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Spécialité Physique-Chimie 1ʳᵉ

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Travail et puissance d’une force

Travail d’une force constante comme produit scalaire ; travail moteur, nul ou résistant et somme des travaux ; travail du poids et force conservative ; travail d’une force électrique dans un champ uniforme et des frottements ; puissance moyenne et instantanée d’une force.

À propos de cette page
Trente-six questions de QCM en trois niveaux, chacune corrigée : unités, expression et signe du travail, travail du poids sur un sentier ou une pente, frottements sur un aller-retour, charge dans un champ électrique, puissance et kilowattheure, et pièges classiques comme la barre d’un haltérophile ou la balançoire.

Les 36 questions du QCM en version texte

Pour réviser sans écran ou imprimer : chaque question avec ses propositions ; la bonne réponse et son explication se déplient.

Niveau facile ★ — 12 questions

  1. Dans le Système international, le travail d’une force s’exprime en :

    • A. watt (W)
    • B. newton (N)
    • C. joule (J)
    • D. pascal (Pa)
    Réponse

    C. joule (J) — Le travail est une énergie : il s’exprime en joules. Le watt est l’unité de puissance, le newton celle d’une force.

  2. Le travail d’une force constante F⃗ pour un déplacement AB⃗ vaut :

    • A. F × AB × sin α
    • B. F × AB × cos α
    • C. (F ÷ AB) × cos α
    • D. F × AB × tan α
    Réponse

    B. F × AB × cos α — C’est le produit scalaire F⃗ · AB⃗ = F × AB × cos α, avec α l’angle entre la force et le déplacement.

  3. Sur une orbite circulaire, l’attraction de la Terre sur un satellite reste perpendiculaire à son déplacement. Son travail sur un tour est :

    • A. moteur, car la Terre attire le satellite
    • B. résistant, car elle ralentit le satellite
    • C. le produit de la force par le périmètre
    • D. nul, car cos 90° = 0 à chaque instant
    Réponse

    D. nul, car cos 90° = 0 à chaque instant — Une force perpendiculaire au déplacement à chaque instant ne travaille pas, même si elle est loin d’être nulle.

  4. Le travail du poids d’un objet qui tombe est :

    • A. nul, car le poids reste vertical
    • B. moteur, donc positif
    • C. résistant, donc négatif
    • D. nul, car la masse ne change pas
    Réponse

    B. moteur, donc positif — En descente, zA > zB, donc W = m × g × (zA − zB) > 0 : le poids cède de l’énergie à l’objet.

  5. La puissance moyenne d’une force se calcule par :

    • A. P = W × Δt
    • B. P = Δt ÷ W
    • C. P = W + Δt
    • D. P = W ÷ Δt
    Réponse

    D. P = W ÷ Δt — La puissance est un travail divisé par une durée : P = W ÷ Δt, en watts pour W en joules et Δt en secondes.

  6. Un travail de 900 J fourni en 36 s correspond à une puissance moyenne de :

    • A. 25 W
    • B. 32 400 W
    • C. 0,040 W
    • D. 936 W
    Réponse

    A. 25 W — P = 900 ÷ 36 = 25 W. Multiplier au lieu de diviser donne 32 400 W.

  7. Un promeneur monte au sommet d’une colline, une fois par un sentier court et raide, une autre fois par un long sentier en lacets. Le travail de son poids :

    • A. est plus grand en valeur absolue par les lacets
    • B. est le même par les deux sentiers
    • C. est plus grand en valeur absolue par le raidillon
    • D. est nul par le sentier en lacets
    Réponse

    B. est le même par les deux sentiers — Le travail du poids ne dépend que des altitudes de départ et d’arrivée, les mêmes dans les deux cas : le poids est conservatif.

  8. Un kilowattheure (1 kW·h) correspond à une énergie de :

    • A. 3,6 × 10³ J
    • B. 1,0 × 10³ J
    • C. 3,6 × 10⁶ J
    • D. 3,6 × 10⁹ J
    Réponse

    C. 3,6 × 10⁶ J — 1 kW·h = 1 000 W × 3 600 s = 3,6 × 10⁶ J : c’est une énergie.

  9. Un joule est égal à :

    • A. 1 N·m
    • B. 1 N·s
    • C. 1 W·m
    • D. 1 N·m⁻¹
    Réponse

    A. 1 N·m — Le travail est le produit d’une force (N) par une longueur (m) : 1 J = 1 N·m.

  10. Une force fait un angle de 120° avec le déplacement. Son travail est :

    • A. moteur, car l’angle dépasse 90°
    • B. nul, car l’angle n’est pas de 0°
    • C. résistant, car cos 120° < 0
    • D. moteur, car la force n’est pas nulle
    Réponse

