Sciences physiques - Les forces et leurs applications : Equilibre d’un solide soumis à un système de forces

Compétence 1 : Explorer les phénomènes naturels et les objets techniques à l’aide d’outils et de démarches caractéristiques des sciences expérimentales.

• Composante 1b – Niveau visé : application

  Observer, mesurer, décrire et expliciter le fonctionnement de phénomènes naturels et d’objets techniques à l’aide d’un vocabulaire scientifique et technique et par l’usage d’instruments d’observation et de mesure, de l’infiniment grand à l’infiniment petit.

• Composante 1c – Niveau visé : application

  Mettre en œuvre une démarche expérimentale par la formulation d’hypothèses, la définition et la mise en œuvre de stratégies d’exploration simples, le choix d’instruments d’observation et de mesure adaptés, la réalisation d’expériences, la formalisation des résultats obtenus et leur confrontation aux hypothèses émises.

Compétence 2 : Appréhender les phénomènes naturels et le comportement des objets techniques par le biais des représentations, de la modélisation et du langage mathématique.

• Composante 2a – Niveau visé : acquisition.

  Lire, interpréter, exploiter et produire des dessins d’observation, plans, schémas fonctionnels, diagrammes, courbes et tableaux de données se référant à des phénomènes naturels ou des objets techniques

• Composante 2b – Niveau visé : acquisition.

  Faire à la fois la différence et le lien entre un modèle scientifique basé sur l’idéalisation du comportement d’un objet naturel ou artificiel, que ce modèle soit formalisé mathématiquement ou non, et les observations effectuées dans le cadre d’une démarche expérimentale

• Composante 2c – Niveau visé : application.

  Utiliser un modèle formalisé issu des sciences expérimentales et effectuer des calculs simples pour expliciter et/ou prévoir un phénomène naturel ou le fonctionnement/comportement d'un objet technique

Compétence 3 : Se situer et agir en citoyen ou citoyenne responsable, dans un souci d’enrichissement, de préservation et de protection de la vie sociale, de la santé et de l’environnement.

• Composante 3a – Niveau visé : acquisition

  Exercer un regard curieux et adopter une attitude exploratoire face au monde qui l’entoure et responsable face à son propre corps, en faisant preuve d’une distance critique et d’une capacité d’analyse et d’interprétation des informations qui lui sont soumises.

• Composante 3d – Niveau visé : application

  Apprendre à l’école et en dehors de l’école, puis tout au long de sa vie, par le biais de la documentation accessible in situ et en ligne, de ses expériences individuelles et des interactions avec les membres de sa communauté, notamment en vue de découvrir les métiers et activités professionnelles qui lui correspondent parmi celles qui l’entourent.

• Distinguer les différents types d’équilibres dans lesquels un objet peut se trouver (statique, dynamique, stable, instable …) ;

• Définir la résultante d’un système (ou ensemble) de forces et comprendre que cette résultante est nulle lorsque l’objet auquel ces forces s’appliquent est en équilibre ;

• Schématiser un système de forces agissant sur un objet en équilibre ;

• Schématiser et mesurer la résultante d’un système de forces agissant sur un objet en équilibre ;

• Réaliser l’équilibre d’un objet au repos sur une table ou suspendu à un ressort pour identifier et schématiser les forces auxquelles ces objets sont soumis, et comprendre qu’un objet en équilibre est soumis au moins à deux forces opposées ;

• Expliquer qu’une force peut provoquer la rotation d’un objet par rapport à un axe et que cet effet de rotation traduit le moment de la force ;

• Citer plusieurs exemples de la vie courante où une force produit un moment c’est-à-dire la rotation d’un objet par rapport à un axe ;

• Comprendre que le moment d’une force par rapport à un axe est orienté et sa valeur dépend de l’intensité de la force et de la distance de cette force à l’axe de rotation ;

• Comprendre qu’un objet peut être en équilibre sous l’action de deux moments contraires produits par deux forces opposées ;

• Illustrer à l’aide d’une toupie les différents types d’équilibres auxquels les objets peuvent être soumis ;

• Réaliser des expériences où des forces provoquent la rotation d’objets par rapport à un axe en produisant des moments ;

• Développer sa curiosité dans l’observation des phénomènes naturels et artificiels afin de les questionner et de chercher à mieux les comprendre.

