Physique-chimie · Première · Mouvement et interactions · 2e Trimestre

Chute libre et poids

Les élèves étudient le mouvement de chute libre et la force de pesanteur.

• Programmes Officiels
• EDNAT.PC.304

À propos de ce thème

La chute libre est l application directe de la deuxieme loi de Newton a un systeme soumis uniquement a son poids. Les eleves decouvrent que, dans le vide, tous les objets tombent avec la meme acceleration g, independamment de leur masse. Cette conclusion contre-intuitive est au coeur de l apprentissage : elle oblige a depasser l experience quotidienne ou les objets legers semblent tomber plus lentement.

Le programme de l Education Nationale demande de distinguer clairement masse et poids : la masse est une propriete intrinseque mesuree en kilogrammes, le poids est une force mesuree en newtons, liee au champ de pesanteur local (P = m.g). Les eleves doivent savoir que g varie selon le lieu (surface de la Terre, Lune, altitude).

Les experiences de chute (tube de Newton, chronophotographie, capteurs) et les debats en petits groupes sont particulierement efficaces pour deconstruire les idees preconcues heritees d Aristote et ancrer la comprehension newtonienne du mouvement.

Questions clés

1. Comment appliquer la loi de Newton à un système en chute libre?
2. Expliquez la différence entre la masse et le poids d'un objet.
3. Analysez l'influence de la résistance de l'air sur la chute des corps.

Objectifs d'apprentissage

• Calculer l'accélération d'un objet en chute libre dans le vide à partir de la deuxième loi de Newton.
• Comparer le poids d'un objet sur Terre et sur la Lune en utilisant la formule P = m.g.
• Analyser l'influence de la résistance de l'air sur la durée de chute d'un objet en comparant des scénarios avec et sans frottements.
• Distinguer la masse, propriété intrinsèque d'un corps, de son poids, force dépendant du champ de gravitation.

Avant de commencer

Introduction aux forces

Pourquoi : Les élèves doivent avoir une compréhension de base de ce qu'est une force et de son unité (Newton) avant d'aborder le poids comme une force.

Deuxième loi de Newton : F = m.a

Pourquoi : Cette loi est le fondement de l'étude de la chute libre ; les élèves doivent savoir comment l'appliquer pour calculer l'accélération.

Mouvement rectiligne uniforme et uniformément accéléré

Pourquoi : Comprendre les concepts de vitesse et d'accélération est essentiel pour analyser le mouvement de chute.

Vocabulaire clé

Chute libre	Mouvement d'un corps soumis uniquement à la force de gravitation, sans aucune autre force comme la résistance de l'air.
Poids	Force gravitationnelle exercée par un astre (comme la Terre) sur un objet, calculée par P = m.g, où m est la masse et g est l'accélération de la pesanteur.
Masse	Quantité de matière contenue dans un objet, mesurée en kilogrammes (kg), indépendante du lieu où se trouve l'objet.
Accélération de la pesanteur (g)	Accélération subie par un objet en chute libre dans le champ de gravitation d'un astre. Elle varie selon l'astre et l'altitude.
Résistance de l'air	Force opposée au mouvement d'un objet traversant l'air, dépendant de la vitesse, de la forme et de la surface de l'objet.

Attention à ces idées reçues

Idée reçue courante

Les objets lourds tombent plus vite que les objets legers.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Dans le vide, tous les objets tombent avec la meme acceleration g, quelle que soit leur masse. Cette erreur vient de l experience avec l air : la resistance de l air affecte davantage les objets legers ou de grande surface. L experience du tube de Newton permet de voir ce resultat directement.

Idée reçue courante

Le poids et la masse sont la meme chose.

Ce qu'il faut enseigner à la place

La masse (en kg) est une propriete intrinseque de l objet, constante partout. Le poids (en N) est la force exercee par le champ de pesanteur : P = m.g. Le poids varie selon le lieu. En calculant son poids sur la Lune (g = 1,6 m/s²), l eleve saisit la difference.

Idée reçue courante

En chute libre, la vitesse est constante.

Ce qu'il faut enseigner à la place

En chute libre, la vitesse augmente de facon uniforme (mouvement uniformement accelere). L acceleration est constante et vaut g. L analyse de la chronophotographie montre que les intervalles entre positions successives augmentent regulierement.

