Physique du primaire et du collège · Grades 1–9
24Poids et masse
Sur la Lune, les astronautes rebondissaient comme des enfants sur un trampoline, alors qu’ils portaient de lourds sacs. Leurs sacs étaient-ils lourds ou légers, là-haut ? Pour répondre correctement, il nous faut couper en deux un mot de tous les jours : ce dont un objet est fait — sa masse — et la force avec laquelle la Terre le tire — son poids. Ce sont des cousins proches, mais pas des jumeaux.
24.1 Deux idées cachées dans le mot « lourd »
Tu connais la masse : la quantité de matière, en grammes et en kilogrammes, jugée par la balance. Et tu connais l’attraction de la Terre : la force sans contact qui fait descendre tout ce qu’on lâche. Le poids est le lieu de leur rencontre.
Définition 24.1 (Poids)
Le poids d’un objet est la force avec laquelle la Terre le tire vers le bas. Le poids, c’est ce que ton bras combat quand tu tiens un seau, et ce qui étire le ressort quand le seau y est suspendu. Comme toute force, le poids a un sens : droit vers le bas, toujours.
Proposition 24.2 (Plus de matière, attraction plus forte)
La Terre tire plus fort les objets qui contiennent plus de matière : au même endroit, plus de masse signifie toujours plus de poids — deux briques identiques pèsent le double d’une seule. Voilà pourquoi la balance, qui compare les attractions sur ses deux plateaux, parvient à comparer des masses : en un même lieu, des attractions égales signifient des quantités de matière égales.
Exemple 24.3 (Cousins, pas jumeaux)
La masse répond à : quelle quantité de matière ? C’est une propriété de l’objet seul — la même dans ta main, sous l’eau ou sur la Lune. Le poids répond à : avec quelle force est-il tiré vers le bas, ici ? Il dépend de l’objet et du lieu où il se trouve. Ne change que le lieu : la masse reste, le poids peut changer.
24.2 Le dynamomètre
Définition 24.4 (Dynamomètre)
Un dynamomètre mesure le poids en le laissant étirer un ressort : plus l’attraction est forte, plus l’allongement est grand. Une aiguille placée le long du ressort étiré donne la lecture. Le peson du pêcheur, le peson à bagages et l’intérieur de la balance de cuisine fonctionnent tous ainsi — ils sentent l’attraction, pas la matière.
Méthode 24.5 (Un dynamomètre en élastique)
Fabrique ton propre détecteur de poids :
- suspendre un élastique à un crochet, avec un gobelet en papier léger scotché au bas ;
- le gobelet étant vide, marquer où se trouve son bord et ne rien mesurer encore : c’est le repère du zéro ;
- charger le gobelet — billes, par exemple — et mesurer à la règle de combien le bord est descendu au-dessous du repère du zéro ;
- charger billes et mesurer de nouveau.
Deux fois plus de billes, environ deux fois plus d’allongement : ton élastique confirme la proposition — plus de matière, attraction plus forte.
24.3 Un voyage sur la Lune
Exemple 24.6 (La Lune tire plus faiblement)
La Lune est bien plus petite que la Terre, et elle attire les objets bien plus faiblement — environ six fois plus faiblement. Le sac d’un astronaute garde chaque gramme de sa masse pendant le voyage, mais son poids là-haut se réduit au sixième. C’est tout le secret des rebonds : des jambes entraînées à lutter contre l’attraction de la Terre se retrouvent soudain face à une douce attraction lunaire, et chaque pas devient un bond.
Exemple 24.7 (Deux balances sur la Lune)
Emporte les deux instruments sur la Lune et pèse le même sac. Le dynamomètre dit la vérité sur le lieu : il indique six fois moins — l’attraction est vraiment plus faible. La balance, elle, ne remarque rien : la Lune attire faiblement le sac et les masses marquées de la même façon, les plateaux s’équilibrent toujours, et elle annonce la même masse que sur Terre. Les ressorts sentent le lieu ; les balances comparent la matière.
Remarque 24.8 (Mots de tous les jours, mots de physique)
Au magasin, « le melon pèse un kilogramme » est une phrase inoffensive — sur Terre, la masse et le poids voyagent partout ensemble, et personne ne s’y trompe. La physique sépare les mots parce qu’elle voit plus loin que le magasin : pour les astronautes, pour les corps qui tombent, et — dans une année plus avancée — pour mesurer les forces dans leur unité propre, qui portera le nom du savant qui a écrit le premier la loi de l’attraction terrestre.
24.4 Exercices
Exercice 24.1 ★
À quelle question la masse répond-elle ? À quelle question le poids répond-il ? Lequel des deux est une force ?
