Mouvement d'un solide
Exercice II : Equilibre d'un solide soumis à deux forces. ... B est au bout d'une tige
verticale isolante fixée sur un support ; B porte la charge électrique q'. Les
centres de A .... P=9,81.10-2N ; feB/A=7,2.10-2N ; En projetant sur l'axe Ox : -Tsin
+ ...
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Mécanique
Paul Tibérini
TOC \o "1-2" \h \z \u HYPERLINK \l "_Toc145323991" chap 1. Les interactions fondamentales (3 hce, 1 TP) PAGEREF _Toc145323991 \h 21
HYPERLINK \l "_Toc145323992" Activité (0.5 h) PAGEREF _Toc145323992 \h 21
HYPERLINK \l "_Toc145323993" Cours (2.5h) PAGEREF _Toc145323993 \h 30
HYPERLINK \l "_Toc145323994" TP : interaction électrostatique (2h) PAGEREF _Toc145323994 \h 33
HYPERLINK \l "_Toc145323995" chap 2. Mouvement dun solide PAGEREF _Toc145323995 \h 4
HYPERLINK \l "_Toc145323996" Activité mvt solide indéformable PAGEREF _Toc145323996 \h 13
HYPERLINK \l "_Toc145323997" Cours PAGEREF _Toc145323997 \h 10
HYPERLINK \l "_Toc145323998" TP1 : Mouvement dun solide indéformable PAGEREF _Toc145323998 \h 4
HYPERLINK \l "_Toc145323999" TP2 : Mouvement de rotation PAGEREF _Toc145323999 \h 18
HYPERLINK \l "_Toc145324000" Autre Tp : Vitesse et centre dinertie PAGEREF _Toc145324000 \h 19
HYPERLINK \l "_Toc145324001" chap 3. Forces macroscopique et équilibre dun solide PAGEREF _Toc145324001 \h 4
HYPERLINK \l "_Toc145324002" Activités PAGEREF _Toc145324002 \h 39
HYPERLINK \l "_Toc145324003" Cours : forces macroscopiques et équilibre PAGEREF _Toc145324003 \h 44
HYPERLINK \l "_Toc145324004" TP : Comment faire linventaire des forces responsables du mouvement dun objet ? PAGEREF _Toc145324004 \h 49
HYPERLINK \l "_Toc145324005" TP 4 Solide sur un plan incliné PAGEREF _Toc145324005 \h 52
HYPERLINK \l "_Toc145324006" TP Equilibre dun solide PAGEREF _Toc145324006 \h 54
HYPERLINK \l "_Toc145324007" TP Equilibre dun solide PAGEREF _Toc145324007 \h 54
HYPERLINK \l "_Toc145324008" TP Equilibre dun solide PAGEREF _Toc145324008 \h 54
HYPERLINK \l "_Toc145324009" 52 TP n° 4 - Force et mouvement. PAGEREF _Toc145324009 \h 55
HYPERLINK \l "_Toc145324010" Exercices PAGEREF _Toc145324010 \h 58
HYPERLINK \l "_Toc145324011" chap 4. Les lois de Newton PAGEREF _Toc145324011 \h 59
HYPERLINK \l "_Toc145324012" Activités PAGEREF _Toc145324012 \h 59
HYPERLINK \l "_Toc145324013" Cours. Les lois de Newton PAGEREF _Toc145324013 \h 68
HYPERLINK \l "_Toc145324014" TP :Mvt dun solide sur une table inclinée PAGEREF _Toc145324014 \h 70
HYPERLINK \l "_Toc145324015" chap 5. Travail dune force PAGEREF _Toc145324015 \h 72
HYPERLINK \l "_Toc145324016" Travail dune force PAGEREF _Toc145324016 \h 72
HYPERLINK \l "_Toc145324017" Travail dune force constante PAGEREF _Toc145324017 \h 72
HYPERLINK \l "_Toc145324018" Puissance PAGEREF _Toc145324018 \h 73
HYPERLINK \l "_Toc145324019" TP Travail dune force PAGEREF _Toc145324019 \h 74
HYPERLINK \l "_Toc145324020" TP Travail dune force PAGEREF _Toc145324020 \h 74
HYPERLINK \l "_Toc145324021" chap 6. Lénergie PAGEREF _Toc145324021 \h 75
HYPERLINK \l "_Toc145324022" Cours PAGEREF _Toc145324022 \h 75
HYPERLINK \l "_Toc145324023" Activités PAGEREF _Toc145324023 \h 76
HYPERLINK \l "_Toc145324024" chap 7. Transferts dénergie par travail PAGEREF _Toc145324024 \h 82
HYPERLINK \l "_Toc145324025" chap 8. Le transfert dénergie par la chaleur PAGEREF _Toc145324025 \h 84
HYPERLINK \l "_Toc145324026" TP. Plan incliné PAGEREF _Toc145324026 \h 87
HYPERLINK \l "_Toc145324027" TP. Plan incliné PAGEREF _Toc145324027 \h 87
HYPERLINK \l "_Toc145324028" chap 9. Formes et transferts dénergie (complément prof) PAGEREF _Toc145324028 \h 88
HYPERLINK \l "_Toc145324029" Pourquoi cette partie ? PAGEREF _Toc145324029 \h 88
HYPERLINK \l "_Toc145324030" Informations pour la préparation de la partie PAGEREF _Toc145324030 \h 88
HYPERLINK \l "_Toc145324031" Activité preliminaire PAGEREF _Toc145324031 \h 88
HYPERLINK \l "_Toc145324032" Pourquoi cette activité ? PAGEREF _Toc145324032 \h 88