Savoir que :

• Les forces peuvent produire des effets statiques ou dynamiques en s’exerçant sur les objets pour modifier leur état de repos ou de mouvement ;

• Principe d’inertie : tout objet (sur la Terre ou dans l’espace) soumis à des forces qui se compensent est soit immobile, soit en mouvement rectiligne uniforme ;

• Les forces sont caractérisées par une droite d’action (direction), un sens et une intensité ;

• Le poids d’un corps est la force d’attraction (force de pesanteur) exercée par la Terre sur lui. Il est vertical et dirigé vers le bas ;

• L’intensité d’une force (ou d’un poids) se mesure à l’aide d’un dynamomètre et s’exprime en Newton (N) ;

• La formule mettant en relation le poids et la masse d’un objet est P = m.g ;

• Une force est représentée schématiquement par un segment de droite fléché (vecteur) ;

• Le mot « équilibre » est utilisé couramment pour parler d’un objet qui ne bouge pas ;

• Les forces peuvent aussi bien équilibrer des objets que les mettre en mouvement ou les déformer ;

• Statique veut dire « immobile » et dynamique « en mouvement » ;

• Un livre déposé sur une table est soumis à l’action de deux forces ;

• Tout objet sur la Terre soumis à des forces qui se compensent est soit immobile, soit en mouvement rectiligne uniforme.

• Approche socio-constructiviste reposant sur une réflexion en commun relative aux propriétés observées des objets apportés de la maison ;

• Approche phénoménologique (construction d’une « intuition » des phénomènes observés) ;

• Respect de l’autonomie des élèves et de leur goût pour les activités à réaliser afin de développer chez eux le sens de la créativité.

• Activités de recherche et partage d’informations ;

• Mise au point et réalisation de manipulations ;

• Travail en classe entière et en petits groupes ;

• Exploitation de documents appropriés ;

• Devoirs à la maison.

Découpage en séances

NB. L’évaluation diagnostique des compétences doit être réalisée en début d’année, à la fin de la première séquence.

Si l’enseignant décide de commencer par une autre unité d’apprentissage, cette évaluation diagnostique devra être réalisée à la fin de la première séquence traitée.

Fiches :

1. Leçon : Résultante d’un système de forces

2. Leçon : Moment d’une force par rapport à un axe

Manuel de sciences physiques (livre de classe), si existant pour ce nouveau programme

• Evaluation initiale (diagnostique) :

  Sous la supervision de l’enseignant, les élèves s’organisent en petits groupes pour discuter sur des questions relatives aux prérequis sur les forces et le poids, leurs effets, leurs caractéristiques et leurs représentations, suivies de questions posées à l’enseignant. Les questions posées peuvent toutefois l’être sous forme de QCM, de schémas à produire et d’explications précises à donner.

• Evaluation continue (formative) :

  L’enseignant organise régulièrement des activités d’évaluation formative, soit à la fin d’une séance, soit au début de la suivante. Il propose à chaque élève différents types d’exercices : « vrai ou faux », « questions à trous », « QCM », « listes de termes à classer », production de schémas, d’explications à donner, etc. dont des exemples sont proposés dans les pages qui suivent. Il s’autorise toutefois une certaine latitude et flexibilité de manière à organiser ces activités en fonction de sa perception de la progression des élèves.

• Evaluation finale (bilan) et critères/indicateurs de réussite.

• Observations et recherches supplémentaires à faire à la maison.

• Exercices à faire à la maison et à présenter au cours suivant.

• Analyse des fiches documentaires et visualisation de vidéos.

L’enseignant propose des tâches plus simples aux élèves en difficulté afin de relever leur niveau pour leur permettre de mieux appréhender les notions et les phénomènes qui paraissent difficiles à comprendre. Ces tâches, qui peuvent être des exercices, des activités d’observation ou de manipulations, des constructions de schémas…, sont données en fonction de la nature des difficultés des élèves.

NB. Ces activités peuvent également être réalisées pour les élèves sans besoins particuliers, qui peuvent en profiter également.

Contenus

• A travers cette séquence, il s’agit de faire découvrir aux élèves qu’il existe des objets ou des systèmes en équilibre statique ou en équilibre dynamique (stables ou instables) à l’état natif, mais que l’homme a su aussi exploiter ces principes d’équilibre dans des systèmes complexes comme la construction d’édifices, des ponts, de certaines machines, etc.

• Les différents types d’équilibre peuvent être résumés dans le tableau ci-dessous.