Idées d'apprentissage actif

Penser-Partager-Présenter: Plume et bille de plomb

Les eleves predisent individuellement ce qui se passe quand on lache une plume et une bille dans le vide (tube de Newton). Apres echange en binome, on realise l experience. Les binomes doivent expliquer pourquoi la plume tombe aussi vite que la bille dans le vide, mais pas dans l air.

15 min·Binômes

Cercle de recherche: Chronophotographie de chute

Les groupes filment la chute d une balle avec un smartphone (mode ralenti). Ils mesurent les positions successives, calculent les vitesses entre chaque intervalle et tracent v(t). Chaque groupe determine la valeur de g a partir de la pente de sa droite.

40 min·Petits groupes

Galerie marchande: Masse et poids sur differentes planetes

Chaque poste presente un astre (Terre, Lune, Jupiter, Mars) avec sa valeur de g. Les eleves calculent le poids d un meme objet sur chaque astre et repondent a la question : la masse change-t-elle ? Les groupes tournent et verifient les calculs des autres.

25 min·Petits groupes

Debate Structure : Aristote contre Galilee

La classe est divisee en deux camps. Les aristoteliciens defendent l idee que les objets lourds tombent plus vite. Les galileens s appuient sur l experience du tube de Newton et la deuxieme loi. Chaque camp prepare ses arguments pendant 10 minutes, puis debat pendant 10 minutes.

25 min·Classe entière

Liens avec le monde réel

• Les astronautes sur la Lune expérimentent une chute libre différente de celle sur Terre. Leur poids y est environ six fois plus faible car l'accélération de la pesanteur lunaire (g_Lune ≈ 1.62 m/s²) est bien moindre que celle de la Terre (g_Terre ≈ 9.81 m/s²).
• Les parachutistes doivent comprendre la résistance de l'air pour maîtriser leur descente. Sans parachute, la résistance de l'air limite leur vitesse maximale (vitesse terminale), mais le parachute augmente considérablement cette résistance, permettant une ouverture en douceur.

Idées d'évaluation

Vérification rapide

Présentez aux élèves deux objets de masses différentes (par exemple, une plume et une boule de pétanque). Demandez-leur : 'Si nous les lâchions dans le vide, lequel toucherait le sol en premier ? Expliquez votre réponse en vous basant sur la deuxième loi de Newton.'

Billet de sortie

Sur un post-it, demandez aux élèves de définir en une phrase la différence entre masse et poids, puis de calculer le poids d'un objet de 2 kg sur Terre et sur Mars (g_Mars ≈ 3.71 m/s²).

Question de discussion

Lancez un débat : 'Pourquoi une feuille d'arbre tombe-t-elle plus lentement qu'une pierre, alors que dans le vide, elles tomberaient à la même vitesse ?' Encouragez les élèves à utiliser les termes 'résistance de l'air' et 'poids' dans leurs explications.

Questions fréquentes

Quelle est la difference entre la masse et le poids en physique ?

La masse est une grandeur scalaire en kilogrammes, intrinseque a l objet : elle ne change pas selon le lieu. Le poids est une force en newtons, dirigee vers le centre de l astre attracteur, calculee par P = m.g. Sur la Lune, un objet de 60 kg pese environ 100 N contre 590 N sur Terre.

Pourquoi tous les objets tombent-ils a la meme vitesse dans le vide ?

D apres la deuxieme loi de Newton, l acceleration en chute libre vaut a = P/m = m.g/m = g. La masse se simplifie : l acceleration ne depend pas de la masse de l objet. Dans l air, la resistance aerodynamique cree des differences de vitesse, mais ce n est plus de la chute libre.

Comment calculer la vitesse d un objet en chute libre ?

Pour un objet lache sans vitesse initiale, la vitesse a l instant t vaut v = g.t (avec g = 9,81 m/s² pres de la surface terrestre). La position est y = (1/2).g.t². Ces equations supposent l absence de resistance de l air et un champ de pesanteur uniforme.

Quelles activites pratiques pour enseigner la chute libre en Premiere ?

La chronophotographie avec smartphone (mode ralenti) permet de mesurer g experimentalement. Le tube de Newton montre que plume et bille tombent ensemble dans le vide. Le debat Aristote vs Galilee engage les eleves dans l argumentation scientifique et confronte leurs intuitions a la physique.