Plan de séance forces et mouvement avec simulations
Mis à jour le 2026-10-02
Ce plan de séance sur les forces et le mouvement utilise des simulations gratuites pour que les élèves voient, en une seule séance, ce que fait une force et ce qu'elle ne fait pas. Ils équilibrent un tir à la corde, poussent une caisse sur la glace et la voient continuer, cherchent avec quelle force il faut pousser avant que le frottement lâche, et testent F = m·a avec quatre masses différentes. Vous trouverez les objectifs, la préparation, les prédictions, les valeurs que les élèves doivent relever, un jeu de cinq questions pour le lien de la classe, un prolongement pour les plus grands et la différenciation. Chaque nombre provient des modèles des simulations elles-mêmes.
La séance en un coup d'œil
- Niveau : collège (grades 6–9 aux États-Unis, 11–15 ans), sciences physiques. Le prolongement convient aux élèves de 14–16 ans (grades 9–10).
- Durée : une séance de 55–60 minutes, plus un prolongement facultatif de 20 minutes.
- Prérequis : la force mesurée en newtons, la vitesse, la notion de frottement.
- Organisation : binômes sur ordinateurs portables, tablettes ou téléphones, ou classe entière avec un seul projecteur.
- Simulations : Forces et mouvement – les bases. Prolongement : Deuxième loi de Newton – tirer un bloc.
Objectifs d'apprentissage
À la fin de la séance, les élèves savent :
- Additionner des forces le long d'une droite pour trouver la force résultante, et dire si les forces s'équilibrent.
- Expliquer qu'un objet soumis à aucune force résultante continue de se déplacer à vitesse constante (première loi de Newton).
- Expliquer que le frottement compense une petite poussée jusqu'à atteindre son maximum, après quoi l'objet glisse.
- Utiliser F = m·a pour prédire l'accélération pour une force résultante et une masse données.
- Expliquer pourquoi la même poussée donne une accélération plus faible à un objet lourd.
Ce que fait la simulation
La simulation compte quatre écrans, choisis avec les onglets en haut.
- Force résultante : un tir à la corde. Faites glisser des personnes de chaque côté de la corde : Enfant (50 N), Élève (100 N), Adulte (150 N) ou Costaud (200 N), jusqu'à quatre par équipe. L'affichage indique la force résultante et « Équilibre », « Penche à gauche » ou « Penche à droite ». Touchez une personne sur la corde pour la retirer.
- Mouvement : poussez un objet sur une surface sans frottement. Choisissez Caisse légère (50 kg), Caisse lourde (100 kg), Frigo (150 kg) ou Personne (70 kg). Le curseur Force appliquée F va de −400 N à 400 N par pas de 20 N. Retirer la force (F = 0) relâche la poussée.
- Frottement : la même chose, plus un menu Frottement : Aucun, Faible, Moyen ou Fort.
- Accélération : ajoute un grand panneau F = m·a dont les nombres grossissent et rétrécissent avec leurs valeurs, plus une flèche d'accélération.
Sur les écrans avec objet, l'affichage sous les commandes indique F, le frottement, la force résultante, a, v et la distance.
Quelques détails à connaître avant le cours :
- Les signes indiquent le sens. Les forces vers la gauche sont négatives. L'affichage du frottement est négatif quand la poussée est vers la droite, car le frottement agit dans l'autre sens.
- Chaque écran garde ses propres réglages. La force et la masse réglées sur un écran ne passent pas à l'écran suivant.
- Réinitialiser remet l'objet en place mais garde la poussée. Appuyez aussi sur Retirer la force (F = 0) si vous voulez qu'il reste immobile.
- Le frottement par défaut est Faible sur les écrans Frottement et Accélération.
Matériel et préparation avant le cours
Matériel : un appareil par binôme (ou un projecteur), les tableaux ci-dessous sur papier et une calculatrice.
Préparation (10 minutes, une seule fois) :
- Ouvrez la simulation. Les valeurs par défaut conviennent : écran Force résultante, frottement Faible, valeurs affichées.
- Cliquez sur Partager et créez un lien pour chaque classe, par exemple « Sciences · Groupe 5 ».
- Facultatif : dans l'onglet Questions, saisissez le jeu de questions ci-dessous et associez-le au lien. Les deux prédictions verrouillent la simulation jusqu'à ce que chaque élève s'engage.
- Publiez le lien, ou ouvrez-le en mode Présenter et affichez le QR code. Enseigner avec un projecteur détaille le mode Présenter.