HYPERLINK \l "_Toc145324033" Informations pour la préparation de lactivité PAGEREF _Toc145324033 \h 88
HYPERLINK \l "_Toc145324034" ACTIVITé 1 PAGEREF _Toc145324034 \h 88
HYPERLINK \l "_Toc145324035" Pourquoi cette activité ? PAGEREF _Toc145324035 \h 88
HYPERLINK \l "_Toc145324036" Informations pour la préparation de lactivité PAGEREF _Toc145324036 \h 89
HYPERLINK \l "_Toc145324037" Informations sur le comportement des élèves et sur la façon de prendre en compte leurs difficultés PAGEREF _Toc145324037 \h 89
HYPERLINK \l "_Toc145324038" Commentaires sur le savoir à enseigner et information sur le contenu disciplinaire PAGEREF _Toc145324038 \h 89
HYPERLINK \l "_Toc145324039" Corrigé PAGEREF _Toc145324039 \h 89
HYPERLINK \l "_Toc145324040" Activité 2 PAGEREF _Toc145324040 \h 90
HYPERLINK \l "_Toc145324041" Pourquoi cette activité ? PAGEREF _Toc145324041 \h 90
HYPERLINK \l "_Toc145324042" Informations sur le comportement des élèves et sur la façon de prendre en compte leurs difficultés PAGEREF _Toc145324042 \h 90
HYPERLINK \l "_Toc145324043" Corrigé PAGEREF _Toc145324043 \h 90
HYPERLINK \l "_Toc145324044" Activité 3 PAGEREF _Toc145324044 \h 90
HYPERLINK \l "_Toc145324045" Pourquoi cette activité ? PAGEREF _Toc145324045 \h 90
HYPERLINK \l "_Toc145324046" Informations sur le comportement des élèves et sur la façon de prendre en compte leurs difficultés PAGEREF _Toc145324046 \h 91
HYPERLINK \l "_Toc145324047" Commentaires sur le savoir à enseigner et information sur le contenu disciplinaire PAGEREF _Toc145324047 \h 91
HYPERLINK \l "_Toc145324048" Corrigé PAGEREF _Toc145324048 \h 91
HYPERLINK \l "_Toc145324049" chap 10. Le travail : transferts et changements de forme de lénergie PAGEREF _Toc145324049 \h 92
HYPERLINK \l "_Toc145324050" Activités PAGEREF _Toc145324050 \h 92
HYPERLINK \l "_Toc145324051" Cours : Compléments au modèle de lénergie PAGEREF _Toc145324051 \h 97
HYPERLINK \l "_Toc145324052" chap 11. Transfert dénergie complément prof PAGEREF _Toc145324052 \h 99
HYPERLINK \l "_Toc145324053" Pourquoi cette partie ? PAGEREF _Toc145324053 \h 99
HYPERLINK \l "_Toc145324054" Informations pour la préparation de la partie PAGEREF _Toc145324054 \h 100
HYPERLINK \l "_Toc145324055" ACTIVITé 1 PAGEREF _Toc145324055 \h 100
HYPERLINK \l "_Toc145324056" Pourquoi cette activité ? PAGEREF _Toc145324056 \h 100
HYPERLINK \l "_Toc145324057" Informations pour la préparation de lactivité PAGEREF _Toc145324057 \h 100
HYPERLINK \l "_Toc145324058" Informations sur le comportement des élèves et sur la façon de prendre en compte leurs difficultés PAGEREF _Toc145324058 \h 100
HYPERLINK \l "_Toc145324059" Corrigé PAGEREF _Toc145324059 \h 100
HYPERLINK \l "_Toc145324060" Activité 2 : étude de la situation dun point de vue énergétique PAGEREF _Toc145324060 \h 101
HYPERLINK \l "_Toc145324061" Pourquoi cette activité ? PAGEREF _Toc145324061 \h 101
HYPERLINK \l "_Toc145324062" Informations pour la préparation de lactivité PAGEREF _Toc145324062 \h 101
HYPERLINK \l "_Toc145324063" Commentaires sur le savoir à enseigner et information sur le contenu disciplinaire PAGEREF _Toc145324063 \h 101
HYPERLINK \l "_Toc145324064" Informations sur le comportement des élèves et sur la façon de prendre en compte leurs difficultés PAGEREF _Toc145324064 \h 102
HYPERLINK \l "_Toc145324065" Corrigé PAGEREF _Toc145324065 \h 103
HYPERLINK \l "_Toc145324066" Activité 3 PAGEREF _Toc145324066 \h 104
HYPERLINK \l "_Toc145324067" Pourquoi cette activité ? PAGEREF _Toc145324067 \h 104
HYPERLINK \l "_Toc145324068" Informations sur le comportement des élèves et sur la façon de prendre en compte leurs difficultés PAGEREF _Toc145324068 \h 104
HYPERLINK \l "_Toc145324069" Corrigé PAGEREF _Toc145324069 \h 104
HYPERLINK \l "_Toc145324070" chap 12. Transferts thermiques ? PAGEREF _Toc145324070 \h 105
Mouvement d un solide
TP1 : Mouvement d un solide indéformable
Vitesse du solide
Travail en groupe (4) (45 minutes environ)
zð ðFaites rouler la bille de façon qu'elle se déplace à vitesse constante (vous pouvez améliorer le dispositif expérimental)