    C. résistant, car cos 120° < 0 — Au-delà de 90°, cos α < 0 : le travail est négatif, la force s’oppose au déplacement.

  11. Pour une force colinéaire à la vitesse et de même sens, la puissance instantanée vaut :

    • A. P = F ÷ v
    • B. P = F × v
    • C. P = v ÷ F
    • D. P = F × v²
    Réponse

    B. P = F × v — P = F × v × cos α avec α = 0°, donc P = F × v : des N fois des m·s⁻¹ donnent des J·s⁻¹, des watts.

  12. Une charge q placée dans un champ électrostatique uniforme E⃗ subit une force dont le travail de A à B vaut :

    • A. q E⃗ · AB⃗
    • B. (q ÷ E) × AB
    • C. q × E, quel que soit le trajet
    • D. E × AB, sans la charge
    Réponse

    A. q E⃗ · AB⃗ — La force q E⃗ est constante : son travail est le produit scalaire q E⃗ · AB⃗.

Niveau moyen ★★ — 12 questions

  1. Une force de 55 N tire un chariot sur 18 m dans la direction et le sens du déplacement. Son travail vaut :

    • A. 3,3 × 10⁻¹ J
    • B. 9,9 × 10² J
    • C. 7,3 × 10¹ J
    • D. 4,95 × 10² J
    Réponse

    B. 9,9 × 10² J — α = 0° : W = 55 × 18 × 1 = 990 J, soit 9,9 × 10² J.

  2. Un bloc de 12 kg est monté de 1,9 m. Le travail de son poids vaut environ :

    • A. +2,2 × 10² J
    • B. −1,2 × 10² J
    • C. 0 J
    • D. −2,2 × 10² J
    Réponse

    D. −2,2 × 10² J — W = 12 × 9,81 × (−1,9) ≈ −224 J : en montée, le travail du poids est résistant.

  3. Une force de 40 N fait un angle de 60° avec un déplacement de 5,0 m. Son travail vaut :

    • A. 1,0 × 10² J
    • B. 1,7 × 10² J
    • C. 2,0 × 10² J
    • D. −1,0 × 10² J
    Réponse

    A. 1,0 × 10² J — W = 40 × 5,0 × cos 60° = 100 J. Avec sin 60°, on trouverait 173 J.

  4. Un moteur de puissance 2,0 kW fonctionne pendant 5,0 min. L’énergie qu’il fournit vaut :

    • A. 1,0 × 10⁴ J
    • B. 4,0 × 10⁵ J
    • C. 6,0 × 10⁵ J
    • D. 6,0 × 10³ J
    Réponse

    C. 6,0 × 10⁵ J — W = P × Δt = 2 000 × 300 = 600 000 J, soit 6,0 × 10⁵ J. Sans convertir les minutes, on trouverait 1,0 × 10⁴ J.

  5. Un véhicule avance à 15 m·s⁻¹ ; la force motrice, de 800 N, est colinéaire à la vitesse et de même sens. Sa puissance vaut :

    • A. 53 W
    • B. 1,2 × 10³ W
    • C. 8,2 × 10⁴ W
    • D. 1,2 × 10⁴ W
    Réponse

    D. 1,2 × 10⁴ W — P = F × v = 800 × 15 = 12 000 W, soit 1,2 × 10⁴ W ou 12 kW.

  6. Des frottements de 22 N s’exercent sur un aller-retour de 8,0 m à l’aller comme au retour. Leur travail total vaut :

    • A. 0 J
    • B. −3,5 × 10² J
    • C. −1,8 × 10² J
    • D. +3,5 × 10² J
    Réponse

    B. −3,5 × 10² J — Longueur réellement parcourue : 16 m. W = −22 × 16 = −352 J : les frottements ne donnent pas un travail nul sur un trajet fermé.

  7. Une charge q = 5,0 × 10⁻⁹ C parcourt 4,0 cm dans le sens d’un champ uniforme E = 1,0 × 10⁴ V·m⁻¹. Le travail de la force électrique vaut :

    • A. 2,0 × 10⁻⁴ J
    • B. 5,0 × 10⁻⁵ J
    • C. 2,0 × 10⁻⁶ J
    • D. 0 J
    Réponse

    C. 2,0 × 10⁻⁶ J — W = q × E × d = 5,0 × 10⁻⁹ × 1,0 × 10⁴ × 0,040 = 2,0 × 10⁻⁶ J. Garder 4,0 au lieu de 0,040 m donne 2,0 × 10⁻⁴ J.