Exercice 24.2 ★
Dans quel sens le poids tire-t-il toujours ? Quel instrument sent le poids en s’étirant ?
Solution
Solution de Exercice 24.2.
Droit vers le bas, toujours. Le dynamomètre — le poids étire son ressort, et l’aiguille rapporte l’allongement.
Exercice 24.3 ★
Une brique étire le ressort du dynamomètre de deux largeurs de doigt. De combien deux briques identiques l’étireront-elles ? Quelle proposition le dit ?
Solution
Solution de Exercice 24.3.
D’environ quatre largeurs de doigt — deux fois plus de matière, deux fois plus d’attraction, deux fois plus d’allongement : la proposition « plus de matière, attraction plus forte ».
Exercice 24.4 ★
Dans le dynamomètre en élastique de Méthode 24.5, pourquoi faut-il marquer la position du gobelet vide avant de le charger ?
Solution
Solution de Exercice 24.4.
L’allongement doit être mesuré à partir de la position à vide : l’élastique pend déjà un peu sous le poids du gobelet lui-même, et seule la descente supplémentaire au-dessous du repère du zéro mesure la charge.
Exercice 24.5 ★
Un astronaute emporte sur la Lune un sac contenant de matière. Là-haut, sa masse est-elle toujours de ? Est-il aussi difficile à soutenir que sur Terre ?
Exercice 24.6 ★
Pourquoi les astronautes pouvaient-ils bondir si haut sur la Lune, malgré leurs lourds sacs ?
Solution
Solution de Exercice 24.6.
Leurs jambes poussent aussi fort que le font toujours des jambes entraînées sur Terre, mais l’attraction de la Lune, qui les retient, est six fois plus faible — chaque pas ordinaire se change donc en bond.
Exercice 24.7 ★
Sur la Lune, quel instrument change de réponse — le dynamomètre ou la balance ? Explique ce que chacun compare ou sent réellement.
Solution
Solution de Exercice 24.7.
Le dynamomètre : il sent l’attraction locale, et indique six fois moins. La balance compare l’attraction sur le sac à celle sur les masses marquées, et la Lune affaiblit les deux de la même façon — les plateaux s’équilibrent toujours à la même masse.
Exercice 24.8 ★
Vrai ou faux : « Un objet sans aucune matière n’aurait de poids nulle part. » Défends ta réponse avec Proposition 24.2.
Exercice 24.9 ★
Le peson suspendu de la marchande descend à mesure qu’elle charge des pommes dans son plateau. Lequel des deux cousins son instrument sent-il ? Pourquoi son procédé vend-il quand même d’honnêtes kilogrammes de pommes — sur Terre ?
Solution
Solution de Exercice 24.9.
Le ressort intérieur sent le poids — l’attraction sur les pommes posées dans le plateau. Sur Terre, l’attraction et la matière vont strictement de pair (plus d’attraction exactement quand il y a plus de matière) : un instrument gradué en kilogrammes de matière dit donc quand même la vérité — ici.
Exercice 24.10 ★★
Une agence spatiale doit vérifier que les pièces d’une sonde ont exactement les bonnes masses — mais la sonde achevée travaillera près d’une petite planète lointaine dont l’attraction est très faible. Un ingénieur s’inquiète : « Nos pesées terrestres seront toutes fausses là-bas ! » Rassure-le : quelles mesures voyagent sans changer, et quel instrument les a faites ?
Solution
Solution de Exercice 24.10.
Les mesures de masse voyagent sans changer : elles décrivent la matière elle-même, et non le lieu. Toute pesée faite par comparaison — la balance contre des masses marquées — annonce une masse et reste exactement juste près de la planète lointaine. Seules les lectures de poids faites au ressort diminueront là-bas, et ce n’est jamais ce que la liste des pièces a consigné.
Exercice 24.11 ★★
Au fin fond de l’espace, loin de la Terre, de la Lune et du Soleil, une astronaute lâche une clé à molette : elle flotte près de sa main, sans poids. La clé a-t-elle perdu sa masse ? Donne deux indices, de la vie de tous les jours, qu’elle pourrait encore remarquer et qui montrent que la matière est bien là. (Indice : essaie de la secouer, ou de la lancer.)
Solution
Solution de Exercice 24.11.
La masse est toujours là. Indices : secouer la clé demande encore un vrai effort — sa main sent la matière résister au va-et-vient ; et lancée, elle ne part pas plus vite que ne le permettent ses muscles — un outil plein de matière reste un outil à lancer. Le poids a disparu ; la matière, jamais.