zð ðEffectuez les mesures qui confirment que la vitesse est constante
1. Décrire, en vous aidant d'un schéma, la méthode expérimentale.
2. Notez toutes les mesures effectuées et indiquez celle qui vous semble la plus exacte
3. En vous aidant du modèle, représentez la vitesse de la bille en plusieurs points (vous préciserez l'échelle)
4. Représentez sur un graphe la distance parcourue (ordonnées) en fonction du temps (abscisse)
5. Quelle propriété possède la courbe obtenue, mesurez la valeur qui la caractérise et comparez la avec la vitesse.
Travail personnel (15 minutes environ)
On réalise des expériences utilisant le même matériel que ci-dessus, la gouttière étant inclinée. Pour différentes inclinaisons, on obtient les temps de passage par des points situés à 40 cm les uns des autres.
OA1A2A3A4Première inclinaison0 0.971.371.681.93Deuxième inclinaison00.680.971.181.37Troisième inclinaison00.180.380.631.001. Indiquez si la bille a parcouru la gouttière dans le sens de la montée ou de la descente
2. Pour quelle expérience l'inclinaison est-elle la plus grande (dans le cas où la bille glisser vers le bas) ? Pourquoi ?
Centre dinertie
Travail en groupe (15 minutes environ)
zð ðLancez une plaque de forme non rectangulaire verticalement en la faisant tourner sur elle-même
zð ðUn point du solide décrit le mouvement le plus simple. Placez une pastille collante pour
matérialiser ce point et placez en une autre ailleurs.
1. Décrire et représentez la trajectoire du premier point choisi
2. Décrire le mouvement de l'autre point.
3. Quelle information perd-on si on se limite au mouvement du premier point ?
4. On s'intéresse maintenant à la plaque rectangulaire, quel point choisiriez vous pour décrire le plus simplement possible le mouvement du solide ?
zð ðFaites l'expérience pour vérifier votre réponse ; proposez une méthode pour matérialiser la trajectoire.
Travail personnel (10 minutes environ)
Le document ci joint (doc. 1) a été réalisé en photographiant, à intervalle de temps constants, le mouvement d'une règle en train de tomber.
1. Représentez la trajectoire du centre d'inertie
2. Quelle est le nom de la courbe obtenue
Rotation
Travail personnel (25 minutes environ)
Le document ci-joint (doc. 2) représente l'enregistrement des positions d'une règle vue de dessus et fixée en un point O
Mouvement du point P1
1. Représentez la vitesse du point P1, lorsque la règle est dans la position 4, puis en position 6.
2. Qualifiez, en utilisant le texte du modèle, le mouvement de P1
3. Donnez d'autres exemples de ce type de mouvement.
Mouvement de P2
1. Représentez la vitesse du point P2, lorsque la règle est dans la position 4, puis en position 6.
2. A l'aide du modèle et de vos mesures, calculez :
la vitesse angulaire de P1 en position 4
la vitesse angulaire de P2 en position 4, ce résultat était il prévisible ?
3. En utilisant la relation entre l'arc et l'angle, trouvez le lien existant entre la valeur de la vitesse V et celle de la vitesse angulaire É, pour un point donné.
Translation (s il vous reste du temps)
Travail en groupe
1.Proposez des exemples d'objets en mouvement de translation
2. Représentez l'un de ces objets ainsi que la vitesse de deux de ses points à différents instants.
3.Pour chaque situation, dire si l'objet est en mouvement de translation, justifiez avec le modèle.
une personnel assise dans une voiture en virage
une personnel assise dans une voiture qui accélère
un planeur qui atterrit
une personne assise dans la nacelle d'une grande roue.
Eléments de correction du TP
1) Vitesse du solide
Si la vitesse est constante, la bille parcourt pendant des temps égaux des espaces égaux. Pour juger de luniformité du mouvement il suffit donc de mesurer les temps de passages successifs, par exemple aux abscisses, 0, 50cm, 1m,1.5m et 2m.
Pour évaluer une vitesse, on choisit deux points qui encadrent le point où elle doit être mesurée. Ainsi pour mesurer la vitesse à labscisse 0,5m on choisira les passages à 0m et à 1m. Il est clair que la vitesse ne peut pas être mesurée aux deux extrémités de la règle.
Pour peut en plus des mesures précédentes qui se rapprochent des vitesses instantanées, faire une évaluation de la vitesse moyenne de parcours du rail, qui sera le rapport de la distance totale, 2m, par le temps de parcourt total, t2-t0.
Si lon représente les distances parcourues en fonction du temps on doit obtenir une droite. Le coefficient directeur de cette droite est la vitesse instantanée de la bille en chaque point du rail.
Dés lors, parmi les vitesses précédentes, celle qui est la meilleure est celle qui se rapproche le plus du coefficient directeur de la droite. Je vous rappelle que la régression linéaire est un outil puissant !
Pour représenter les vecteurs, on trace un segment, porté par la trajectoire, le rail, dans le sens du mouvement et dont la longueur est égale, compte tenu de léchelle choisie, à la vitesse mesurée.