NB. Ce tableau pourra éventuellement être ajouté dans les traces écrites des élèves.

• Les notions de systèmes de forces et de résultante seront abordées en faisant des rappels de notions déjà vues auparavant en cette même année de 8^e pour une meilleure introduction et compréhension des systèmes en équilibre statique.

• Il est à noter qu’à ce niveau les élèves n’ont pas encore abordé la notion de vecteur en mathématique. Ainsi, sur la « représentation vectorielle » des forces (\( \overrightarrow{F} \)avec une flèche au-dessus), on n’utilisera pas le terme « vectoriel », mais on parlera tout simplement de « représentation géométrique » des forces sous forme de segment de droit fléché, en introduisant la notation des forces sous la forme d’une lettre surmontée d’une flèche (Ex  \(\overrightarrow{F} \)force ou \(\overrightarrow{f} \)).

• En classe de 8^e année fondamentale, on n’étudiera pas formellement la manière dont une force (résultante) « accélère » un objet, ce qui sera traité en classe secondaire. Cependant, il sera bien utile de commencer à instiller auprès des élèves l’idée que :

  • si la résultante est nulle, l’objet n’est pas forcément immobile (au repos), il peut être en un mouvement rectiligne uniforme à vitesse constante (l’une des facettes du principe d’inertie).

  • si la résultante n’est pas nulle, l’objet n’a pas une vitesse constante mais accélère, et ce d’autant plus que la force est élevée (et que la masse de l’objet est faible).

• On abordera avec les élèves la notion de moment d’une force de façon purement phénoménologique par la réalisation de différentes manipulations, pour expliquer l’équilibre des objets en rotation, mais en évitant tout calcul.

• A ce niveau on évitera les formules, les calculs et les constructions géométriques complexes, mais on utilisera surtout les notions de droites, de segments de droites, de droites perpendiculaires, parallèles et concourantes…).

• On évitera également de manipuler tout ce qui pourrait paraître dangereux pour les élèves dans les activités à réaliser.

• On évitera l’emploi d’un langage trop technique à ce niveau, privilégiant un langage simple et qualitatif afin de faciliter la compréhension intuitive des phénomènes par les élèves.

• Il est conseillé de donner aux élèves des activités à faire à la maison en prélude aux notions qui seront étudiées à chaque séance ultérieure.

• On encouragera les élèves à s’entraider lorsqu’ils travaillent en équipe.

• Lors de cette première séquence du thème (mais également tout au long de l’année), on pensera à valoriser les efforts et les idées des élèves, même lorsqu’elles ne sont pas tout à fait correctes, pour les encourager et les stimuler à participer au cours et leur donner confiance en leurs capacités à apprendre les sciences.

Supports

• 2 Vidéos : une sur l’équilibre stable et instable ; une sur l’équilibre statique des objets et ses conditions.

• Manuel de sciences physiques (livre de classe), si existant pour ce nouveau programme

Matériel

• Cahier, crayon, toupie, planche, cale ou coin (point d’appui), etc.

Exercice 1.

Observer attentivement les situations suivantes. Dire dans chaque cas s’il y a équilibre ou non. Si oui, préciser sa nature.
Ballon tenu sur le doigt	Passerelle reliant deux montages	Toupie en rotation autour d’un axe fixe

Exercice 2

Un homme explique qu’il a l’habitude de se mettre en position de l’ours de la façon suivante :

• Je me mets à quatre pattes ;

• Je soulève mes genoux ;

• J’avance en déplaçant chaque main en même temps que le pied opposé ;

• Je respire normalement.

1. D’après vous, en se déplaçant suivant cette position de l’ours, cet homme est-il en équilibre ou non ?

2. Si oui, cet équilibre est-il statique ou dynamique ? Expliquer brièvement votre réponse.

Il est attendu que l’élève :

• définisse la notion d’équilibre,

• parvienne à différencier l’équilibre stable de l’équilibre instable, et l’équilibre statique de l’équilibre dynamique,

• énonce et comprenne les conditions d’équilibre statique ou dynamique d’un solide.

• Un objet est en équilibre lorsqu’il n’y a pas de changement dans son état de mouvement. S’il est au repos, il reste au repos ; s’il est en mouvement, son mouvement est rectiligne et sa vitesse est constante.

• Un objet est en équilibre stable s’il revient toujours à sa position initiale après avoir été perturbé.

