Version élève → Mathématiques · Lycée général · 1re · Première

Séquence 6 · Produit scalaire : angles, longueurs et orthogonalité

Comment calculer un angle ou une longueur inaccessible, et prouver que deux droites sont perpendiculaires, avec un seul outil ?

Bonjour !

Dans cette séquence de mathématiques, tu vas chercher à répondre à la grande question écrite en haut de la page. Elle se fait en 2 séances. Pour chaque séance : lis la consigne, étudie les documents, réponds aux questions sur ta feuille ou sur l'ENT, puis recopie l'essentiel dans ton cahier. Tu peux imprimer cette page avec le bouton « Imprimer ».

À la fin, je serai capable de :

Les mots importants

produit scalaire u · vprojection orthogonaleu · v = ‖u‖ ‖v‖ cos θexpression en base orthonormée xx' + yy'formule d'Al-Kashi, orthogonalité

Ressources de la séquence

Les notions, les repères et les pistes pour aller plus loin, utiles pour toutes les séances.

Les notions à maîtriser

Définition par la projection
Si H est le projeté orthogonal de C sur (AB), AB · AC = AB × AH si H est du côté de B, −AB × AH sinon.
Formule avec le cosinus
u · v = ‖u‖ ‖v‖ cos θ.
Base orthonormée
u(x ; y) · v(x' ; y') = xx' + yy' et ‖u‖² = u · u = x² + y².
Formule avec les normes
u · v = (‖u + v‖² − ‖u‖² − ‖v‖²)/2.
Orthogonalité
u et v sont orthogonaux si et seulement si u · v = 0.
Al‑Kashi
Dans un triangle, a² = b² + c² − 2bc cos Â ; si  est droit, on retrouve Pythagore.

Repères

DateÉvénement
vers 300 av. J.‑C.Euclide énonce aux propositions II.12 et II.13 des Éléments une forme géométrique du théorème.
1427Al‑Kashi donne des méthodes trigonométriques de résolution des triangles.
1843Hamilton invente les quaternions, d'où sortiront produit scalaire et produit vectoriel.
1881‑1884Gibbs fixe la notation du produit scalaire en physique.

Pour aller plus loin

Sources et bibliographie

Mon parcours : je choisis mon rythme

Séance 1 · Quatre façons de calculer un produit scalaire

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes avec coups de pouce.

La question du jour

Quel travail fournit une force qui tire un traîneau en biais ?

Mon plan de travail

Le cours à lire · Définitions du produit scalaire

Le produit scalaire de deux vecteurs est un nombre. Quatre expressions équivalentes : par la projection (AB · AC = AB × AH où H est le projeté orthogonal de C sur (AB), avec un signe moins si H et B sont de part et d'autre de A) ; avec le cosinus : u · v = ‖u‖ ‖v‖ cos θ ; avec les coordonnées en base orthonormée : xx' + yy' ; avec les normes : u · v = (‖u + v‖² − ‖u‖² − ‖v‖²)/2. Propriétés : u · v = v · u, u · (v + w) = u · v + u · w, (ku) · v = k(u · v), u · u = ‖u‖². En physique, le travail d'une force F sur un déplacement AB est W = F · AB.

Document 1 · Le traîneau

Situation-problème.

Un enfant tire un traîneau sur 50 m en ligne droite avec une corde qui fait un angle de 30° avec le sol ; la force exercée vaut 40 N. Un camarade propose de tirer avec un angle de 60° et la même force.

Source : Situation construite pour la séance par le professeur (données fictives, choisies pour être réalistes).

Activité 1 · Chercher

12 min
Essentiel

Supports : Document 1

Consigne :

Calculez le travail.

  1. Travail avec un angle de 30° (cos 30° ≈ 0,866) ?
  2. Avec 60° ?
  3. Et si la corde était verticale ?

Ce qui est attendu (6 pts) : Résultats justes et justifiés

Activité 2 · S'entraîner

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Choisissez la méthode.

  1. u(2 ; −3), v(5 ; 1).
  2. ABCD carré de côté 4 : AB · AC.
  3. ‖u‖ = 3, ‖v‖ = 2, ‖u + v‖ = 4.

