À propos de cette page
Ce cours de physique-chimie (2nde) en seconde sur « Mouvements et interactions » suit le programme officiel de physique-chimie (2nde) de seconde. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Référentiel et description d'un mouvement, Vitesse d'un objet en mouvement, Les forces : définition et représentation, Interaction gravitationnelle. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de seconde à réussir en physique-chimie (2nde).
Au programme
1 · Référentiel et description d'un mouvement
2 · Vitesse d'un objet en mouvement
3 · Les forces : définition et représentation
4 · Interaction gravitationnelle
5 · Interaction électrostatique
6 · Principe d'inertie (1re loi de Newton)
7 · Forces et équilibre d'un solide
1Référentiel et description d'un mouvement
Le mouvement d'un objet n'a de sens que par rapport à un référentiel choisi. Décrire un mouvement, c'est préciser comment la position d'un objet varie au cours du temps par rapport à ce référentiel.
Définition. Un référentiel est constitué d'un corps de référence (supposé immobile) et d'un repère de temps. On repère la position d'un objet grâce à un repère d'espace lié à ce corps.
Exemples de référentiels courants :
- Référentiel terrestre : corps de référence = la Terre (pour les mouvements à la surface).
- Référentiel géocentrique : corps de référence = le centre de la Terre (pour les satellites).
- Référentiel héliocentrique : corps de référence = le centre du Soleil (pour les planètes).
Attention ! Un même objet peut être simultanément en mouvement dans un référentiel et immobile dans un autre. Le mouvement est relatif au référentiel choisi.
Exemple. Un passager assis dans un train est immobile dans le référentiel du train, mais en mouvement dans le référentiel terrestre.
2Vitesse d'un objet en mouvement
La vitesse caractérise l'évolution de la position d'un objet au cours du temps. En 2nde, on distingue la vitesse moyenne et la vitesse instantanée.
Vitesse moyenne. Pour un objet parcourant une distance $d$ en un temps $\Delta t$, la vitesse moyenne est : $$v_{\text{moy}} = \frac{d}{\Delta t}$$ Unité SI : m/s (mètre par seconde). Conversions : $1\,\text{m/s} = 3{,}6\,\text{km/h}$.
Astuce. Pour convertir km/h en m/s, divisez par 3,6. Pour convertir m/s en km/h, multipliez par 3,6.
La vitesse instantanée est la vitesse à un instant précis. Elle s'approche de la vitesse moyenne calculée sur un intervalle de temps très court.
Exemple. Une voiture parcourt 120 km en 1,5 h. Sa vitesse moyenne est : $v = \frac{120\,\text{km}}{1{,}5\,\text{h}} = 80\,\text{km/h} \approx 22{,}2\,\text{m/s}$.
| Grandeur | Symbole | Unité SI |
|---|
| Vitesse | $v$ | m/s |
| Distance | $d$ | m |
| Durée | $\Delta t$ | s |
3Les forces : définition et représentation
Une force est une action mécanique exercée par un objet (ou l'environnement) sur un autre objet. Elle peut modifier le mouvement d'un objet ou le déformer.
Définition. Une force est un
vecteur $\vec{F}$ caractérisé par :
- Un point d'application (là où la force s'exerce).
- Une direction (droite selon laquelle la force est orientée).
- Un sens (sur la droite, vers où la force pousse/tire).
- Une norme (intensité), mesurée en Newton (N).
On représente une force par une flèche (vecteur) dont la longueur est proportionnelle à son intensité.
Astuce. Pour représenter un vecteur force : choisis une échelle (ex. 1 cm ↔ 10 N), dessine la flèche à partir du point d'application, dans la bonne direction et le bon sens.
Exemple. Le poids d'un objet de masse $m = 2\,\text{kg}$ sur Terre (avec $g = 9{,}8\,\text{N/kg}$) : $P = m \times g = 2 \times 9{,}8 = 19{,}6\,\text{N}$, dirigé verticalement vers le bas.
On distingue :
- Forces de contact : s'exercent lorsque les objets sont en contact (frottement, réaction du support, tension d'un ressort).
- Forces à distance : s'exercent sans contact (gravitation, électrostatique).
Attention ! Une force est toujours exercée par un objet sur un autre. Ne confondez pas « force exercée sur A par B » et « force exercée sur B par A ».
4Interaction gravitationnelle
La gravitation universelle est une interaction attractive qui s'exerce entre tous les corps possédant une masse, quelle que soit la distance qui les sépare.
Loi de gravitation universelle (Newton, 1687). La force gravitationnelle exercée par un corps de masse $m_1$ sur un corps de masse $m_2$ (et réciproquement) a pour intensité : $$F = G \cdot \frac{m_1 \cdot m_2}{d^2}$$ où $G = 6{,}67 \times 10^{-11}\,\text{N·m}^2\text{·kg}^{-2}$ est la constante de gravitation universelle, et $d$ la distance entre les centres des deux corps.
Cette force est toujours attractive, orientée de chaque corps vers l'autre, et elles forment une paire d'interaction (elles sont égales en intensité, opposées en sens).