• Un objet est en équilibre instable s’il s’écarte de sa position initiale après avoir été perturbé ; il peut toujours rejoindre une nouvelle position d’équilibre stable.

• Les différents types d’équilibre peuvent être résumés dans le tableau ci-dessous.

• Deux forces se compensent quand elles sont exactement opposées.

• Un objet soumis à deux forces est en équilibre statique quand les deux forces sont exactement opposées c’est-à-dire de même ligne d’action, de même intensité, mais de sens contraires.

• Un objet est en équilibre dynamique quand il se déplace à vitesse constante et que les forces qui agissent sur lui se compensent.

Observer la photo ci-contre où un solide G, posé sur une table, est maintenu en équilibre par deux ressorts horizontaux.

1. Identifier les forces agissant sur le solide et précisez leurs caractéristiques.

2. Que peut-on dire des forces \(\vec{F_1}\)et \(\vec{F_2}\)en les comparant deux à deux, de même que des forces \(\vec{P}\) et \(\vec{R}\)?

3. Que peut-on conclure de l’ensemble des forces agissant sur le solide G ? Ce dernier est-il alors en équilibre ? Si oui, quel type d’équilibre ?

NB : Cette évaluation sera effectuée au début de la séance n° 2.

Si le niveau de l’élève par rapport aux éléments évalués est « Insuffisant », soit moins de 3 sur 5, il est conseillé à l’enseignant d’investiguer et d’échanger avec l’élève pour comprendre d’où viennent ses difficultés (cognitives, attentionnelles, familiales, etc.) en vue d’y remédier plus efficacement.

Si, à travers les évaluations, un élève a souvent des hésitations dans ses réponses ou donne fréquemment des réponses incorrectes, il est probable qu’il ait besoin de remédiation.

L’enseignant propose à l’élève des notions de base à revoir et des exercices plus faciles, en découpant les apprentissages en étapes plus simples et en donnant des exercices de difficulté intermédiaire.

Dans le cas des classes pléthoriques, l’enseignant peut réhabiliter l’enseignement mutuel en demandant à un élève qui a compris d’aider un élève qui n’a pas compris (tout en promettant comme récompense à l’élève-aide le même surplus de note de l’élève en difficulté s’il s’améliore lors du prochain test).

Supports

• Fiche : Résultante d’un système de forces.

• Manuel de sciences physiques (livre de classe), si existant pour ce nouveau programme

Matériel

• Parpaing (bloc de construction en béton)

Il est attendu que l’élève :

• identifie les caractéristiques de deux forces agissant sur un système,

• représente graphiquement les deux forces qui agissent sur un système,

• comprenne la notion de résultante de deux forces agissant sur un système,

• définisse brièvement la résultante de plusieurs forces,

• calcule l’intensité de la résultante de deux forces de même direction.

• Pour soulever un objet, on doit exercer une force qui produit deux effets :

  1) d’abord compenser le poids de cet objet.

  2) ensuite vaincre ce poids et accélérer l’objet vers le haut.

• La force résultante ou la « résultante » est la force unique qui a le même effet que deux ou plusieurs forces agissant ensemble sur un point donné.

• Etant une force, la résultante elle aussi a une direction, un sens et une intensité.

• La résultante de deux forces qui se compensent est nulle.

Jules et Ralph tirent chacun sur l’une des extrémités d’une corde au centre de laquelle est attaché un anneau. Au moment précis où Ralph déplace Jules et l’anneau vers lui, les forces exercées sont respectivement 100 N et 110 N.

1. Identifier la direction, le sens et l’intensité de chacune des forces.

2. Représenter graphiquement le système (anneau - force de Jules - force de Ralph) en considérant que le poids de la corde est négligeable et en représentant l’anneau par un point C.

3. L’anneau est-il en équilibre ? Pourquoi ?

4. Quels sont la direction, le sens et l’intensité de la résultante du système de forces ?

Après quelques secondes, Jules et Ralph deviennent immobiles, bien qu’ils continuent à tirer sur la corde.

1. Que peut-on dire de leurs forces dans ce cas ?

2. Représenter à nouveau le système de forces sur l’anneau.

3. Que peut-on dire de la résultante du système de forces dans ce cas ?

(Pour les schémas, prendre 1 cm pour 20 N)

NB : Cette évaluation sera effectuée au début de la séance n° 3.