Ce qui est attendu (7 pts) : Méthode et résultats

Activité 3 · Communiquer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Expliquez au camarade (6 à 8 lignes), avec le produit scalaire, pourquoi tirer à 60° est moins efficace, et quel angle serait le plus efficace. Pour bien commencer : Le travail de la force est le produit scalaire… · Il dépend du cosinus de l'angle… · L'angle le plus efficace est…

Ce qui est attendu (7 pts) : Raisonnement · Rédaction

Trace écrite · document à compléter (papier ou ENT)

Complète la trace écrite avec les mots de la banque, puis recopie-la dans ton cahier.

cos θnombrexx' + yy'‖u‖²

Le produit scalaire de deux vecteurs est un ______. u · v = ‖u‖ ‖v‖ ______. En base orthonormée, u · v = _________. u · u est égal à ______.

Séance 2 · Orthogonalité et formule d'Al‑Kashi

65 min

Séance approfondie : cours développé, documents sourcés, activités exigeantes avec coups de pouce.

La question du jour

Comment calculer une distance inaccessible ?

Mon plan de travail

Le cours à lire · Al‑Kashi et orthogonalité

Deux vecteurs sont orthogonaux si et seulement si leur produit scalaire est nul ; en base orthonormée : xx' + yy' = 0. Formule d'Al‑Kashi : dans un triangle ABC avec a = BC, b = AC, c = AB, a² = b² + c² − 2bc cos Â. Démonstration : BC = AC − AB (vecteurs), donc BC² = AC² − 2 AB · AC + AB² = b² + c² − 2bc cos Â. Elle permet de calculer un côté connaissant deux côtés et l'angle compris, ou un angle connaissant les trois côtés. Si  = π/2, on retrouve Pythagore.

Document 1 · Le lac

Situation-problème.

Deux balises A et B sont situées sur les rives opposées d'un lac. Depuis un point C sur la berge, un géomètre mesure CA = 300 m, CB = 450 m et un angle ACB de 75° (cos 75° ≈ 0,259).

Source : Situation construite pour la séance par le professeur (données fictives, choisies pour être réalistes).

Activité 1 · Chercher

12 min
Essentiel

Supports : Document 1

Consigne :

Calculez la distance AB.

  1. Écrivez la formule d'Al-Kashi adaptée.
  2. Calculez AB.
  3. Que donnerait la formule si l'angle était droit ?

Ce qui est attendu (6 pts) : Résultats justes et justifiés

Activité 2 · S'entraîner

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Démontrez ou calculez.

  1. Triangle de côtés 4, 5, 6 : cosinus du plus grand angle.
  2. A(0 ; 0), B(4 ; 2), C(1 ; 5) : ABC rectangle en A ?
  3. Trouvez m pour que u(m ; 3) ⊥ v(6 ; −2).

Ce qui est attendu (7 pts) : Méthode et résultats

Activité 3 · Démontrer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Démontrez la formule d'Al‑Kashi avec le produit scalaire, puis rédigez le compte rendu du géomètre (8 lignes) donnant la distance AB. Pour bien commencer : J'écris BC comme une différence de vecteurs… · En développant le carré scalaire, … · Appliquée au lac, la formule donne…

Ce qui est attendu (7 pts) : Raisonnement · Rédaction

Trace écrite · document à compléter (papier ou ENT)

Complète la trace écrite avec les mots de la banque, puis recopie-la dans ton cahier.

cos ÂcôténulPythagore

Deux vecteurs sont orthogonaux si leur produit scalaire est ______. Al‑Kashi : a² = b² + c² − 2bc ______. Si l'angle  est droit, on retrouve le théorème de _________. La formule permet de calculer un ______ ou un angle.

Fiche à trous · je complète

Complète le texte avec les mots de la banque (sur papier ou dans le document de l'ENT).

cos Âcos θnulxx' + yy'

u · v = ‖u‖ × ‖v‖ × ______, où θ est l'angle entre u et v.

Deux vecteurs non nuls sont orthogonaux si et seulement si leur produit scalaire est ______.

Dans une base orthonormée, u(x ; y) · v(x' ; y') = _________.

Formule d'Al-Kashi : a² = b² + c² − 2bc ______.

Ce que j'ai appris

Les 3 idées que je retiens :
Une méthode ou une formule que je veux retenir :
Ce qui reste difficile pour moi / ma question pour le professeur :