Pendant le mouvement, la bille peut accélérer ou ralentir selon que le rail est incliné dans un sens ou dans lautre mais aussi en fonction des frottements. Il suffit dincliner très légèrement le rail pour que la pente compense les frottements de la bille, mais ceux-ci sont très faible : cest un roulement acier sur acier !
Les première et deuxième séries de données correspondent à des descentes car les temps de parcours sont de plus en plus courts. Pour la deuxième série, le rail est plus incliné puisque le point 1,6m est obtenu dans un temps plus court. On voit que les graphes ne sont pas linéaires mais plutôt paraboliques. A étudier plus tard.
Dans la troisième série, les temps de parcours augmentent la bille remonte sur le rail.
Le centre dinertie
Le point qui décrit le mouvement le plus simple est placé au centre de symétrie sil existe. Il décrit une parabole. Ce point est le centre dinertie. Le centre dinertie peut être placé dans le vide dans lexemple dun anneau.
Un point quelconque décrit un mvt de rotation autour de la parabole.
Le centre dinertie décrit le mouvement densemble du solide. Un point quelconque décrit, dans un référentiel attaché au centre dinertie, le mouvement propre.
Dans le cas de la règle, il suffit de relier les positions successives du centre de symétrie de la règle. On obtient une parabole.
Rotation
On mesure entre les points A3 et A5 3cm. il s est écoulé 2Dðt=80ms. La vitesse de P passant en A4 est donc : V4= 3 10-2/ 80 10-3 =0, 38m.s-1.
Choisissons pour échelle, 1cm pour représenter 0,1m.s-1, il faudra donc un vecteur, tangent au cercle, de longueur 3,8 cm.
On constate que la distance parcourue de A5 à A7 est la même ; la norme du vecteur vitesse est donc la même, mais le vecteur vitesse tangent à la trajectoire, a tourné. Il y a donc variation du vecteur vitesse par sa direction.
De B1 à B3 la distance parcourue est 1,7cm. La vistesse de P1 passant en B2 est donc
V2=1,7 10-2/80 10-3 =2,1 m.s-1.
Entre les postions 1 et 3 la règle a tourné de 0,5 radians. La vitesse angulaire est donc
wð2= 0,5/80 10-3= 6,3 rad.s-1.
On trouve la même chose pour la position 4 le mouvement est uniforme.
Cours
Référentiels
Un référentiel est un objet qui permet de repérer les positions successives d'un point d'un solide dont on étudie le mouvement.
Choix du référentiel : on choisit le référentiel le plus adapté au mouvement que l'on souhaite décrire.
Lorsque l'on décrit le mouvement d'un objet (ou d'un point qui le représente), il faut indiquer le référentiel choisi.
Le ref est représenté, mathématiquement par un système daxes.
Le réf qui donne la description la plus simple dun mouvement est le plus immobile possible, cest le réf de Copernic.
Tout ref en mvt rect unif/ Copernic est appelé ref galiléen.
Les coordonnées cartésiennes
Un point est représenté dans le repère par ses coordonnées qui sont les composantes d'un vecteur OM appelé vecteur position.
OM = x i + y j + zk
x,y,z sont des fonctions du temps
i,j, k sont des vecteurs constants
les équations :
x=f(t); y=g(t); z=h(t) sont appelées les équations horaires du mouvement.
Ex: la position d'un point est donnée par :
x=2t et y=4t2+3.
quelles sont les positions à t= 0;1;2;3s
quelle est l'équation de la trajectoire
Les coordonnées curvilignes
Si la trajectoire est simple et connue, il est commode de définir la position du point par rapport à sa trajectoire.
On choisi une origine sur la trajectoire: Mo
On mesure la longueur de l'arc MoM qui est appelé abscisse curviligne.
s=MoM
On appelle de même équation horaire s= f(t).
Repère de temps
Définition du temps.
Choix dune référence astronomique puis dun étalon plus précis
La seconde étant définie, le choix dun repère de temps se résume au choix de lorigine des dates.
Relativité dun mouvement
Le mvt est caractérisé par sa trajectoire, sa vitesse, sa durée et dautres paramètres étudiés plus tard.
Les caractéristiques du mvt dépendent du référentiel. Retour sur galiléen.
Vitesse dun point dun solide
Vitesse moyenne
La vitesse est lespace parcouru par unité de temps.
par définition:
Vmoy= EQ \f(M1M2; t2-t1)
On peut utiliser labscisse curviligne après définition dune origine sur la trajectoire.
or M1M2 = OM2 -OM 1
donc Vmoy= EQ \f(D OM;Dt)
Vmoy = Dðx i + Dðy j
Vecteur vitesse instantanée
C'est la limite de la vitesse moyenne quand l'intervalle qui sépare les deux points M est infiniment petit.
Pour déterminer expérimentalement la vitesse de passage en M1, on utilisera des positions du solide très voisines de M1
Il convient de choisir un intervalle très petit encadrant le point M1 pour mesurer cette vitesse.
On peut enregistrer les caractéristiques du mouvement en représentant la vitesse par un vecteur :
Direction
Sens
Application
Intensité.
Lorsque M2 tend vers M1 le segment M1M2 tend vers la tangent à la trajectoire: le vecteur vitesse est porté par la tangente à la trajectoire.
Centre dinertie dun solide
Le centre d'inertie d'un solide est le point qui a le mouvement le plus simple.
