Fiche Brevet — Mouvement, vitesse, forces et énergie

Deuxième grand bloc du brevet PC. Les questions portent sur la description d'un mouvement (chronophotographie), le calcul de vitesse, le poids, la gravitation, et les conversions d'énergie. Les sujets utilisent souvent un contexte sportif (chute, saut, course) ou quotidien (voiture, vélo).

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1. Décrire un mouvement

Le référentiel

Le mouvement dépend du point de vue de l'observateur. C'est la relativité du mouvement.

Exemple : dans un train, le passager est immobile par rapport au train, mais en mouvement par rapport au quai.

📌 Au brevet : on précise toujours « dans le référentiel terrestre » (= par rapport au sol).

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La trajectoire

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La chronophotographie — Lire les points

Une chronophotographie montre les positions d'un objet à intervalles de temps égaux. L'espacement entre les points indique comment évolue la vitesse.

📌 Question type brevet : « À partir de la chronophotographie, caractériser le mouvement de l'objet. »

Réponse attendue : « Le mouvement est rectiligne (les points sont alignés) et uniforme (les points sont équidistants). » — toujours donner deux mots : un pour la trajectoire, un pour la vitesse.

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2. La vitesse

Formule

$v = \frac{d}{t}$

Les 3 transformations : $\qquad v = \dfrac{d}{t}\qquad$ | $\qquad d = v \times t \qquad$ | $\qquad t = \dfrac{d}{v}$

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Conversion km/h ↔ m/s

$\text{km/h} \xrightarrow{\div 3{,}6} \text{m/s} \qquad \text{m/s} \xrightarrow{\times 3{,}6} \text{km/h}$

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Vitesse moyenne vs vitesse instantanée

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Exemple type brevet

« Un coureur parcourt 100 m en 12,5 s. Calculer sa vitesse moyenne en m/s puis en km/h. »

$v = \frac{100}{12{,}5} = 8 \text{ m/s}$

$v = 8 \times 3{,}6 = 28{,}8 \text{ km/h}$

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3. Les forces

Les 4 caractéristiques d'une force

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Effets d'une force

Une force peut :

• Mettre en mouvement un objet immobile
• Accélérer un objet en mouvement
• Freiner (décélérer) un objet
• Dévier la trajectoire d'un objet
• Déformer un objet

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Équilibre

Un objet soumis à deux forces est en équilibre si les deux forces ont :

• Même direction
• Même intensité
• Sens opposés

📌 Équilibre = immobile ou en mouvement rectiligne uniforme (pas forcément immobile !).

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4. Le poids — Ne pas confondre avec la masse !

La formule

$P = m \times g$

$g \approx 9{,}8$ N/kg sur Terre (souvent arrondi à 10 N/kg au brevet).

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Le poids est un vecteur

• Point d'application : centre de gravité de l'objet
• Direction : verticale
• Sens : vers le bas (vers le centre de la Terre)
• Intensité : $P = m \times g$

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Masse ≠ Poids — Le piège classique

Exemple : un astronaute de 70 kg sur Terre pèse $P = 70 \times 10 = 700$ N. Sur la Lune ($g = 1{,}6$ N/kg), il pèse $P = 70 \times 1{,}6 = 112$ N. Mais sa masse reste 70 kg partout.

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5. La gravitation universelle

La formule (toujours fournie au brevet)

$F = G \times \frac{m_A \times m_B}{d^2}$

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Ce qu'il faut savoir dire (sans mémoriser la formule)

• La gravitation est toujours attractive (elle rapproche les objets).
• Elle agit à distance (pas besoin de contact).
• Si la masse augmente → $F$ augmente.
• Si la distance augmente → $F$ diminue.
• Si la distance double → $F$ est divisée par 4 (car $d^2$).

📌 Au brevet : on donne la formule et on demande d'expliquer l'influence de $m$ ou $d$ sur $F$.

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6. Énergie cinétique

La formule

$E_c = \frac{1}{2} \times m \times v^2$

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Ce que la formule nous apprend

• Si la vitesse double → $E_c$ est multipliée par 4 (car $v^2$).
• Si la masse double → $E_c$ est multipliée par 2.
• C'est pour ça que la vitesse est plus dangereuse que la masse sur la route.

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Exemple type brevet

« Une voiture de 1 200 kg roule à 90 km/h. Calculer son énergie cinétique. »

Étape 1 : convertir la vitesse → $90 \div 3{,}6 = 25$ m/s

Étape 2 : appliquer la formule → $E_c = \dfrac{1}{2} \times 1\,200 \times 25^2 = \dfrac{1}{2} \times 1\,200 \times 625 = 375\,000$ J $= 375$ kJ

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7. Énergie potentielle de pesanteur

La formule

$E_{pp} = m \times g \times h$

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Exemple

Un sauteur de 60 kg est à 5 m de hauteur :

$E_{pp} = 60 \times 10 \times 5 = 3\,000 \text{ J} = 3 \text{ kJ}$

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8. Énergie mécanique et conservation

Définition

$E_m = E_c + E_{pp}$

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Sans frottement : $E_m$ se conserve

Quand un objet descend :

• $h$ diminue → $E_{pp}$ diminue
• $v$ augmente → $E_c$ augmente
• $E_m$ reste constante (l'énergie potentielle se transforme en énergie cinétique)

Quand un objet monte :

• $h$ augmente → $E_{pp}$ augmente
• $v$ diminue → $E_c$ diminue
• $E_m$ reste constante

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Avec frottement : $E_m$ diminue

L'énergie mécanique perdue est transformée en énergie thermique (chaleur).

$E_m \text{ (perdue)} = E_{\text{thermique}} \text{ (gagnée)}$

C'est pour ça que les freins d'un vélo chauffent quand on freine.

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Exemple type brevet — Bille sur un rail

📌 Question type : « Expliquer comment varient $E_c$ et $E_{pp}$ lors de la descente. » → $E_{pp}$ diminue car la hauteur diminue, $E_c$ augmente car la vitesse augmente. L'énergie mécanique se conserve (sans frottement).

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9. Sources d'énergie et conversions

Sources renouvelables vs non renouvelables

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Chaîne énergétique

Au brevet, on peut demander de compléter une chaîne énergétique :

$\text{Source} \xrightarrow{\text{forme d'énergie}} \text{Convertisseur} \xrightarrow{\text{forme utile}} \text{Utilisation}$

Exemple : panneau solaire

$\text{Soleil} \xrightarrow{E_{\text{lumineuse}}} \text{Panneau} \xrightarrow{E_{\text{électrique}}} \text{Maison}$

Avec des pertes sous forme d'énergie thermique (chaleur dissipée).

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📌 Checklist avant de rendre sa copie

• J'ai caractérisé le mouvement avec deux mots : trajectoire + type de vitesse
• J'ai converti km/h en m/s ($\div 3{,}6$) avant d'utiliser $E_c = \frac{1}{2}mv^2$
• J'ai bien distingué masse (kg, ne change pas) et poids (N, dépend de $g$)
• J'ai précisé les unités dans chaque résultat
• Pour la gravitation, j'ai expliqué l'influence de $m$ et $d$ sur $F$ (pas juste cité la formule)
• Pour l'énergie mécanique, j'ai expliqué les transferts entre $E_c$ et $E_{pp}$
• J'ai mentionné les frottements et l'énergie thermique si le contexte l'impose
• J'ai rédigé avec « Je sais que... Or... Donc... »