Travail d’une force oblique

Deux forces s’appliquent sur un objet : une force de 10 N vers l’est et une force de 8 N vers le nord-est (à 45° de l’est). On effectue un déplacement de 5 m vers l’est.

Le travail d’une force lors d’un déplacement est \(W = \vec{F} \cdot \vec{d}\). Calculer le travail total effectué. (Rappel : \(\cos 45° = \frac{\sqrt{2}}{2}\).)

D’Euclide à Grassmann : le produit scalaire

Euclide (IIIe siècle av. J.-C., Éléments II) formule des identités équivalentes au produit scalaire en langage purement géométrique — sans le formalisme vectoriel. Thābit ibn Qurra (IXe siècle, Bagdad) généralise le théorème de Pythagore à un triangle quelconque — c’est une reformulation du produit scalaire.

La formulation vectorielle moderne du produit scalaire vient de Hermann Grassmann et William Hamilton (XIXe siècle), dans le cadre du développement de l’algèbre vectorielle et des quaternions.

Angle droit et produit scalaire nul

Dans un triangle ABC, le triangle est rectangle en A si et seulement si le produit scalaire de AB et AC est nul.

Application : \(A(1,2)\), \(B(4,2)\), \(C(1,6)\). Calculer les trois produits scalaires et identifier l’angle droit.

→ Solution complète en fin de chapitre

Chapitre 7 — Python & GeoGebra

Première spécialité mathématiques · Math@mine
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1. Calcul du produit scalaire en Python

📐 Rappel

En repère orthonormé, si \(\vec{u}(x;y)\) et \(\vec{v}(x';y')\) :

\(\vec{u} \cdot \vec{v} = xx' + yy'\)

🧮 Exercice interactif

Calcule le produit scalaire des vecteurs suivants :

\(\vec{u} = (\)  ; \()\)    \(\vec{v} = (\)  ; \()\)

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2. Formule d’Al-Kashi en Python

📐 Formule d’Al-Kashi

Dans un triangle ABC : \(a^2 = b^2 + c^2 - 2bc \cos(\hat{A})\)

🧮 Calculer le côté opposé

Côté b =   Côté c =   Angle A = °

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3. Cercle de diamètre AB en Python

⚪ Propriété : Un point M appartient au cercle de diamètre [AB] ssi \(\overrightarrow{MA} \cdot \overrightarrow{MB} = 0\)

A = ( ; )   B = ( ; )   M = ( ; )

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4. Activités GeoGebra interactives

Ces activités permettent de visualiser dynamiquement le produit scalaire — déplace les points et observe les valeurs changer en temps réel.

🔵 GeoGebra — Produit scalaire : projections, cosinus, coordonnées

Cette activité permet de visualiser le produit scalaire de deux vecteurs de différentes manières : par projection, par la formule du cosinus et par les coordonnées. Tu peux déplacer les points A, B, C et observer les valeurs changer en temps réel.

📖 Consignes et pistes d’exploration
  1. Angle aigu, droit, obtus
    Déplace le point C pour rendre l’angle \( \widehat{ABC} \) aigu, droit, puis obtus. Observe la valeur du produit scalaire \( \overrightarrow{BA} \cdot \overrightarrow{BC} \). Que constates-tu ?
    Lien : produit scalaire positif → angle aigu ; nul → angle droit ; négatif → angle obtus.
  2. Invariance par projection orthogonale
    Place C de sorte que le produit scalaire soit non nul. Ensuite, déplace C perpendiculairement à (AB). Que remarques-tu ?
    Explication : Le produit scalaire ne dépend que du projeté orthogonal de C sur (AB).
  3. Invariance par projection (autre côté)
    Déplace B perpendiculairement à (AC). Que se passe-t-il pour \( \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} \) ?
  4. Recherche de valeurs cibles
    Trouve une position de B et C telle que \( \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = 12 \). Puis trouve une position où ce produit est égal à \(-12\). Vérifie avec les trois formules proposées.