Si un solide a un centre de symétrie, il est confondu avec le centre d'inertie
Tous les solides ont un centre d'inertie
Le centre d'inertie est confondu avec le centre de gravité.
Le centre dinertie peut être en dehors de la matière exemple du pneu.
Mouvement de translation dun solide
Un solide est en mouvement de translation si et seulement si, au même instant, tous ses points ont le même vecteur vitesse.
Exemples
Mouvement de rotation dun solide autour dun axe
Rappel sur la mesure des angles en radians
Vitesse angulaire
Lorsquun solide indéformable tourne, tous ses points
On considère un point M animé dun mouvement circulaire de centre O par rapport à un référentiel donné.
La vitesse moyenne angulaire du point M lorsquil passe dun point A à un point B est égale au quotient de langle Dðqð balayé par le rayon OM lorsque le point passe du point A et B par la durée Dðt qu il met pour aller de A à B.
EMBED Unknown On l exprime en radians par seconde (rad.s-1).
Relation entre la vitesse v et la vitesse angulaire wð.
si
wð,vitesse angulaire se mesure en rad/s
Activité mvt solide indéformable
Activité 1 bille sur un rail horizontal
Par groupe de 4, vous disposez dune bille et dune gouttière (profilé en « U » denviron 2 m) ainsi que de chronomètres.
1°. Faites rouler la bille dans la gouttière de façon à ce quelle se déplace à vitesse constante. Effectuez les mesures qui vous apporteront la confirmation que la vitesse est constante et qui vous permettront de trouver sa valeur.
Décrivez, par des mots et en vous aidant dun schéma, comment vous avez procédé . Faites plusieurs expériences, notez tous les résultats de vos mesures et choisissez ceux qui vous donnent le plus satisfaction. Indiquez ce qui vous a incité à faire ce choix.
2°. En vous aidant du modèle du mouvement, représenter la vitesse de la bille en plusieurs points à une échelle de votre choix que vous indiquerez sur le compte-rendu.
3°. Représenter sur un graphe la distance parcourue par la bille (en ordonnées) en fonction du temps (en abscisse) quelle met pour parcourir cette distance. Indiquez ce qui permettait de prévoir que le graphe aurait cette allure.
Mesurer le coefficient directeur et indiquer ce qui permettait de prévoir la valeur trouvée.
(....)
Exercices (travail personnel)
On réalise des expériences utilisant le même matériel que ci-dessus, la gouttière étant inclinée. Pour différentes inclinaisons, on obtient les temps de passage par des points situés à 40 cm les uns des autres.
pointsOA1A2A3A4Première inclinaisontemps (s)00.971.371.681.93Seconde inclinaisontemps (s)00.680.971.181.37
Indiquer si la bille a parcouru la gouttière dans le sens de la montée ou de la descente. Préciser quelle est lexpérience pour laquelle linclinaison est la plus grande.
Autres exercices habituels (conversion dunité entre autres) à trouver dans les livres.
Activité 2 mvt dun skieur
Le document ci-joint représente les positions successives dun skieur dont les positions ont été repérées à intervalle de temps constant.
1°. Le skieur parcourt la boucle de 11 km en 32 min. Calculer sa vitesse moyenne en km/h.
2°. Indiquer comment le document permet de savoir en quelles portions de la boucle le skieur est allé plutôt vite ou plutôt lentement.
3°. En vous aidant du modèle du mouvement dun solide, représenter par un vecteur la vitesse du skieur (sans vous soucier de la valeur de cette vitesse) lorsquil est passé aux points A et B. On supposera quau voisinage de ces points la piste est horizontale.
(....)
Exercices
Le document ci-joint a été obtenu dans la salle de TP en enregistrant toutes les 200 ms les positions du point dun solide lancé sur un support plan.
Représenter la trajectoire de ce point. En vous aidant du modèle du mouvement dun solide, représenter la vitesse du point aux passages par A et B à léchelle 1 cm pour 10 cm.s-1.
Activité 3 recherche du centre dinertie
Il a été vu en seconde que létude du mouvement dun solide peut se réduire à létude du mouvement de lun de ses points. Le but de cette activité est de montrer sur un exemple comment on peut choisir ce point.
Vous disposez de plaques homogènes de différentes formes.
1°. Lancer la plaque rectangulaire en la faisant tourner sur elle-même .
a) Quel point choisiriez-vous pour décrire le plus simplement possible le mouvement de lobjet ?
b) Placer une première pastille autocollante sur la plaque pour matérialiser sa position, en placer une seconde en un autre point.
c) Décrire et représenter la trajectoire du premier point choisi. Décrire le mouvement de lautre point (vous pouvez proposer une trajectoire).
Quelles informations perd-on sur le mouvement de lobjet en se limitant au mouvement du premier point ?
(....)
2°. On sintéresse maintenant à la plaque de forme quelconque. Répondre par écrit à la question a) avant de faire lexpérience.
a) Quel point choisiriez-vous pour décrire le plus simplement possible le mouvement de lobjet ?
b) Faites lexpérience de façon à vérifier si votre choix était le bon.
....coller ici le paragraphe « centre dinertie dun solide ».........................................................
Exercices
1°. Le document ci-joint a été réalisé en photographiant à intervalle de temps constant le mouvement dune règle homogène en train de tomber. Représenter la trajectoire de son centre dinertie.
2°. Où est situé le centre dinertie dun cerceau ?
