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Séquence 7 · Vecteurs dans l'espace : repérage, norme, somme et colinéarité

Comment décrire la trajectoire d'un drone ou les forces qui retiennent une charge suspendue, en trois dimensions ?

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

repère orthonormé de l'espace (x ; y ; z)coordonnées d'un point, d'un vecteurnorme d'un vecteur dans l'espacesomme de vecteursproduit par un réel, colinéarité

Ressources de la séquence

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

Les notions à maîtriser

Repère de l'espace
Origine O et trois axes perpendiculaires deux à deux : abscisse, ordonnée, cote.
Coordonnées d'un vecteur
AB(xB − xA ; yB − yA ; zB − zA).
Norme
‖u‖ = √(x² + y² + z²).
Somme
On additionne les coordonnées une à une.
Produit par un réel
k u a pour coordonnées (kx ; ky ; kz).
Colinéarité
v = k u pour un réel k : même direction.

Repères

DateÉvénement
1637Descartes introduit le repérage par coordonnées.
1843Hamilton invente les quaternions, d'où vient le mot « vecteur ».
1901Le traité Vector Analysis fondé sur les cours de Gibbs fixe les notations modernes.
Aujourd'huiDrones, robots et logiciels 3D calculent en permanence des vecteurs de l'espace.

Pour aller plus loin

Sources et bibliographie

Mon parcours : je choisis mon rythme

Séance 1 · Se repérer dans l'espace

65 min

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

La question du jour

Quelle distance le drone doit‑il parcourir ?

Mon plan de travail

Le cours à lire · Repérage dans l'espace

Un repère orthonormé de l'espace est formé d'une origine O et de trois axes perpendiculaires deux à deux, de même unité. Un point A est repéré par trois coordonnées (xA ; yA ; zA) : abscisse, ordonnée, cote. Le vecteur AB a pour coordonnées (xB − xA ; yB − yA ; zB − zA). Sa norme est √(x² + y² + z²) : c'est la distance AB (on applique deux fois le théorème de Pythagore).

Document 1 · La livraison par drone

Situation-problème.

Une entreprise teste la livraison de petites pièces sur un grand site industriel. Le drone part de la base O(0 ; 0 ; 0) ; un point de livraison est B(30 ; 40 ; 20), en mètres, la cote représentant l'altitude.

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

Activité 1 · S'approprier

12 min
Essentiel

Supports : Document 1

Consigne :

Lisez les coordonnées.

  1. Altitude du point B ?
  2. Coordonnées du vecteur OB ?
  3. Distance au sol (projection sur le plan horizontal) ?

Ce qui est attendu (6 pts) : S'approprier, réaliser

Activité 2 · Réaliser

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Calculez.

  1. Norme de OB ?
  2. Le drone va ensuite en C(30 ; 10 ; 20) : coordonnées de BC ?
  3. Norme de BC ?

Ce qui est attendu (7 pts) : Analyser, raisonner, réaliser

Activité 3 · Communiquer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Rédigez une fiche de mission (6 lignes) : trajet O, B, C, longueurs de chaque étape et distance totale. Pour bien commencer : Le drone part de… et se rend en… · La première étape mesure… · Au total, …

Ce qui est attendu (7 pts) : Valider · Communiquer

Trace écrite · document à compléter (papier ou ENT)

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

53,9cotetroisz²

Dans l'espace, un point a ______ coordonnées. La troisième coordonnée s'appelle la ______. La norme de u(x ; y ; z) est √(x² + y² + ______). La distance OB vaut environ ______ m.

Séance 2 · Somme et colinéarité dans l'espace

65 min

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

La question du jour

Quelle force totale retient la charge ?

Mon plan de travail

Le cours à lire · Somme et colinéarité

Comme dans le plan, la somme de deux vecteurs s'obtient en additionnant leurs coordonnées : u(x ; y ; z) + v(x′ ; y′ ; z′) = (x + x′ ; y + y′ ; z + z′). Le produit par un réel k donne (kx ; ky ; kz). Deux vecteurs sont égaux s'ils ont les mêmes coordonnées, colinéaires s'il existe un réel k tel que v = k u (les trois coordonnées sont proportionnelles). En mécanique, une charge est en équilibre si la somme des forces est nulle.

Document 1 · Le levage d'une charge

Situation-problème.

Sur un chantier, une charge est suspendue à deux câbles. Les forces, en kilonewtons, ont pour coordonnées F1(2 ; −1 ; 3) et F2(−2 ; 1 ; 3), l'axe des cotes étant vertical.

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

Activité 1 · S'approprier

12 min
Essentiel

Supports : Document 1

Consigne :

Additionnez.

  1. F1 + F2 ?
  2. Direction de la résultante ?
  3. Norme de la résultante ?

Ce qui est attendu (6 pts) : S'approprier, réaliser

Activité 2 · Analyser, raisonner

18 min
Essentiel

Supports : Cours

Consigne :

Étudiez la colinéarité et l'équilibre.

  1. u(1 ; −2 ; 4) et v(−3 ; 6 ; −12) ?
  2. u(1 ; −2 ; 4) et w(2 ; −4 ; 7) ?
  3. Poids P de la charge à l'équilibre ?

Ce qui est attendu (7 pts) : Analyser, raisonner, réaliser

Activité 3 · Valider, communiquer

15 min
Travail à rendre

Supports : Documents et cours

Consigne :

Rédigez une note pour le chef de chantier (6 à 8 lignes) : chaque câble supporte‑t‑il 3 kN ? Calculez la norme de F1 et expliquez. Pour bien commencer : La force totale est… · Pourtant, la norme de F1 est… · Chaque câble supporte donc…

Ce qui est attendu (7 pts) : Valider · Communiquer

Trace écrite · document à compléter (papier ou ENT)

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

3,74colinéairescoordonnéenulle

On additionne les vecteurs coordonnée par __________. v = −3u signifie que u et v sont ___________. À l'équilibre, la somme des forces est ______. La norme de F1 vaut environ ______ kN.

Fiche à trous · je complète

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

colinéairestroiszB − zAz²

Dans l'espace, un point a ______ coordonnées.

Le vecteur AB a pour coordonnées (xB − xA ; yB − yA ; _______).

La norme de u(x ; y ; z) est la racine carrée de x² + y² + ______.

Deux vecteurs sont ___________ si l'un est le produit de l'autre par un réel.

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 :