Physique-chimie, Troisième • Exercices corrigés à Montréal
Masse et poids sont deux grandeurs différentes que la langue courante confond, et c'est de cette confusion que viennent presque toutes les erreurs du chapitre. La masse se mesure en kilogrammes et ne change jamais; le poids est une force, se mesure en newtons, et dépend de l'astre.
Vous trouverez ici les huit erreurs qui reviennent au brevet, avec la phrase exacte à écrire pour chacune, l'arbre qui choisit entre masse et poids selon l'énoncé, celui des calculs de signal avec le fameux facteur deux, et le poids d'un astronaute sur trois astres, traité ligne par ligne.
Le fil du chapitre
La MASSE ne change jamais, le POIDS change d'un astre à l'autre; et tout signal qui revient vers son point de départ a parcouru DEUX fois la distance cherchée.
La phrase du langage courant, « je pèse », est physiquement fausse : on a une masse de et un poids de . Le correcteur retire un point à chaque fois.
Si les deux forces sont égales, pourquoi la Lune tourne-t-elle autour de la Terre et non l'inverse ? Parce que la Terre est BEAUCOUP plus massive : la même force la met bien moins en mouvement.
Le son a besoin d'un milieu MATÉRIEL pour se propager, pas la lumière. C'est pourquoi une explosion dans l'espace serait parfaitement silencieuse, contrairement à ce que montrent les films.
Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« Cet objet pèse , donc son poids vaut . »
Ce qu'il faut écrire
« Cet objet a une MASSE de ; son POIDS vaut . Un poids s'exprime toujours en newtons. »
Pourquoi : Le langage courant confond les deux mots parce que, sur Terre, l'un se déduit de l'autre en multipliant par dix. En physique ce sont deux grandeurs différentes, et l'unité suffit à les distinguer.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« Sur la Lune, on pèse six fois moins, donc un astronaute de n'a plus qu'une masse de . »
Ce qu'il faut écrire
« La MASSE reste : c'est la même quantité de matière. C'est le POIDS qui est divisé par six environ, passant de à . »
Pourquoi : Un astronaute qui saute plus haut sur la Lune reste aussi difficile à pousser horizontalement : c'est l'inertie, liée à la masse, et elle ne change pas. Seule l'attraction de l'astre change.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« Il n'y a pas d'air entre la Terre et la Lune, donc la gravitation ne peut pas agir. »
Ce qu'il faut écrire
« La gravitation est une action à DISTANCE : elle ne nécessite ni contact, ni support, ni milieu matériel. Elle traverse le vide, et c'est bien elle qui maintient la Lune en orbite. »
Pourquoi : L'intuition demande un intermédiaire, une corde ou un choc. La gravitation n'en a pas : c'est ce qui la rendait si difficile à admettre à l'époque de Newton, et c'est ce que l'énoncé teste.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« La Terre est bien plus massive que la Lune, donc elle l'attire plus fort que la Lune ne l'attire. »
Ce qu'il faut écrire
« Les deux forces ont exactement la MÊME intensité et des sens OPPOSÉS. Ce qui diffère, c'est l'effet : la Terre, beaucoup plus massive, est bien moins mise en mouvement par cette force. »
Pourquoi : Force et effet de la force sont deux choses différentes. La même force appliquée à un camion et à un vélo ne produit pas le même mouvement, et pourtant c'est la même force.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« Le passager assis dans le train est immobile. »
Ce qu'il faut écrire
« Le passager est immobile DANS LE RÉFÉRENTIEL DU TRAIN, mais il est en mouvement dans le référentiel du quai. Une description de mouvement sans référentiel n'a pas de sens. »
Pourquoi : Le mouvement n'est pas une propriété de l'objet, c'est une relation entre l'objet et ce par rapport à quoi on l'observe. C'est la notion la plus abstraite du chapitre, et elle est systématiquement évaluée.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« Le sonar reçoit son écho au bout de , donc le fond est à . »
Ce qu'il faut écrire
« Le son a fait l'ALLER ET LE RETOUR, il a donc parcouru en tout. La profondeur cherchée est la MOITIÉ : . »
Pourquoi : Le mot écho contient déjà l'idée du retour. Dès que l'énoncé parle de signal renvoyé, réfléchi ou reçu en retour, la division par deux est obligatoire.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« On entendrait l'explosion d'un satellite depuis un autre satellite. »
Ce qu'il faut écrire
« Le son est une vibration de la MATIÈRE : il lui faut un milieu matériel. Dans le vide spatial, aucun son ne se propage, alors que la lumière, elle, traverse le vide sans difficulté. »
Pourquoi : C'est la seule différence de nature entre les deux signaux du programme, et c'est celle que le brevet aime interroger. Le son a besoin d'un support, la lumière n'en a pas.