Lorsquon lance ce cerceau, comment sy prendre pour sassurer que le mouvement de son centre dinertie est plus simple que celui dautres points ?
Activité 4 (vecteur vitesse et mouvement de rotation)
Le document joint représente l'enregistrement (pendant quasiment un tour) des positions successives d'une règle vue de dessus et fixée en un point O. Les positions successives de deux points P1 et P2 de cette règle ont également été représentées, ainsi que leur trajectoire.
1°. Mouvement du point P1
a) Représenter le vecteur vitesse du point P1 lorsque la règle est dans la position 4 puis lorsque la règle est dans la position 6 (on choisira une échelle appropriée pour passer de la valeur de la vitesse à la longueur du vecteur).
b) Qualifier, en justifiant à partir du texte du modèle, le mouvement du point P1.
c) En accord avec le professeur, compléter le modèle du mouvement de rotation autour dun axe fixe.
d) Donner d'autres exemples de mouvements de ce type.
2°. Représenter le vecteur vitesse du point P2 lorsque la règle est dans la position 4 puis lorsque la règle est dans la position 6 (on gardera la même échelle).
3°. A l'aide du modèle, et à partir de vos mesures, calculer :
- la vitesse angulaire du point P1 lorsque la règle est dans la position 4.
- la vitesse angulaire du point P2 lorsque la règle est dans la position 4. Ce résultat était-il prévisible ?
En vous aidant de la relation entre larc et langle, trouver quel lien existe entre la valeur de la vitesse v et la valeur de la vitesse angulaire SYMBOL 119 \f "Symbol" \s 14w, pour un point donné. Compléter le modèle.
EMBED Unknown
Activité 5 (translation)
Travail à faire
a) Lire dans le modèle la définition dun mouvement de translation.
Proposer des exemples dobjets en mouvement de translation.
b) Représenter lun des objets proposés ainsi que la vitesse de deux de ses points à différents instants.
c) On considère différentes situations. Pour chacune dentre elles, dire si lobjet considéré est en mouvement de translation ou non. Justifier les réponses à laide du modèle.
- une personne assise dans une voiture qui accélère en ligne droite ;
- une personne assise dans une voiture qui tourne ;
- un planeur qui atterrit ;
- une personne assise dans une grande roue qui tourne.
Modèle du mouvement d'un solide
Référentiel
Un référentiel est un objet qui permet de repérer les positions successives d'un point d'un solide dont on étudie le mouvement.
Choix du référentiel : on choisit le référentiel le plus adapté au mouvement que l'on souhaite décrire.
Lorsque l'on décrit le mouvement d'un objet (ou d'un point qui le représente), il faut indiquer le référentiel choisi.
I. Mouvement d'un point du solide (déformable ou non déformable)
1°. Trajectoire d'un point dun solide
La trajectoire d'un point du solide est lensemble des positions occupées par le point au cours de son mouvement.
2°. Vecteur vitesse d'un point dun solide
La vitesse instantanée d'un point d'un solide situé en M à un instant t est représentée par un vecteur.
Ce vecteur a les caractéristiques suivantes :
- la direction est celle de la tangente à la trajectoire en cette position M ;
- le sens est celui du mouvement ;
- la valeur est celle de la vitesse moyenne entre A et B, deux positions très proches de M. Elle sexprime en m.s-1 (m/s).
- Pour représenter la vitesse en M à l'instant t, on représente le vecteur vitesse à partir du point M.
EMBED Unknown
EMBED Unknown
3°. Caractérisation du mouvement d'un point du solide
Le mouvement du point est rectiligne quand la trajectoire est une droite : son vecteur vitesse garde la même direction.
Le mouvement du point est circulaire quand sa trajectoire est un cercle ou une portion de cercle.
Le mouvement du point est uniforme quand la valeur de sa vitesse ne change pas.
Le mouvement du point est rectiligne uniforme quand sa trajectoire est une ligne droite et que sa vitesse est constante : son vecteur vitesse est constant.
4°. Centre d'inertie d'un solide (on se limite aux solides indéformables)
Considérons un solide soumis à la seule action de la Terre : il existe un point dont le mouvement par rapport à la Terre est plus simple que celui des autres points : on appelle ce point le centre dinertie de lobjet.
On admet que ce point est confondu avec le centre de gravité du solide.
II Mouvement du solide (on se limite aux solides indéformables)
1°.Mouvement de rotation autour dun axe fixe
Vitesse angulaire
On considère un point M animé dun mouvement circulaire de centre O par rapport à un référentiel donné.
La vitesse moyenne angulaire du point M lorsquil passe dun point A à un point B est égale au quotient de langle Dðqð balayé par le rayon OM lorsque le point passe du point A et B par la durée Dðt qu il met pour aller de A à B.
EMBED Unknown On l exprime en radians par seconde (rad.s-1).
Relation entre la vitesse v et la vitesse angulaire wð (à compléter après lactivité 4)
2°. Mouvement de translation
Un solide est en mouvement de translation si et seulement si, au même instant, tous ses points ont le même vecteur vitesse.
TP2 : Mouvement de rotation dun solide
Objectif
Trouver un invariant dans un solide en rotation. Trouver quelques propriétés du centre dinertie. On utilisera des vidéos.
Manipuler les outils informatiques.
Les logiciels
Excel
Excel est un « tableur grapheur » chaque cellule peut contenir un nombre, une formule, un programme.