Déroulé de la séance
1. Accroche et prédictions (7 minutes)
Projetez l'écran Force résultante. Placez un Adulte et un Élève à gauche, puis demandez à la classe qui ajouter à droite pour que ce soit équitable. Les élèves s'engagent ensuite sur deux prédictions, sur papier ou sur le lien :
- P1. « Une caisse glisse sur un sol sans frottement. Vous cessez de pousser. Que fait la caisse ? »
- P2. « Vous poussez une caisse de 50 kg et un frigo de 150 kg avec la même force de 100 N, sans frottement. Comment l'accélération du frigo se compare-t-elle à celle de la caisse ? »
La plupart des élèves disent que la caisse « n'a plus de force » et s'arrête. Beaucoup choisissent « la même » ou « la moitié » pour P2. Ne corrigez personne pour l'instant. Le guide Prédire–Observer–Expliquer explique pourquoi l'engagement compte.
2. Force résultante : le tir à la corde (8 minutes)
Les binômes construisent chaque match, lisent la force résultante et appuient sur Réinitialiser entre les parties.
| Équipe de gauche | Équipe de droite | Force résultante | Résultat |
|---|---|---|---|
| Adulte + Élève (250 N) | Costaud + Enfant (250 N) | 0 N | Équilibre |
| Adulte + Élève + Enfant (300 N) | Costaud + Enfant (250 N) | −50 N | Penche à gauche, puis l'équipe de gauche gagne |
| Élève (100 N) | Enfant + Enfant (100 N) | 0 N | Équilibre |
Demandez : « Dans le premier match, n'y a-t-il aucune force ? » Il y a 500 N de traction, mais elles s'annulent. Équilibre ne veut pas dire aucune force. L'équipe la plus forte possible compte quatre Costauds, 800 N.
3. Mouvement : que se passe-t-il quand on cesse de pousser ? (10 minutes)
Passez à l'onglet Mouvement et choisissez la Caisse légère.
- Réglez F = 100 N. L'affichage indique a = 2,00 m/s² et v qui augmente.
- Après quelques secondes, appuyez sur Retirer la force (F = 0). Maintenant a = 0,00 m/s², et v reste à la valeur atteinte. Les repères au sol continuent de défiler.
- Réglez F = −100 N. La caisse ralentit, s'arrête un instant, puis accélère vers la gauche.
Vérifiez P1. Sans frottement et sans poussée, rien ne modifie le mouvement de la caisse : elle garde la même vitesse indéfiniment. C'est la première loi de Newton. Une force modifie le mouvement ; elle n'est pas nécessaire pour l'entretenir.
4. Frottement : avec quelle force faut-il pousser ? (12 minutes)
Passez à l'onglet Frottement (frottement Faible) avec la Caisse légère.
- Réglez F = 40 N. Rien ne bouge. L'affichage du frottement indique −40,0 N : 40 N en sens opposé, la force résultante est donc nulle.
- Réglez F = 60 N. La caisse glisse. Le frottement indique −49,0 N, la force résultante 11,0 N et a = 0,22 m/s².
Demandez : « Pourquoi le frottement est-il passé de 40 N à 49 N, puis a-t-il cessé de croître ? » Le frottement ne repousse qu'aussi fort que nécessaire, jusqu'à un maximum. Avec un frottement Faible, le maximum est de 49 N pour cette caisse. Les binômes cherchent ensuite la plus petite poussée sur le curseur qui met chaque objet en mouvement :
| Objet | Faible | Moyen | Fort |
|---|---|---|---|
| Caisse légère (50 kg) | 60 N | 160 N | 300 N |
| Personne (70 kg) | 80 N | 220 N | ne bouge pas |
| Caisse lourde (100 kg) | 100 N | 300 N | ne bouge pas |
| Frigo (150 kg) | 160 N | ne bouge pas | ne bouge pas |
Les objets plus lourds appuient plus fort sur le sol : il faut donc pousser plus fort. « Ne bouge pas » signifie que le frottement maximal dépasse 400 N, la fin du curseur. Pour vous : le frottement maximal vaut μmg, avec μ = 0,1, 0,3 et 0,6 pour Faible, Moyen et Fort.
Enfin, poussez la Caisse légère jusqu'à ce qu'elle glisse vite, puis appuyez sur Retirer la force (F = 0). Elle ralentit avec a = −0,98 m/s² en frottement Faible et s'arrête. Comparez avec l'étape 3 : le frottement est la force qui « use » le mouvement sur un vrai sol.