Exemple. La Terre (masse $M_T = 6{,}0 \times 10^{24}\,\text{kg}$) attire la Lune (masse $m_L = 7{,}3 \times 10^{22}\,\text{kg}$) à une distance $d = 3{,}84 \times 10^8\,\text{m}$. La force gravitationnelle Terre-Lune vaut environ $2 \times 10^{20}\,\text{N}$.
Astuce. Le poids $P = mg$ est la force gravitationnelle exercée par la Terre sur un objet à sa surface. L'intensité de la pesanteur $g = G \cdot \frac{M_T}{R_T^2}$ dépend de la planète.
5Interaction électrostatique
L'interaction électrostatique (ou force de Coulomb) s'exerce entre deux corps chargés électriquement. Contrairement à la gravitation, elle peut être attractive ou répulsive.
Loi de Coulomb. La force électrostatique entre deux charges $q_1$ et $q_2$ séparées d'une distance $d$ a pour intensité : $$F = k \cdot \frac{|q_1| \cdot |q_2|}{d^2}$$ où $k = 9{,}0 \times 10^{9}\,\text{N·m}^2\text{·C}^{-2}$ est la constante électrostatique. La charge s'exprime en Coulomb (C).
- Si les charges sont de même signe : force répulsive (elles se repoussent).
- Si les charges sont de signes opposés : force attractive (elles s'attirent).
Exemple. Deux charges $q_1 = q_2 = 1\,\mu\text{C} = 10^{-6}\,\text{C}$ séparées de $d = 0{,}1\,\text{m}$ : $F = 9{,}0 \times 10^{9} \times \frac{10^{-6} \times 10^{-6}}{(0{,}1)^2} = 9{,}0 \times 10^{-1} = 0{,}9\,\text{N}$.
Attention ! La loi de Coulomb et la loi de gravitation ont la même forme mathématique (en $1/d^2$), mais la gravitation est toujours attractive alors que l'interaction électrostatique peut être répulsive.
6Principe d'inertie (1re loi de Newton)
Le principe d'inertie, ou première loi de Newton, relie le mouvement d'un objet aux forces qui s'exercent sur lui.
Principe d'inertie. Dans un référentiel galiléen : si la somme vectorielle de toutes les forces exercées sur un objet est nulle ($\sum \vec{F} = \vec{0}$), alors l'objet est soit au repos, soit en mouvement rectiligne uniforme (vitesse constante en direction et en intensité).
La réciproque est vraie : si un objet est au repos ou en MRU, alors la somme des forces qui s'exercent sur lui est nulle.
Attention ! Un objet peut être soumis à plusieurs forces et néanmoins être en MRU ou au repos, à condition que ces forces se compensent (somme vectorielle nulle). Ne pas confondre « forces nulles » et « forces qui se compensent ».
Exemple. Un livre posé sur une table est au repos. Il est soumis à deux forces : son poids $\vec{P}$ (vers le bas) et la réaction de la table $\vec{R}$ (vers le haut). Ces deux forces se compensent : $\vec{P} + \vec{R} = \vec{0}$.
Astuce. Pour vérifier si les forces se compensent, vérifiez que leurs vecteurs forment une somme nulle : même droite d'action, sens opposés, mêmes normes.
7Forces et équilibre d'un solide
Un objet est dit en équilibre (statique ou dynamique) lorsque la somme vectorielle des forces exercées sur lui est nulle. On peut appliquer ce principe pour trouver une force inconnue.
Condition d'équilibre. Un objet est en équilibre si et seulement si : $$\sum \vec{F} = \vec{0}$$ C'est-à-dire : la somme algébrique des composantes horizontales est nulle et la somme algébrique des composantes verticales est nulle.
Méthode pour résoudre un problème d'équilibre :
- Identifier le système étudié.
- Lister toutes les forces exercées sur le système (poids, réactions, tensions…).
- Représenter ces forces sur un schéma (diagramme des forces).
- Écrire la condition $\sum \vec{F} = \vec{0}$ et résoudre.
Exemple. Un objet de masse $m = 5\,\text{kg}$ est suspendu à un fil. La tension $T$ dans le fil compense le poids : $T = P = m \cdot g = 5 \times 9{,}8 = 49\,\text{N}$.
| Situation | Forces exercées | Condition d'équilibre |
|---|
| Objet posé sur une table | Poids $P$ + Réaction $R$ | $R = P$ |
| Objet suspendu à un fil | Poids $P$ + Tension $T$ | $T = P$ |
| Objet sur plan incliné | Poids, Réaction normale, Frottement | Décomposition vectorielle |
★À retenir
En bref :
• Un référentiel est le système de référence par rapport auquel on décrit un mouvement.
• La vitesse moyenne : $v = d/\Delta t$ (en m/s).
• Une force est un vecteur (point d'application, direction, sens, norme en Newton).
• Gravitation : $F = G \cdot m_1 \cdot m_2 / d^2$ — toujours attractive.
• Électrostatique : $F = k \cdot |q_1||q_2|/d^2$ — attractive ou répulsive selon les signes.
• Principe d'inertie : si $\sum \vec{F} = \vec{0}$, l'objet est au repos ou en MRU.
• Équilibre : $\sum \vec{F} = \vec{0}$ (somme vectorielle nulle).