Voir la démonstration en début de séance.
Avistep
AVIstep est un logiciel de pointage sur une vidéo. Il permet par pointage dobtenir une table de valeurs à traiter dans un tableur.
Mouvement de rotation
Vitesse
Utilisez la vidéo simulée « rotation du solide ».
Etudier par une succession de pointages, les vitesses de plusieurs points du solide au cours du mouvement.
Le mouvement dun point est-il uniforme ? Déterminer les vitesses des autres points du solide. Peut-on donner une vitesse pour lensemble du solide ?
Recherche dun invariant.
Comment évolue la vitesse dun point du solide. Chercher une loi et une confirmation expérimentale soignée.
Chercher une grandeur qui reste invariante pendant la rotation du solide. Pouvez vous lui en donner une signification physique ?
Quelle relation mathématique relie linvariant trouvé avec la vitesse dun point ?
Démontrer la relation précédente à partir de la formule du périmètre dun cercle.
Le principe dinertie
Propriété géométrique du centre dinertie
Utiliser la vidéo « centre dinertie mvt horizontal »
Le solide est mis en rotation sur une table horizontale, sans frottements. Les masses reliées sont de 3kg et 1kg.
Quelle loi permet de prévoir le mouvement du centre dinertie ? En quel point singulier se trouve le centre dinertie du solide ?
Chute dun solide composé.
Utiliser la vidéo « centre dinertie et chute ».
Un solide composé est lancé dans le champ de pesanteur. Les masses sont de 1 et 2kg.
Où se trouve le centre dinertie ?
Quel est sont mouvement ? Comment sappelle t-il ?
Quel est le mouvement dun point quelconque du solide ?
Autre Tp : Vitesse et centre dinertie
Mise en évidence du centre d'inertie d'un solide
a) Etude de la chute libre d'un solide.
Repérer le centre de symétrie du solide.
Créer une vidéo de sa chute libre.
Construire par pointage dans AVI méca les trajectoires dun point quelconque et du centre de symétrie.
la trajectoire de M dans le référentiel terrestre,
la trajectoire de G dans le référentiel terrestre,
la trajectoire de M dans le référentiel lié à G.
Les positions des points mobiles peuvent être repérées à l'aide d'un transparent sur écran TV
Conclusion.
b) Etude du mouvement d'un solide sur une table horizontale à coussins d'air.
Deux solides reliés sont lancés. Leurs masses sont connues.
Représenter les trajectoires des centres de symétrie de chaque solide puis du centre de symétrie de lensemble.
Conclusion Quel est le point qui décrit un mvt rectiligne et uniforme ?
Ce point est le centre dinertie.
Quelle règle générale pour trouver le centre dinertie ?
Solide en rotation autour d'un axe fixe
On filme une roue de bicyclette portant plusieurs marques à des distances connues de laxe.
la caméra est réglée sur 25 images par seconde.
La vidéo enregistrée est exportée en clip vidéo AVI grace à WMM. Elle est analysée par pointage sur AVIméca et étudiée sur Excel.
Mesurer avec un chronomètre ou un stoboscope la vitesse de rotation en tours par seconde.
Exploitation de la vidéo
Déterminer la période séparant deux images : T =
Expliquer en quoi une vidéo permet d'étudier la trajectoire d'un point, et d'en déduire les caractéristique de son mouvement.
De quelles données a-t-on besoin ?
Configuration du logiciel
Lancer le logiciel Aviméca.
Ouvrir la vidéo : Fichiers ==> Ouvrir un clip vidéo.
Adapter la vidéo à l'écran : Clip ==> Adapter. Cocher la case adapter.
Régler la taille, la forme et la couleur du curseur : Pointage ==>
.
Configuration de la mesure des points
Cliquer sur l'onglet "étalonnage" :
Dans la case durée / image, inscrire la période T.
Cliquer dans la case échelle identique, puis sur 1er point. Cliquer alors sur la vidéo sur la position du premier repère. Refaire la même manipulation pour le 2ème point. Entrer l'échelle de longueur.
Cliquer dans la case "Pointage de l'origine" pour définir l'origine du repère.
Enregistrement de points
Cliquer sur l'onglet "mesure" :
Cliquer avec le curseur soigneusement sur le point à étudier, puis recommencer jusqu'à la fin de la vidéo.
Une fois terminer, sauver les points au format voulu : Fichiers ==> Sauver mesures.
Exploitation du fichier
Calcul des vecteurs
Le fichier contient les variables t, x et y. Chaque point repéré sur le logiciel Aviméca a pour coordonnée ( xi, yi ).
Le vecteur INCLUDEPICTURE "http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/physique/Tp-phys/Prem/rotation1/Image22.gif" \* MERGEFORMATINET a donc pour coordonnées : INCLUDEPICTURE "http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/physique/Tp-phys/Prem/rotation1/Image23.gif" \* MERGEFORMATINET
Par définition, le vecteur vitesse INCLUDEPICTURE "http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/physique/Tp-phys/Prem/rotation1/Image24.gif" \* MERGEFORMATINET à l'instant ti est égal à : INCLUDEPICTURE "http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/physique/Tp-phys/Prem/rotation1/Image25.gif" \* MERGEFORMATINET
Le vecteur vitesse INCLUDEPICTURE "http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/physique/Tp-phys/Prem/rotation1/Image24.gif" \* MERGEFORMATINET a donc pour coordonnées : INCLUDEPICTURE "http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/physique/Tp-phys/Prem/rotation1/Image26.gif" \* MERGEFORMATINET
Calcul sous Excel
Calculer le rayon r du point choisi sur Aviméca en fonction de x et de y.
