La gravité terrestre en 3ᵉ : cours, exercices et méthode pour le brevet

Comprendre l'attraction de la Terre

La gravitation est une interaction attractive entre deux objets qui possèdent une masse. La Terre attire une pomme, un ballon, une personne ou un satellite. Réciproquement, chacun de ces objets attire aussi la Terre. Les deux actions ont la même intensité, la même direction et des sens opposés. Pourtant, la Terre ne semble pas bouger : sa masse est très grande, donc son mouvement provoqué par cette action est imperceptible à notre échelle. Près de la surface terrestre, l'action gravitationnelle exercée par la Terre sur un objet est appelée son poids. Le poids est une force. Son symbole est P et son unité est le newton, noté N. Il ne faut pas confondre le poids avec la masse. La masse indique la quantité de matière d'un objet ; elle s'exprime en kilogrammes, notés kg. Le poids traduit l'intensité de l'attraction exercée par un astre sur cet objet. Une balance mesure généralement une masse, tandis qu'un dynamomètre mesure une force. Quand tu montes sur une balance, l'affichage est souvent donné en kg, même si la Terre exerce simultanément sur toi un poids en N. La gravité terrestre explique pourquoi un objet lâché tombe vers le sol. Sans support, il est attiré vers le centre de la Terre. Le mot « tomber » ne signifie pas qu'un objet est sans force : au contraire, son poids agit pendant toute sa chute. Coach Vince te demande donc un réflexe immédiat : dès que l'énoncé parle d'une attraction de la Terre, repère la force poids.

Masse et poids : deux grandeurs à séparer

Le plan de jeu pour calculer un poids

• Écris d'abord la relation utilisable : P = m × g. Elle relie le poids P, la masse m et l'intensité de pesanteur g. Elle est valable pour un objet placé dans une zone où g peut être considérée comme constante, par exemple près de la surface terrestre.
• Repère les unités avant tout calcul. Dans cette relation, P s'exprime en N, m en kg et g en N/kg. L'unité N/kg se lit « newton par kilogramme ». Elle signifie qu'un kilogramme subit une force de g newtons.
• Convertis la masse si nécessaire. Pour passer des grammes aux kilogrammes, tu divises par 1 000. Ainsi, 350 g = 0,350 kg. Ne calcule jamais directement P avec une masse laissée en grammes : le résultat serait faux.
• Choisis la valeur de g donnée dans l'énoncé. Près de la surface de la Terre, on utilise souvent g = 9,8 N/kg. Dans de nombreux exercices, l'énoncé autorise l'approximation g = 10 N/kg pour simplifier les calculs. Tu ne remplaces pas une valeur imposée par une autre.
• Effectue le calcul en gardant les unités : P = 2,5 kg × 10 N/kg = 25 N. Les kg se simplifient dans l'écriture des unités, il reste bien N. Termine par une phrase-réponse qui nomme l'objet et le lieu étudié.
• Si l'on demande une masse à partir d'un poids, isole la masse : m = P ÷ g. Cette transformation est valable à partir de P = m × g, avec les mêmes unités. Par exemple, un objet de poids 45 N sur Terre, avec g = 10 N/kg, a une masse de 4,5 kg.

Représenter correctement la force poids

Pourquoi le poids change-t-il d'un astre à l'autre ?

L'intensité de pesanteur g dépend de l'astre qui attire l'objet. Elle dépend notamment de la masse de l'astre et de la distance entre l'objet et son centre. À la surface de la Terre, g vaut environ 9,8 N/kg ; dans les calculs scolaires, une valeur arrondie peut être imposée. Sur la Lune, g est plus faible que sur Terre. Un même objet y conserve donc exactement la même masse, mais son poids y est plus petit. Si une valise a une masse de 6 kg, sa masse reste 6 kg quel que soit le lieu. En revanche, avec g = 10 N/kg sur Terre, son poids vaut P = 6 kg × 10 N/kg = 60 N. Il serait différent sur un autre astre si la valeur de g y était différente. Cette idée permet d'éviter une confusion fréquente : dire qu'un astronaute « n'a plus de masse » est faux. Sa masse est conservée. Dans certaines situations de chute autour de la Terre, il peut sembler flotter parce que lui-même et son véhicule sont en chute libre ; ce n'est pas parce que la gravitation a disparu. La force gravitationnelle agit à distance : aucun contact direct entre la Terre et l'objet n'est nécessaire. Sa direction est celle de la droite joignant les centres des deux objets ; près du sol, cette direction est pratiquement verticale. Plus on s'éloigne de la Terre, plus l'attraction terrestre diminue. Dans un exercice, utilise seulement les données fournies : ne suppose pas que g est toujours égal à 10 N/kg. Pour réussir une réponse de brevet, annonce la relation, contrôle les unités, calcule sans sauter d'étape et conclus avec une unité. C'est une série courte, mais elle exige de la précision.

Chute, vitesse et rôle de l'air

Lorsqu'un objet est lâché, son poids l'attire vers le bas. Si l'on néglige l'action de l'air, l'objet est en chute libre : son mouvement est accéléré, car sa vitesse augmente pendant la chute. Près de la surface terrestre, tous les objets ont alors la même accélération, quelle que soit leur masse. Une boule de métal et une feuille de papier ne tombent pas de la même manière dans l'air, car l'air exerce une force sur elles. Cette force est souvent beaucoup plus importante pour une feuille étalée que pour une boule compacte. Il faut donc analyser les forces réellement présentes avant de conclure. Dans un énoncé qui précise « on néglige les frottements de l'air », tu peux considérer que le poids est la seule force exercée sur l'objet en chute. S'il y a aussi un parachute, un fil, un support ou un moteur, d'autres forces doivent être prises en compte. Ne récite pas une règle hors de ses conditions : la gravité agit toujours, mais elle n'est pas forcément la seule interaction qui influence le mouvement.