📐 Activité 1 — Ensemble de points (AM·AB = 2)

On donne un segment AB de longueur 2.
Objectif : Construire l’ensemble des points M du plan tels que : \[ \overrightarrow{AM} \cdot \overrightarrow{AB} = 2 \]

📌 Consigne : Utilise les outils de géométrie pour construire l’ensemble des points vérifiant l’égalité. Dès que ta construction sera correcte, un message de confirmation apparaîtra automatiquement.

📖 Voir la solution

L’ensemble des points \(M\) est la médiatrice du segment \([AB]\).

📐 Activité 2 — Ensemble de points (AM·BC = 0)

On donne un segment AB de longueur 2.
Objectif : Construire l’ensemble des points M du plan tels que : \[ \overrightarrow{AM} \cdot \overrightarrow{BC} = 0 \]

📌 Consigne : Construis l’ensemble des points M vérifiant cette égalité. Dès que ta construction sera correcte, un message de confirmation apparaîtra automatiquement.

📖 Voir la solution

L’ensemble des points \(M\) est la droite passant par A et perpendiculaire à (BC).

📐 Activité 3 — Ensemble de points (AB·MB = 1)

On donne un segment AB de longueur 2.
Objectif : Construire l’ensemble des points M du plan tels que : \[ \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{MB} = 1 \]

📌 Consigne : Construis l’ensemble des points M vérifiant cette égalité. Dès que ta construction sera correcte, un message de confirmation apparaîtra automatiquement.

📖 Voir la solution

L’ensemble des points \(M\) est la droite perpendiculaire à (AB) passant par le point H tel que \(BH = \dfrac{1}{2}\) (car \(AB=2\)).

📐 Activité 4 — Ensemble de points (AM·(BM+CM) = 0)

On donne un segment AB de longueur 2.
Objectif : Construire l’ensemble des points M du plan tels que : \[ \overrightarrow{AM} \cdot (\overrightarrow{BM} + \overrightarrow{CM}) = 0 \]

📌 Consigne : Construis l’ensemble des points M vérifiant cette égalité. Dès que ta construction sera correcte, un message de confirmation apparaîtra automatiquement.

📖 Voir la solution

L’ensemble des points \(M\) est la médiatrice de [BC] (car \( \overrightarrow{BM} + \overrightarrow{CM} = 2\overrightarrow{MI}\) avec I milieu de [BC]).

📐 Activité 5 — Ensemble de points (AM·(AM+BM+CM) = 0)

On donne un segment AB de longueur 2.
Objectif : Construire l’ensemble des points M du plan tels que : \[ \overrightarrow{AM} \cdot (\overrightarrow{AM} + \overrightarrow{BM} + \overrightarrow{CM}) = 0 \]

📌 Consigne : Construis l’ensemble des points M vérifiant cette égalité. Dès que ta construction sera correcte, un message de confirmation apparaîtra automatiquement.

📖 Voir la solution

L’ensemble des points \(M\) est le cercle de diamètre [AG] où G est le centre de gravité du triangle ABC.

📐 Activité 6 — Ensemble de points ((AM+CM)·(BM+CM) = 0)

Objectif : Construire l’ensemble des points M du plan tels que : \[ (\overrightarrow{AM} + \overrightarrow{CM}) \cdot (\overrightarrow{BM} + \overrightarrow{CM}) = 0 \]

📌 Consigne : Construis l’ensemble des points M vérifiant cette égalité. Dès que ta construction sera correcte, un message de confirmation apparaîtra automatiquement.

📖 Voir la solution

L’ensemble des points \(M\) est le cercle de diamètre [IJ] où I et J sont les milieux respectifs de [AC] et [BC].

5. Activité complète — Jupyter

Pour les activités guidées avec Python :

🐍 Ouvrir le notebook Jupyter complet

Solution de l’énigme — Angle droit et produit scalaire nul

Le vecteur AB a pour coordonnées \((3,0)\) et le vecteur AC a pour coordonnées \((0,4)\). Leur produit scalaire vaut \(3 imes 0 + 0 imes 4 = 0\). Le triangle est donc rectangle en A.