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Exercice 1 : La Station
Spatiale Internationale ISS

1. Représenter les forces
qui s’exercent sur la station :

La station spatiale subit :
  •  La force gravitationnelle 
   exercée par la Terre sur
  la station, dirigée vers le
  centre de la Terre.
  •  Cette force permet de 
  maintenir la station sur
  son orbite circulaire 
  (force centripète).

2. Préciser la direction et
le sens du vecteur  :
  •  Direction : Radiale 
  (dirigée selon la ligne qui 
  relie le centre de la Terre
  à la station).
  •  Sens : Vers le centre de 
  la Terre.

3. Donner l’expression 
vectorielle de la force  :


Où :
  •  ,
  •   (masse de la Terre),
  •   (masse de la station),
  •  .

4. Calculer la valeur de 
cette force :

Substituons les valeurs :

Calculons :


Exercice 2 : Étude d’un 
mouvement

1. Caractériser le mouvement
de la balle (de 1 à 11) en
distinguant deux phases :
  •  Phase 1 (immergée dans 
  l’eau) :
Le mouvement est ralenti, 
car la balle subit deux 
forces opposées :
  •  Le poids , dirigé vers 
  le bas,
  •  La poussée d’Archimède , 
  dirigée vers le haut.
La résultante est donc réduite
, ce qui ralentit la chute.
  •  Phase 2 (hors de l’eau) :
La balle n’est plus soumise 
qu’à son poids, donc le 
mouvement est uniformément
accéléré.

2. Calculer la vitesse entre
les positions 6 et 10 :

Données :
  •  L’intervalle de temps
  entre chaque position est 
  constant ().
  •  Mesurez ou utilisez les 
  distances () entre les 
  positions 6 et 10.

La vitesse se calcule par :

Exemple (si ) :

(Adaptez selon les mesures
réelles des positions sur 
l’échelle).

3. Quelles sont les deux 
forces qui s’exercent sur 
la balle ?

a. Les deux forces sont :
- Le poids ,
- La poussée d’Archimède  
(uniquement dans l’eau).

b. Ces forces se 
compensent-elles en
position 4 ?
Non, elles ne se compensent
pas, car la balle est 
en mouvement. Si elles
étaient équilibrées, 
la balle serait immobile 
ou en mouvement rectiligne
uniforme.

c. Représenter les forces 
en position 8 :
- Représentez  dirigée vers
le bas avec une intensité de
.
- Représentez  dirigée vers 
le haut avec une intensité 
calculée précédemment ().


Réponses aux questions :

4. Étude de la chute de la 
bille dans l’air

a. Quelles sont les forces
qui s’exercent sur la bille
au cours de sa chute ? Ces 
forces se compensent-elles ?

Les forces qui s’exercent 
sur la bille sont :
  1.  Le poids , dirigé 
  vers le bas.
  2.  La force de frottement
  de l’air , dirigée vers 
  le haut (opposée au
  mouvement).

Ces forces ne se compensent
pas :
  •  Le poids est plus 
  important que la force de
  frottement au début de la 
  chute, donc la bille 
  accélère.
  •  Lorsque la vitesse
  augmente, la force de 
  frottement devient 
  progressivement égale
  au poids. La bille atteint
  alors une vitesse limite 
  (constante).

b. Une de ces forces 
peut-elle être négligée ?
Laquelle et pourquoi ?

Dans un premier temps, 
si la vitesse de la bille 
est faible (au début de la 
chute), la force de
frottement de l’air peut
être négligée car elle est 
petite comparée au poids.

c. Comment qualifie-t-on 
alors la chute de la bille ?

On qualifie cette chute de 
chute libre si la force de 
frottement est négligeable. 
Sinon, c’est une chute avec 
frottements.

5. Galilée et la chute 
des objets

a. Quels étaient ces deux 
objets ?

Galilée a utilisé deux 
objets de masses et formes 
différentes (par exemple, 
une boule lourde et une 
boule légère).

b. Pourquoi la Lune est-elle
un endroit idéal pour
réaliser cette expérience ?

La Lune est un endroit idéal
car :
  1.  Il n’y a pas 
  d’atmosphère, donc pas de
  frottements de l’air.
  2.  Tous les objets 
  tombent avec la même 
  accélération (due à la 
  gravité), quelle que soit 
  leur masse.

6. Étude du mouvement sur 
le plan incliné

a. Quelles sont les forces
qui s’exercent sur la bille 
en position 4 ?

Les forces qui s’exercent
sont :
  1.  Le poids , décomposé 
  en :
  •  Une composante parallèle
  au plan , responsable du
  mouvement.
  •  Une composante
  perpendiculaire au plan ,
  équilibrée par la réaction
  du support .
  2.  La réaction du support
  , dirigée 
  perpendiculairement au plan
  incliné.

b. Tracer la somme des forces
 en position 6.

La somme des forces  est 
égale à la composante
parallèle du poids :

Elle est dirigée dans le sens
du mouvement (vers le bas le
long du plan incliné).

c. Montrer que le vecteur  
est cohérent avec le mouvement
de la bille.

La bille accélère dans le
sens de , ce qui est
cohérent avec le fait que 
la force résultante  est 
non nulle et dirigée dans
le sens du mouvement.

7. Mouvement sur un plan
horizontal

Lorsque la bille atteint le
bas du plan incliné, elle se
déplace sur un plan
horizontal. Sur ce plan :
  •  La réaction du support
   équilibre le poids .
  •  Si on néglige les 
  frottements, aucune force
  horizontale ne s’oppose au
  mouvement.

Conclusion : Le mouvement 
sera rectiligne uniforme 
(vitesse constante).