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

Mouvements dans un champ uniforme

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

Dans un champ uniforme (pesanteur $\vec{g}$ ou électrique $\vec{E}$), la force exercée est constante : $\vec{F} = m\vec{g}$ ou $\vec{F} = q\vec{E}$. D'après la 2ème loi de Newton : $\sum \vec{F} = m\vec{a} \implies \vec{a} = \vec{g}$ (ou $\vec{a} = \frac{q}{m}\vec{E}$). Le vecteur accélération est constant, donc le mouvement est uniformément varié.

Méthodes à maîtriser

  1. Bilan des forces : Identifier les forces appliquées (Poids, force électrique).
  2. Projection : Projeter le vecteur accélération sur les axes $(Ox, Oy)$.
  3. Intégration : Intégrer $\vec{a}$ pour trouver $\vec{v}(t)$, puis intégrer $\vec{v}(t)$ pour trouver $\vec{OM}(t)$.
  4. Équation de la trajectoire : Isoler $t$ dans $x(t)$ et le remplacer dans $y(t)$ pour obtenir $y = f(x)$.

Exemples corrigés

  • Chute libre : Un objet lancé avec une vitesse $v_0$ faisant un angle $\alpha$ avec l'horizontale.
    • $a_x = 0$ ; $a_y = -g$
    • $v_x = v_0 \cos\alpha$ ; $v_y = -gt + v_0 \sin\alpha$
    • $x(t) = (v_0 \cos\alpha)t$ ; $y(t) = -\frac{1}{2}gt^2 + (v_0 \sin\alpha)t + y_0$

Erreurs fréquentes

  • Oublier le signe $(-)$ devant $g$ dans le repère orienté vers le haut.
  • Confondre les composantes de la vitesse initiale : $v_{0x} = v_0 \cos\alpha$ et $v_{0y} = v_0 \sin\alpha$.
  • Ne pas tenir compte des conditions initiales ($x_0, y_0, v_{0x}, v_{0y}$) lors de l'intégration.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Mouvements dans un champ uniforme

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Dans un champ de pesanteur uniforme, le mouvement est :

❓ Questions fréquentes

Kifach n7seb l-mou3adalat z-zamaniya?
  1. Applique la 2ème loi de Newton pour trouver $\vec{a}$.
  2. Intègre $a_x$ et $a_y$ par rapport au temps pour obtenir $v_x(t)$ et $v_y(t)$, en ajoutant les constantes $v_{0x}$ et $v_{0y}$.
  3. Intègre $v_x(t)$ et $v_y(t)$ pour obtenir $x(t)$ et $y(t)$, en ajoutant les constantes $x_0$ et $y_0$.

💡 À retenir : Les constantes d'intégration sont déterminées par les conditions initiales à $t=0$.

Est-ce que la masse intervient dans le mouvement de chute libre ?

Non, dans le vide, tous les corps tombent avec la même accélération $\vec{a} = \vec{g}$, indépendamment de leur masse.

💡 À retenir : La masse se simplifie dans l'expression $\vec{a} = \frac{\sum \vec{F}}{m} = \frac{m\vec{g}}{m} = \vec{g}$.

Chno hiya l-farq bin l-majal l-kahraba2i o l-majal t-taqali?

Le champ de pesanteur $\vec{g}$ agit sur la masse, tandis que le champ électrique $\vec{E}$ agit sur la charge électrique $q$.

💡 À retenir : La force électrique dépend du signe de la charge ($q > 0$ ou $q < 0$).

Comment déterminer l'équation de la trajectoire ?
  1. Écris $x(t) = v_{0x} \cdot t$.
  2. Exprime $t$ en fonction de $x$ : $t = \frac{x}{v_{0x}}$.
  3. Remplace cette expression de $t$ dans l'équation $y(t)$.

💡 À retenir : L'équation de la trajectoire est de la forme $y = ax^2 + bx + c$.

Kifach n3ref l-itijah dyal l-qowa l-kahraba2iya?

La force électrique est $\vec{F} = q\vec{E}$.

  1. Si $q > 0$, $\vec{F}$ est dans le même sens que $\vec{E}$.
  2. Si $q < 0$, $\vec{F}$ est dans le sens opposé à $\vec{E}$.

💡 À retenir : Le signe de la charge $q$ est déterminant pour le sens de la force.

Qu'est-ce qu'un mouvement parabolique ?

C'est un mouvement dont la trajectoire est une parabole, obtenu quand le vecteur accélération est constant et non colinéaire à la vitesse initiale.

💡 À retenir : C'est le cas classique d'un projectile lancé dans un champ de pesanteur uniforme.

Est-ce que la vitesse est constante dans un champ uniforme ?

Non, le vecteur vitesse change car il y a une accélération constante. Seule la composante de la vitesse perpendiculaire à l'accélération peut rester constante.

💡 À retenir : L'accélération modifie la norme et/ou la direction du vecteur vitesse.

Comment calculer la portée ?

La portée est la valeur de $x$ quand le projectile touche le sol ($y=0$).

  1. Résous l'équation $y(t) = 0$ pour trouver l'instant $t_s$ de l'impact.
  2. Calcule $x(t_s) = v_{0x} \cdot t_s$.

💡 À retenir : La portée correspond à la distance horizontale parcourue.

Pourquoi on néglige souvent la poussée d'Archimède ?

Parce que dans l'air, pour un objet solide, la masse volumique de l'objet est très grande devant celle de l'air, rendant la poussée d'Archimède négligeable devant le poids.

💡 À retenir : On ne la néglige que si l'énoncé le précise ou si le milieu est un liquide.

Comment trouver la flèche ?

La flèche est l'ordonnée maximale $y_{max}$.

  1. Elle est atteinte quand la vitesse verticale s'annule : $v_y(t_s) = 0$.
  2. Calcule $t_s$ puis remplace dans $y(t)$.

💡 À retenir : Au sommet de la trajectoire, la vitesse n'est pas nulle, elle est égale à $v_x$.

Est-ce que le mouvement est toujours plan ?

Oui, si la vitesse initiale et le champ sont dans le même plan, le mouvement reste confiné dans ce plan.

💡 À retenir : Le vecteur accélération et la vitesse initiale définissent le plan du mouvement.

Comment utiliser le repère de Frenet ?

Il est utile pour les mouvements curvilignes. $\vec{a} = a_t \vec{u} + a_n \vec{n}$. $a_t = \frac{dv}{dt}$ et $a_n = \frac{v^2}{R}$.

💡 À retenir : Il est surtout utilisé pour étudier la courbure de la trajectoire.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un électron pénètre dans un champ électrique uniforme $\vec{E}$ entre deux plaques parallèles avec une vitesse initiale $\vec{v}_0$ perpendiculaire à $\vec{E}$. Données : $e = 1,6 \cdot 10^{-19} C$, $m_e = 9,1 \cdot 10^{-31} kg$, $E = 10^3 V/m$, $v_0 = 10^6 m/s$.

  1. Établir l'expression de l'accélération $\vec{a}$.
  2. Déterminer les équations horaires du mouvement.
  3. Établir l'équation de la trajectoire.
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Exercice 2

Un ballon est lancé du sol avec une vitesse $v_0 = 20 m/s$ faisant un angle $\alpha = 30^\circ$ avec l'horizontale. $g = 10 m/s^2$.

  1. Calculer la portée.
  2. Calculer la flèche.
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Exercice 3

Une particule chargée $q$ entre dans un champ $\vec{E}$ avec une vitesse nulle.

  1. Quelle est la nature du mouvement ?
  2. Calculer la vitesse après une distance $d$.
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