  8. Pendant qu’un objet est déplacé horizontalement de 3,0 m, une force verticale de 90 N s’exerce sur lui. Le travail de cette force vaut :

    • A. 0 J
    • B. 2,7 × 10² J
    • C. 30 J
    • D. −2,7 × 10² J
    Réponse

    A. 0 J — La force est perpendiculaire au déplacement : cos 90° = 0, le travail est nul quelle que soit sa valeur.

  9. Une force F⃗ (4,0 ; 3,0), en N, s’exerce pendant le déplacement AB⃗ (2,0 ; −1,0), en m. Son travail vaut :

    • A. 11 J
    • B. −5,0 J
    • C. 5,0 J
    • D. 7,0 J
    Réponse

    C. 5,0 J — W = Fx × Δx + Fy × Δy = 4,0 × 2,0 + 3,0 × (−1,0) = 5,0 J.

  10. Un objet de 5,0 kg descend de 2,0 m le long d’une pente inclinée de 30° sur l’horizontale. Le travail de son poids vaut environ :

    • A. 98 J
    • B. 85 J
    • C. 49 J
    • D. −49 J
    Réponse

    C. 49 J — Dénivellation : h = 2,0 × sin 30° = 1,0 m, donc W = 5,0 × 9,81 × 1,0 ≈ 49 J. 85 J vient de cos 30°, l’angle de la pente pris à tort.

  11. Une énergie de 0,50 kW·h vaut :

    • A. 1,8 × 10³ J
    • B. 1,8 × 10⁶ J
    • C. 5,0 × 10² J
    • D. 7,2 × 10⁶ J
    Réponse

    B. 1,8 × 10⁶ J — 0,50 × 3,6 × 10⁶ = 1,8 × 10⁶ J.

  12. Un électron (q = −1,6 × 10⁻¹⁹ C) parcourt 2,0 cm dans le sens d’un champ uniforme de 1,0 × 10⁴ V·m⁻¹. Le travail de la force électrique vaut :

    • A. +3,2 × 10⁻¹⁷ J
    • B. 0 J
    • C. −3,2 × 10⁻¹⁵ J
    • D. −3,2 × 10⁻¹⁷ J
    Réponse

    D. −3,2 × 10⁻¹⁷ J — q < 0 : la force est opposée au champ, donc au déplacement. W = −1,6 × 10⁻¹⁹ × 1,0 × 10⁴ × 0,020 = −3,2 × 10⁻¹⁷ J, résistant.

Niveau difficile ★★★ — 12 questions

  1. Sur une balançoire, les chaînes tendues exercent une force dirigée vers le point d’attache. Pendant une oscillation, le travail de cette force est :

    • A. moteur, car les chaînes retiennent l’enfant
    • B. résistant, car elles freinent l’enfant
    • C. nul, car elle reste perpendiculaire au déplacement
    • D. égal à l’opposé du travail du poids
    Réponse

    C. nul, car elle reste perpendiculaire au déplacement — La trajectoire est un arc de cercle centré sur le point d’attache : la force des chaînes est perpendiculaire au déplacement à chaque instant.

  2. Une voiture fait un tour complet d’un circuit et revient à son point de départ. Sur ce tour :

    • A. le travail du poids est nul, pas celui des résistances
    • B. les travaux du poids et des résistances sont nuls
    • C. le travail des résistances est nul, pas celui du poids
    • D. ni le poids ni les résistances n’ont un travail nul
    Réponse

    A. le travail du poids est nul, pas celui des résistances — Même altitude au départ et à l’arrivée : travail du poids nul. Les résistances (air, roulement), toujours opposées au mouvement, ont un travail négatif proportionnel à la longueur parcourue.

  3. Une valise est tirée en ligne droite, à vitesse constante, sur un sol horizontal, avec frottements. On peut affirmer que :

    • A. la traction ne travaille pas, la vitesse étant constante
    • B. le travail de la traction est négatif sur ce trajet
    • C. le travail du poids compense celui des frottements
    • D. le travail de la traction est l’opposé de celui des frottements
    Réponse

    D. le travail de la traction est l’opposé de celui des frottements — Mouvement rectiligne uniforme : la somme des travaux est nulle. Le poids et la réaction normale ne travaillent pas, donc le travail de la traction est l’opposé de celui des frottements.

  4. Pour une force constante, effectuer le même déplacement en deux fois plus de temps :

    • A. double à la fois le travail et la puissance
    • B. conserve le travail et divise la puissance par deux
    • C. divise le travail par deux et conserve la puissance
    • D. double le travail et divise la puissance par deux
    Réponse

    B. conserve le travail et divise la puissance par deux — Le travail ne dépend que de la force et du déplacement ; seule la puissance P = W ÷ Δt change.