5. F = m·a sur l'écran Accélération (12 minutes)
Passez à l'onglet Accélération et réglez Frottement sur Aucun, pour que la force résultante soit égale à la poussée. Réglez F = 100 N, appuyez sur Réinitialiser et lisez a pour chaque masse. Essayez ensuite 200 N sur la Caisse légère.
| Objet | Masse (kg) | Force résultante (N) | a (m/s²) | m × a (N) |
|---|---|---|---|---|
| Caisse légère | 50 | 100 | 2,00 | 100 |
| Personne | 70 | 100 | 1,43 | 100 |
| Caisse lourde | 100 | 100 | 1,00 | 100 |
| Frigo | 150 | 100 | 0,67 | 100 |
| Caisse légère | 50 | 200 | 4,00 | 200 |
Les élèves remplissent eux-mêmes la dernière colonne. Aux arrondis près, elle est toujours égale à la force résultante. Vérifiez P2 : une masse trois fois plus grande donne une accélération trois fois plus petite, 0,67 au lieu de 2,00 m/s².
Remettez ensuite Frottement sur Faible et poussez la Caisse légère avec 100 N. Le panneau F = m·a affiche maintenant 51 N, et non 100 N, et a = 1,02 m/s². Demandez pourquoi. Le frottement prend 49 N, et seule la force résultante fixe l'accélération.
6. Bilan de sortie (5 minutes)
Utilisez les questions 3 à 5 du jeu ci-dessous. Ouvrez ensuite Voir les réponses et montrez côte à côte les colonnes Prédiction et Après pour P1 et P2.
Jeu de questions pour cette séance
Saisissez-les dans l'onglet Questions de la simulation. Consignes pour les élèves suggérées : « Ne changez qu'une chose à la fois. Appuyez sur Réinitialiser avant chaque nouvelle mesure. Lisez a dans l'affichage sous les commandes. »
1. Choix multiple · Avant, comme prédiction · Reposer la question après la simulation
- Question : « Une caisse glisse sur un sol sans frottement. Vous cessez de pousser. Que fait la caisse ? »
- Options : S'arrête aussitôt / Ralentit et s'arrête / Continue à la même vitesse (correcte) / Accélère
- Explication : « Sans frottement et sans poussée, la force résultante est nulle : rien ne modifie le mouvement de la caisse. Elle garde sa vitesse : l'écran Mouvement affiche a = 0,00 m/s² et une vitesse v constante. C'est la première loi de Newton. Les vraies caisses s'arrêtent parce que le frottement est une force. »
2. Choix multiple · Avant, comme prédiction · Reposer la question après la simulation
- Question : « Vous poussez une caisse de 50 kg et un frigo de 150 kg avec la même force de 100 N, sans frottement. Comment l'accélération du frigo se compare-t-elle à celle de la caisse ? »
- Options : La même / Deux fois plus petite / Trois fois plus petite (correcte) / Trois fois plus grande
- Explication : « a = F/m. La caisse reçoit 100 ÷ 50 = 2,00 m/s² et le frigo 100 ÷ 150 = 0,67 m/s². Une masse trois fois plus grande donne une accélération trois fois plus petite pour la même force résultante. »
3. Nombre · Après la simulation
- Question : « Sur l'écran Frottement, choisissez la Caisse légère et le frottement Faible. Quelle est la plus petite poussée sur le curseur qui fait glisser la caisse ? »
- Réponse : 60, marge d'erreur ± 1, unité N
- Explication : « Avec un frottement Faible, le sol peut repousser jusqu'à 49 N sur cette caisse. Une poussée de 40 N est exactement compensée, la caisse reste donc immobile. Le curseur avance par pas de 20 N : la première poussée supérieure à 49 N est donc 60 N. »
4. Nombre · Après la simulation
- Question : « Sur l'écran Accélération, réglez Frottement sur Aucun, choisissez la Personne (70 kg) et poussez avec 100 N. Quelle est l'accélération ? »
- Réponse : 1,43, marge d'erreur ± 0,02, unité m/s²
- Explication : « Sans frottement, la force résultante est la totalité des 100 N. a = F/m = 100 ÷ 70 ≈ 1,43 m/s². C'est moins que les 2,00 m/s² de la caisse de 50 kg et plus que les 1,00 m/s² de la caisse de 100 kg. »
5. Réponse courte · Après la simulation
- Question : « Vous poussez la Caisse légère avec 40 N en frottement Faible et elle ne bouge pas. Y a-t-il une force résultante sur elle ? Expliquez. »
- Réponses acceptées (facultatif) : *équilibr*
- Réponse modèle : « Non. Le frottement repousse exactement avec 40 N : les deux forces s'équilibrent et la force résultante est nulle. Sans force résultante, la caisse reste au repos. Le frottement ne peut croître que jusqu'à 49 N : une poussée plus forte la ferait glisser. »
Les questions 1 et 2 sont les prédictions, reposées après la simulation pour que les élèves puissent comparer. Le guide de l'évaluation formative explique comment lire les résultats d'une classe à l'autre.
