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Physique-Chimie · BTS & DUT (EST) — BTS

Lois de Newton

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

  1. Première loi (Principe d'inertie) : Dans un référentiel galiléen, si la somme des forces extérieures est nulle, le centre d'inertie $G$ est soit au repos, soit en mouvement rectiligne uniforme.
  2. Deuxième loi (Théorème du centre d'inertie) : Dans un référentiel galiléen, la somme des forces extérieures appliquées à un système est égale au produit de sa masse par son accélération : $\sum \vec{F}_{ext} = m \cdot \vec{a}_G$.
  3. Troisième loi (Principe des actions réciproques) : Si un corps A exerce une force sur B, alors B exerce sur A une force telle que $\vec{F}{A/B} = -\vec{F}{B/A}$.

Méthodes à maîtriser

  • Bilan des forces : Identifier toutes les forces (Poids, Tension, Frottements, Réaction).
  • Choix du référentiel : Toujours préciser qu'il est galiléen.
  • Projection : Projeter la relation vectorielle $\sum \vec{F} = m \cdot \vec{a}$ sur les axes du repère choisi (souvent $(Ox, Oy)$).
  • Intégration : Passer de $\vec{a}$ à $\vec{v}$ puis à $\vec{OG}$ par intégration en utilisant les conditions initiales ($v_0$ et $x_0$).

Exemples corrigés

Exemple : Chute libre verticale sans vitesse initiale. $\sum \vec{F} = \vec{P} = m\vec{g}$. D'après la 2ème loi : $m\vec{g} = m\vec{a} \implies \vec{a} = \vec{g}$. Sur l'axe $Oz$ : $a_z = g$. Intégration : $v_z(t) = g \cdot t + v_0$. Comme $v_0=0$, $v_z(t) = g \cdot t$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de préciser le référentiel galiléen.
  • Se tromper dans le signe lors de la projection sur les axes.
  • Confondre la masse $m$ avec le poids $P=mg$.
  • Oublier les constantes d'intégration lors du passage de $a$ à $v$ ou de $v$ à $x$.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Lois de Newton

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Dans un référentiel galiléen, si la somme des forces est nulle, le vecteur accélération est :

❓ Questions fréquentes

Comment savoir si le mouvement est accéléré ou ralenti ?

Il faut regarder le signe du produit scalaire $\vec{a} \cdot \vec{v}$ :

  1. $\vec{a} \cdot \vec{v} > 0$ : Mouvement accéléré.
  2. $\vec{a} \cdot \vec{v} < 0$ : Mouvement ralenti.

💡 À retenir : Si $a$ et $v$ sont de même signe, ça accélère.

Kifach n3ref wach l'ma3lam galiléen wla la ?

Un référentiel est dit galiléen si le principe d'inertie y est vérifié. Au niveau du Bac, on considère généralement le référentiel terrestre comme galiléen pour les mouvements de courte durée (quelques minutes).

💡 À retenir : Pour tout exercice, commence toujours par la phrase : « On étudie le mouvement dans le référentiel terrestre supposé galiléen ».

Chno hiya l'far9 bin l'masse (m) w l'wazn (P) ?
  1. La masse $m$ est une grandeur scalaire constante, exprimée en kg, qui mesure la quantité de matière.
  2. Le poids $\vec{P}$ est une force vectorielle, exprimée en Newton, qui dépend de la pesanteur locale $\vec{g}$ ($P = m \cdot g$).

💡 À retenir : La masse est intrinsèque, le poids dépend du lieu.

Kifach n7seb l'accélération ila kan l'mou7araka mon7aniya ?

Dans un mouvement curviligne, on utilise le repère de Frenet $(G, \vec{u}, \vec{n})$ :

  1. $\vec{a} = a_t \cdot \vec{u} + a_n \cdot \vec{n}$.
  2. $a_t = \frac{dv}{dt}$ (accélération tangentielle).
  3. $a_n = \frac{v^2}{R}$ (accélération normale).