  5. Depuis la même plateforme, un enfant descend par un toboggan droit ou par un toboggan en spirale plus long, avec des frottements de même valeur. Par la spirale :

    • A. le travail du poids est le même, celui des frottements plus négatif
    • B. les deux travaux augmentent en valeur absolue
    • C. le travail du poids augmente, celui des frottements ne change pas
    • D. les deux travaux gardent exactement la même valeur
    Réponse

    A. le travail du poids est le même, celui des frottements plus négatif — Le travail du poids ne dépend que de la dénivellation, la même ; celui des frottements vaut −f × ℓ et augmente en valeur absolue avec la longueur parcourue.

  6. Le travail d’une force est nul sur un déplacement non nul. On peut en conclure que :

    • A. cette force est nécessairement nulle
    • B. le système est nécessairement immobile
    • C. la force est nulle ou perpendiculaire au déplacement
    • D. la vitesse du système est forcément constante
    Réponse

    C. la force est nulle ou perpendiculaire au déplacement — F × AB × cos α = 0 avec AB non nul impose F = 0 ou α = 90°, comme pour la réaction normale d’un sol horizontal.

  7. Un haltérophile maintient la barre immobile au-dessus de sa tête pendant 3 s. Pendant cette phase :

    • A. la puissance de sa poussée reste celle du soulevé
    • B. le travail de sa poussée est nul, mais pas la force
    • C. le travail de sa poussée est franchement négatif
    • D. le travail du poids de la barre devient moteur
    Réponse

    B. le travail de sa poussée est nul, mais pas la force — Sans déplacement, aucun travail : W = 0 et P = 0. La force exercée sur la barre, elle, compense toujours son poids.

  8. Un élève écrit W = m × g × h pour le travail du poids pendant une montée de hauteur h. Cette écriture :

    • A. est correcte, car un travail est toujours positif
    • B. est correcte si l’axe vertical est orienté vers le haut
    • C. est fausse : il faut prendre g = 9,8 exactement
    • D. est fausse : en montée, ce travail vaut −m × g × h
    Réponse

    D. est fausse : en montée, ce travail vaut −m × g × h — Le travail du poids vaut m × g × (zA − zB), avec zA − zB = −h en montée : il est résistant.

  9. Un programme additionne les travaux d’une force constante de coordonnées (Fx ; Fz) sur des segments successifs. La bonne ligne, dans la boucle, est :

    • A. W = W + Fx*(x[i+1]-x[i]) + Fz*(z[i+1]-z[i])
    • B. W = W + Fx*x[i] + Fz*z[i]
    • C. W = Fx*(x[i+1]-x[i]) + Fz*(z[i+1]-z[i])
    • D. W = W + (Fx+Fz)*(x[i+1]-x[i])
    Réponse

    A. W = W + Fx*(x[i+1]-x[i]) + Fz*(z[i+1]-z[i]) — Sur chaque segment, le travail est Fx × Δx + Fz × Δz, et on l’ajoute au total. Sans « W + », on ne garde que le dernier segment.

  10. Deux forces de même valeur s’exercent pendant un même déplacement, l’une à 30°, l’autre à 150° de ce déplacement. Leurs travaux sont :

    • A. égaux
    • B. nuls tous les deux
    • C. opposés
    • D. dans le rapport cos 30°
    Réponse

    C. opposés — cos 150° = −cos 30° : les deux travaux ont la même valeur absolue et des signes opposés.

  11. Un autobus monte une rue en pente à vitesse constante, puis roule à plat à la même vitesse, avec les mêmes résistances. En pente, la puissance de la force motrice est :

    • A. la même, car la vitesse est la même
    • B. plus grande : elle compense aussi le poids
    • C. plus petite, car le poids aide à monter
    • D. nulle, car la vitesse reste constante
    Réponse

    B. plus grande : elle compense aussi le poids — En pente, la force motrice compense les résistances et le travail résistant du poids : à même vitesse, P = F × v est plus grande.

  12. Pour un ion dans un champ électrostatique de quelques kV·m⁻¹, on néglige le travail du poids, car :

    • A. le poids d’un ion est rigoureusement nul
    • B. le poids ne travaille pas dans un champ électrique
    • C. la force électrique compense exactement le poids
    • D. il est bien plus petit que celui de la force électrique
    Réponse

    D. il est bien plus petit que celui de la force électrique — Le poids d’un ion existe, mais son travail est des milliards de fois plus petit que celui de la force électrique.

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