Ce qu'il ne faut pas écrire
« On voit l'éclair et on entend le tonnerre en même temps, puisque l'orage est loin. »
Ce qu'il faut écrire
« La lumière arrive quasi instantanément, le son met environ par kilomètre. Un décalage de signifie donc un orage à environ : . »
Pourquoi : Le rapport entre les deux vitesses est de près d'un million : sur quelques kilomètres, le trajet de la lumière est négligeable, celui du son ne l'est pas du tout.
On regarde l'UNITÉ demandée et l'instrument mentionné : ils décident à eux seuls.
Si l'énoncé parle de kilogrammes, de grammes ou de tonnes → il s'agit d'une MASSE, la même sur tous les astres
Exemple : « un astronaute de » : c'est sa masse, ici comme sur Mars
Si l'énoncé parle de newtons ou d'une force → il s'agit d'un POIDS, à calculer par avec le de l'astre concerné
Exemple : sur Mars
Si l'énoncé donne un poids et demande une masse → , avec le de l'astre où le poids a été mesuré
Exemple : sur la Lune donne
Si l'énoncé donne un poids et une masse et demande l'astre → calculer puis comparer au tableau des intensités de pesanteur
Exemple : : c'est Mars
Si l'énoncé parle de balance → c'est une masse; s'il parle de dynamomètre, c'est un poids
Une balance de cuisine affiche des kilogrammes parce qu'elle a été étalonnée sur Terre : posée sur la Lune, elle mentirait.
En cas de doute, écrire l'unité AVANT le nombre. Une réponse en newtons oblige à passer par , une réponse en kilogrammes interdit de multiplier par .
On identifie le signal, sa vitesse, et surtout s'il revient vers son point de départ.
Si le signal va d'un point à un autre, sans retour → directement, sans division
Exemple : le tonnerre parcourt
Si le signal REVIENT : écho, sonar, radar, télémètre →
Exemple : de profondeur
Si l'énoncé compare un signal lumineux et un signal sonore → le temps de trajet de la lumière est NÉGLIGEABLE sur quelques kilomètres : la durée mesurée est celle du son
Sur , la lumière met et le son : le rapport est d'environ un million.
Si le signal traverse le vide → seule la lumière ou une onde radio peut le faire; le son, lui, ne se propage pas
Si l'énoncé donne une distance et demande une durée → , en doublant la distance si le signal fait l'aller-retour
Exemple :
Avant tout calcul, vérifier l'unité de la vitesse et celle de la distance. Une vitesse en mètres par seconde avec une distance en kilomètres est la première cause d'erreur du chapitre.
Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.
Quand l'utiliser : L'énoncé donne une masse et demande le poids sur la Terre, la Lune ou une autre planète.
Phrase de conclusion
Sur Mars, l'astronaute a un poids de , alors que sa masse reste égale à , exactement comme sur la Terre.
Le piège : Utiliser le de la Terre par habitude alors que l'énoncé parle d'un autre astre. Relire la valeur de juste avant de calculer est le seul moyen d'éviter cette erreur, qui donne un résultat parfaitement plausible.
Barème : 0,5 point pour les données avec leurs unités, 0,5 point pour la formule littérale, 1 point pour le calcul avec le newton, 1 point pour la phrase rappelant l'invariance de la masse.
Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.
L'unité trahit la grandeur
Relisez chaque résultat : un nombre en kilogrammes est une masse, un nombre en newtons est un poids. Si votre phrase de conclusion parle de poids en kilogrammes, elle est fausse, même si le calcul est bon.
« Le poids vaut » : c'est la masse qui a été recopiée à la place du poids.
Le poids sur Terre vaut dix fois la masse
Sur Terre, le nombre de newtons doit valoir environ dix fois le nombre de kilogrammes. Un rapport très différent signale une erreur de ou une conversion oubliée.
