \(\text{interaction électromagnétique}\)
2Calcul du poids
a) \(P = 5{,}0 \times 9{,}8 =\) \(49 \text{ N}\)
b) \(P = 1{,}2 \times 10^3 \times 9{,}8 = 11\,760 \text{ N} \approx\) \(1{,}18 \times 10^4 \text{ N}\)
c) \(P = 5{,}0 \times 10^{-5} \times 9{,}8 =\) \(4{,}9 \times 10^{-4} \text{ N}\)
d) \(P_{\text{Lune}} = 80 \times 1{,}6 =\) \(128 \text{ N}\)
3Caractériser des forces
Poids $\vec{P}$ \(\text{Exercé par la Terre, vertical, vers le bas.} \quad P = 3{,}0 \times 9{,}8 =\) \(29{,}4 \text{ N}\)
Réaction $\vec{R}$ \(\text{Exercée par le sol, verticale, vers le haut.} \quad \text{Immobile} \Rightarrow \vec{P}+\vec{R}=\vec{0} \Rightarrow R = P =\) \(29{,}4 \text{ N}\)
4Lampe suspendue
Poids \(P = 0{,}50 \times 9{,}8 =\) \(4{,}9 \text{ N (vertical, vers le bas, exercé par la Terre)}\)
Tension \(\text{Immobile} \Rightarrow \vec{P}+\vec{T}=\vec{0} \Rightarrow T = P =\) \(4{,}9 \text{ N (verticale, vers le haut, exercée par le fil)}\)
5Plan incliné
a) \(P = 0{,}40 \times 10 =\) \(4{,}0 \text{ N}\)
b) \(P_{\parallel} = 4{,}0 \times \sin(30°) = 4{,}0 \times 0{,}5 =\) \(2{,}0 \text{ N}\)
c) \(P_{\perp} = 4{,}0 \times \cos(30°) = 4{,}0 \times 0{,}87 =\) \(3{,}48 \approx 3{,}5 \text{ N}\)
d) Tension \(\text{Équilibre} \parallel \text{plan :} \quad T = P_{\parallel} =\) \(2{,}0 \text{ N}\)
d) Réaction \(\text{Équilibre} \perp \text{plan :} \quad R = P_{\perp} \approx\) \(3{,}5 \text{ N}\)