💡 À retenir : L'accélération totale est $a = \sqrt{a_t^2 + a_n^2}$.

Est-ce que la 2ème loi de Newton s'applique si la masse varie ?

Dans le programme du Bac, on considère des systèmes à masse constante. La formule $\sum \vec{F} = m \cdot \vec{a}$ est donc toujours valide sous cette forme.

💡 À retenir : Si $m$ est constante, $\sum \vec{F} = \frac{d(m\vec{v})}{dt} = m \frac{d\vec{v}}{dt} = m\vec{a}$.

Comment projeter le poids vec{P} sur un plan incliné ?

Si le plan fait un angle $\alpha$ avec l'horizontale :

  1. $P_x = m \cdot g \cdot \sin(\alpha)$ (selon la pente).
  2. $P_y = -m \cdot g \cdot \cos(\alpha)$ (perpendiculaire au plan).

💡 À retenir : Fais toujours un schéma clair avec l'angle $\alpha$ pour éviter les erreurs de sinus/cosinus.

Pourquoi on ajoute une constante lors de l'intégration ?

L'intégration est l'opération inverse de la dérivée. Mathématiquement, la dérivée d'une constante est nulle, donc on doit ajouter une constante $C$ qui est déterminée par les conditions initiales à $t=0$.

💡 À retenir : $v(0)$ et $x(0)$ servent à trouver ces constantes.

Est-ce que la réaction du support est toujours perpendiculaire ?

Non, seulement s'il n'y a pas de frottements. S'il y a des frottements, la réaction $\vec{R}$ a une composante normale $\vec{R}_n$ et une composante tangentielle $\vec{f}$ (frottement).

💡 À retenir : $\vec{R} = \vec{R}_n + \vec{f}$.

Est-ce que la 3ème loi de Newton dépend du mouvement ?

Non, le principe des actions réciproques est toujours vrai, que les objets soient au repos ou en mouvement.

💡 À retenir : $\vec{F}{A/B} = -\vec{F}{B/A}$ est une loi universelle.

Comment choisir l'axe Ox ?

Généralement, on choisit l'axe $Ox$ dans le sens du mouvement pour simplifier les calculs et avoir une accélération positive.

💡 À retenir : Le choix est libre, mais un bon choix facilite la résolution.

Qu'est-ce qu'un référentiel non galiléen ?

C'est un référentiel en accélération par rapport à un référentiel galiléen (ex: un bus qui freine). La 2ème loi de Newton n'y est pas directement applicable sans ajouter des forces d'inertie (hors programme).

💡 À retenir : Au Bac, on travaille uniquement dans des référentiels galiléens.

Est-ce que la force de frottement dépend de la vitesse ?

Dans certains cas (fluides), oui, elle est proportionnelle à la vitesse ($f = -k \cdot v$). Dans le cas de solides, on considère souvent une valeur constante.

💡 À retenir : Lis bien l'énoncé pour savoir quel modèle est utilisé.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un solide de masse $m = 200$ g glisse sur un plan incliné d'un angle $\alpha = 30^\circ$ par rapport à l'horizontale. On néglige les frottements.

  1. Faire le bilan des forces.
  2. Appliquer la 2ème loi de Newton pour trouver l'accélération $a$. Donnée : $g = 9,8$ m/s².
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Exercice 2

Un parachutiste de masse $m = 80$ kg saute d'un avion. La force de résistance de l'air est donnée par $\vec{f} = -k \cdot \vec{v}$ avec $k = 40$ kg/s.

  1. Établir l'équation différentielle du mouvement.
  2. Déterminer la vitesse limite $v_{lim}$.
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Exercice 3

Un satellite de masse $m$ tourne autour de la Terre (masse $M$) sur une orbite circulaire de rayon $r$.

  1. Exprimer la force de gravitation.
  2. En déduire l'expression de l'accélération du satellite.
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