Un poids de pour une masse de : le a été oublié.
Le facteur deux du signal renvoyé
Dès que l'énoncé contient écho, sonar, radar, réfléchi ou retour, cherchez la division par deux dans votre calcul. Sans elle, la distance trouvée est exactement le double de la bonne.
de profondeur pour un lac : l'ordre de grandeur suffit à voir que le facteur deux manque.
Le référentiel est nommé
Relisez toute description de mouvement : elle doit contenir le mot référentiel ou une expression équivalente. Une phrase qui dit seulement immobile ou en mouvement est incomplète.
« Le passager est immobile » : sans « dans le référentiel du train », la moitié du point est perdue.
Un astronaute, équipement compris, a une masse totale de . On donne , et .
1. Calculer son poids sur la Terre. 2. Calculer son poids sur la Lune. 3. Par combien son poids est-il divisé entre la Terre et la Lune ? 4. Quelle est sa masse sur la Lune ? 5. Sur un astre inconnu, son poids vaut : de quel astre s'agit-il ?
Étape 1
.
Pourquoi
On écrit la formule littérale avant les nombres, et on termine par l'unité NEWTON. C'est cette unité qui prouve au correcteur qu'on n'a pas confondu poids et masse.
Étape 2
.
Pourquoi
Seul le change d'une ligne à l'autre : la masse reste la même. Relire la valeur de avant de multiplier évite l'erreur la plus fréquente de cet exercice.
Étape 3
: son poids est divisé par environ .
Pourquoi
Le rapport des poids est aussi le rapport des intensités de pesanteur, , ce qui donne un second chemin de vérification sans refaire les deux multiplications.
Étape 4
Sa masse sur la Lune vaut toujours : la masse ne dépend pas de l'astre.
Pourquoi
La question ressemble à un piège et c'en est un. La réponse tient en une phrase, sans aucun calcul, et c'est exactement pour cela qu'elle est posée.
Étape 5
, ce qui correspond à MARS d'après les données.
Pourquoi
On calcule d'abord la grandeur caractéristique de l'astre, puis on la compare aux valeurs fournies. Répondre Mars sans passer par ne prouve rien et ne vaut rien.
Étape 6
Vérification : , on retrouve bien la valeur de l'énoncé.
Pourquoi
La substitution inverse coûte cinq secondes et attrape toute erreur de division. C'est la vérification la plus rentable de tout le chapitre.
Conclusion rédigée
L'astronaute a un poids de sur la Terre et de sur la Lune, soit fois moins, alors que sa masse reste égale à partout; un poids de correspond à , c'est-à-dire à Mars.
L'erreur classique sur cet exercice : Répondre que sa masse sur la Lune vaut . Le rapport de concerne les POIDS et rien d'autre : la masse, quantité de matière, ne peut pas changer parce qu'on a changé d'astre.
La masse mesure la quantité de matière, s'exprime en kilogrammes et ne change jamais, quel que soit l'astre. Le poids est la force d'attraction exercée par un astre, s'exprime en newtons et change d'un astre à l'autre. Sur Terre, on passe de l'une à l'autre en multipliant par dix newtons par kilogramme.
Non, jamais. Un astronaute de cent vingt kilogrammes a toujours cette masse sur la Lune : c'est la même quantité de matière. C'est son poids qui est divisé par environ six, passant de mille deux cents newtons à cent quatre-vingt-douze newtons, parce que l'attraction de la Lune est plus faible.
Non. Les deux forces ont exactement la même intensité et des sens opposés. Ce qui diffère, ce sont leurs effets : la Terre étant beaucoup plus massive, la même force la met bien moins en mouvement que la Lune. C'est pour cela que la Lune paraît tourner autour de la Terre.
Parce que le son est une vibration de la matière et qu'il lui faut un milieu matériel pour se propager, air, eau ou solide. Dans le vide spatial, il n'y a pas de matière, donc aucun son ne se propage. La lumière, elle, traverse le vide sans difficulté, c'est pourquoi on voit les étoiles.
On compte les secondes entre l'éclair et le tonnerre, puis on multiplie par trois cent quarante mètres par seconde. Six secondes donnent environ deux mille quarante mètres, soit deux kilomètres. La lumière de l'éclair arrive quasi instantanément, donc la durée mesurée est celle du son seul.