Prolongement : la deuxième loi de Newton avec un graphique
Pour les élèves de 14–16 ans (grades 9–10) ou ceux qui terminent vite, la simulation de la deuxième loi de Newton tire un bloc le long d'une surface et trace en direct son graphique vitesse–temps. La force de traction F a son propre curseur (0–50 N) ; les élèves règlent la masse, μ et l'angle d'inclinaison dans le panneau des Valeurs de départ. L'affichage écrit tout le calcul, par exemple a = (F − Fms − P·sinα)/m.
Partez des valeurs par défaut : F = 10 N, m = 2 kg, μ = 0,2, surface horizontale. Modifiez ensuite une valeur à la fois et appuyez sur Réinitialiser :
| F (N) | m (kg) | μ | a (m/s²) |
|---|---|---|---|
| 10 | 2 | 0,2 | 3,04 |
| 20 | 2 | 0,2 | 8,04 |
| 10 | 2 | 0 | 5,00 |
| 20 | 4 | 0 | 5,00 |
| 20 | 4 | 0,2 | 3,04 |
Deux questions à poser :
- « Pourquoi le doublement de F, de 10 N à 20 N, fait-il plus que doubler a ? » Le frottement reste à 3,92 N (affiché 3,9 N), donc la force résultante passe de 6,08 N à 16,08 N.
- « Que signifie un graphique v–t plus raide ? » Une accélération plus grande. La force fixe la pente du graphique, pas la vitesse elle-même.
Pour un défi, réglez l'angle à 30°. À F = 13 N, le bloc reste immobile, retenu par le frottement statique ; à 14 N, il monte la pente à 0,40 m/s². Pour le mouvement en deux dimensions, poursuivez avec le plan de séance sur le mouvement d'un projectile.
Différenciation
Soutien :
- N'utilisez que les étapes 2, 3 et 5, avec le frottement Aucun partout.
- Donnez les tableaux avec les objets et les forces déjà remplis, pour que les élèves n'aient qu'à lire et noter.
- Donnez des débuts de phrases : « Quand les forces s'équilibrent, l'objet… » et « Une masse plus grande donne une accélération… »
Approfondissement :
- Prédire tout le tableau de l'étape 5 à partir de F = m·a avant de mesurer.
- Calculer le frottement maximal pour chaque case du tableau de l'étape 4 et expliquer chaque « ne bouge pas ».
- Sur l'écran Accélération avec un frottement Moyen, trouver la poussée qui donne à la Caisse lourde a = 1,06 m/s² (400 N : 400 − 294 = 106 N, et 106 ÷ 100 = 1,06).
Élèves allophones : la simulation existe en six langues. Créez un second lien dans la langue de l'élève pour que les libellés lui soient familiers pendant que la discussion se déroule en français.
Correspondance avec les référentiels
Cette séance soutient la norme américaine NGSS MS-PS2-2 : planifier une investigation pour établir que le changement de mouvement d'un objet dépend de la somme des forces qui s'exercent sur lui et de sa masse. Elle correspond aussi au thème des forces du programme britannique GCSE Combined Science et au début d'un cours de physique de lycée.
Pour d'autres idées dans cette unité, voir idées de séances de physique interactives. Pour les routines de classe en général, voir utiliser les simulations interactives en classe.
Questions fréquentes
Pourquoi la caisse de l'écran Mouvement ne s'arrête-t-elle jamais ?
L'écran Mouvement n'a aucun frottement, comme un palet sur une glace parfaite. Sans force résultante, la vitesse ne change jamais. Utilisez l'écran Frottement pour montrer pourquoi les vrais objets s'arrêtent.
Pourquoi l'affichage du frottement est-il négatif ?
Les forces vers la droite sont positives et les forces vers la gauche négatives. Quand la poussée est vers la droite, le frottement agit vers la gauche : sa valeur porte donc un signe moins.
Les élèves peuvent-ils faire cette séance sur téléphone ?
Oui. Les élèves ouvrent le lien sans compte. Le curseur et les boutons fonctionnent sur écran tactile ; faire glisser les personnes sur la corde est plus facile sur une tablette ou un ordinateur portable.