Si le niveau de l’élève par rapport aux éléments évalués est « Insuffisant », soit moins de 3 sur 5, il est conseillé à l’enseignant d’investiguer et d’échanger avec l’élève pour comprendre d’où viennent ses difficultés (cognitives, attentionnelles, familiales, etc.) en vue d’y remédier plus efficacement.

Si, à travers les évaluations, un élève a souvent des hésitations dans ses réponses ou donne fréquemment des réponses incorrectes, il est probable qu’il ait besoin de remédiation.

L’enseignant propose à l’élève des notions de base à revoir et des exercices plus faciles, en découpant les apprentissages en étapes plus simples et en donnant des exercices de difficulté intermédiaire.

Dans le cas des classes pléthoriques, l’enseignant peut réhabiliter l’enseignement mutuel en demandant à un élève qui a compris d’aider un élève qui n’a pas compris (tout en promettant comme récompense à l’élève-aide le même surplus de note de l’élève en difficulté s’il progresse lors du prochain test).

Supports

• Fiche : Moment d’une force par rapport à un axe.

• Manuel de sciences physiques (livre de classe), si existant pour ce nouveau programme

Matériel

• Clés, tire-bouchon, tournevis, bouteille avec bouchon de liège, plaque en bois avec vis, plaque en bois avec boulon et écrou, etc.

1. Une force peut produire un moment, mais un couple de forces ne le peut pas. (___________)

2. Pour équilibrer le moment d’une force lors d’un mouvement de rotation, il faut exercer une autre force qui produit un moment en sens contraire. (___________)

3. Pour équilibrer le moment d’un couple de forces, il faut exercer un autre couple de forces qui produit un moment en sens contraire. (___________)

4. Plus le manche d’une clé est long, plus il est difficile de faire tourner un objet en y exerçant une force. (___________)

5. Plus l’intensité d’une force est petite, plus le moment qu’elle produit sur un point déterminé de l’objet est faible. (___________)

Il est attendu que l’élève :

• identifie autour de lui les objets pouvant tourner autour d’un axe sous l’action d’une force ou d’un couple de forces,

• définisse « bras de levier d’une force » et « moment d’une force »,

• comprenne que plus le bras de levier de la force qui produit la rotation d’un objet est grande, plus cette rotation est facile à produire,

• comprenne que l’effet de la rotation dépend de la valeur de la force et de celle de son bras de levier.

• Une force ou un couple de forces peut provoquer la rotation d’un objet autour d’un axe.

• Le bras de levier d’une force est la distance (perpendiculaire) du point d’application de la force à l’axe de la rotation produite.

• On appelle « moment » d’une force, la capacité que possède cette force de produire la rotation d’un objet autour d’un axe.

• Le moment d’une force dépend de l’intensité et du bras de levier de la force qui le produit.

  1) Plus l’intensité de la force est grande, plus le moment de la force est grand.

  2) Plus le bras de levier est grand, plus le moment de la force est grand.

• Seul le moment d’une force peut équilibrer le moment d’une autre force.

• Un couple de force est un ensemble de deux forces qui ont pour action de mettre un solide en rotation.

• Les deux forces du couple s’étendent sur des droites distinctes et parallèles ; elles sont de sens opposés et de valeurs égales.

• Seul le moment d’un couple de forces peut équilibrer le moment d’un autre couple de forces.

NB : L’évaluation de la séquence sera effectuée dans la séance n° 4 suivante.

Si le niveau de l’élève par rapport aux éléments évalués est « Insuffisant », soit moins de 3 sur 5, il est conseillé à l’enseignant d’investiguer et d’échanger avec l’élève pour comprendre d’où viennent ses difficultés (cognitives, attentionnelles, familiales, etc.) en vue d’y remédier plus efficacement.

Si, à travers les évaluations, un élève a souvent des hésitations dans ses réponses ou donne fréquemment des réponses incorrectes, il est probable qu’il ait besoin de remédiation.

L’enseignant propose à l’élève des notions de base à revoir et des exercices plus faciles, en découpant les apprentissages en étapes plus simples et en donnant des exercices de difficulté intermédiaire.

Dans le cas des classes pléthoriques, l’enseignant peut réhabiliter l’enseignement mutuel en demandant à un élève qui a compris d’aider un élève qui n’a pas compris (tout en promettant comme récompense à l’élève-aide le même surplus de note de l’élève en difficulté s’il progresse lors du prochain test).

Supports

• Grille d’(auto-)évaluation des compétences.

Matériel