Calculer sur Excel la composante de la vitesse sur l'axe (Ox) appelée Vx : INCLUDEPICTURE "http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/physique/Tp-phys/Prem/rotation1/Image27.gif" \* MERGEFORMATINET Quelle est son unité ?
Calculer sur Excel la composante de la vitesse sur l'axe (Oy) appelée Vy. INCLUDEPICTURE "http://www.ac-nancy-metz.fr/enseign/physique/Tp-phys/Prem/rotation1/Image28.gif" \* MERGEFORMATINET Quelle est son unité ?
Calculer alors la norme V de la vitesse ? Quelle est son unité ?
Etude de la vitesse
Afficher la courbe V = f(t). Conclusion.
Quelle est la relation entre la vitesse radiale et la vitesse angulaire w .
Calculer alors sous Excel la vitesse angulaire w . Quelle est son unité ?
En déduire la vitesse de rotation w en tr.min-1.
Calculer une valeur moyenne de w . Conclure.
Le disque tourne à 68 tr.min-1. Calculer l'erreur relative.
Les interactions fondamentales (3 hce, 1 TP)
Activité (0.5 h)
"De quoi le monde est-il fait ?" et Qu'est-ce qui le maintient uni ?"
( La description de la matière utilise très souvent le modèle corpusculaire de latome, dont la représentation a évoluée au cours des siècles.
En seconde vous avez abordé létude de la constitution de latome.
Nous venons détudier lexistence de la force électrostatique entre charges électriques.
En seconde nous avons étudié la force dinteraction gravitationnelle qui sexerce entre deux corps.
( problème :
De linfiniment grand à linfiniment petit, la matière reste unie !
A laide de ce travail vous donnerez les éléments de réponse à la question suivante :
« Comment est assurée la cohésion de la matière à léchelle astronomique, à léchelle de latome et de la molécule, à léchelle du noyau ? »
Au cours de cette séance, vous allez rechercher à laide de revues, de livres, dictionnaires, encyclopédies et dInternet des réponses à cette question.
Attention :
1.Vous devez utiliser au moins 3 sources dinformation parmi celles ci par exemple revue, livre, dictionnaire, Internet.
2. Vous rendrez un mini dossier pour 3ou4 élèves à la fin de la séance ( 2 à 3 pages ) dans lequel doit figurer :
Titre, plan
Bibliographie : elle doit obligatoirement figurer dans votre compte rendu. Il faut donner les références précises ( pour Internet : adresse ; pour un livre : titre, auteur, éditeur, pages ; pour une revue : date de parution ou son numéro et pages ; pour un CD ROM : référence.)
Les dates des travaux et des modèles cités, leurs auteurs.
Vous utiliserez les réponses préparées dans le travail demandé avant la séance comme arguments.
3.Si cela vous permet dexpliquer ou dillustrer une notion, vous pouvez joindre, illustrations et(ou) un graphique avec une légende.
Barème : ce sont des indications pour vous guider dans votre travail.
( utilisation correcte des documents : il y a lensemble des éléments de la réponse, ceux ci sont bien compréhensibles par lensemble de la classe
/5( ces éléments sont bien ordonnés pour construire une réponse claire
/4( correction du français/3( correction scientifique (les définitions nécessaires sont fournies, pas dintrus, derreurs) /4( soin, présentation, bibliographie/4note
Informations sur ce travail :
Dans le programme, plusieurs activités documentaires apparaissent. Il peut être intéressant daccompagner les élèves pour une recherche documentaire de type scientifique en début dannée. Il faut tenir compte des possibilités pour mettre en place cette activité : CDI, Salle informatique, préparation des élèves.
Il est sans doute souhaitable dencadrer cette recherche en T.P.
Pour faire ce travail, il est intéressant de limiter le sujet ( cf programme) et de préparer les élèves à la question qui leur est posée dans la recherche.
Les groupes de travail sont définis au préalable, ce qui permet de répartir les questions entre chaque élèves dun groupe
Limitations du sujet : Il ne convient pas daborder les questions qui ne peuvent être traitées quà laide de la mécanique relativiste ou quantique, la notion dinteraction faible.
Pour le recherche Internet, les élèves doivent avoir des mots clés ou des adresses de site
quelques mots clés :
quark, interaction forte, modèle standard, Bohr, Chadwick, Gell Mann
adresses :
liste indicative de sites sélectionnés :
HYPERLINK http://public.web.cern.ch/Public/SCIENCE/Welcome_fr.html http://public.web.cern.ch/Public/SCIENCE/Welcome_fr.html
HYPERLINK http://www.sfrs.fr/e-doc/forces http://www.sfrs.fr/e-doc/forces
HYPERLINK http://www.lal.in2p3.fr/CPEP/adventure.html/ http://marwww.in2p3.fr/voyage/frames.html
HYPERLINK mailto:dcom@portos.cea.fr mailto:dcom@portos.cea.fr
HYPERLINK http://mendeleiev.cyberscol.qc.ca/carrefour/rescol99/atome.html http://mendeleiev.cyberscol.qc.ca/carrefour/rescol99/atome.html
http://www.palais-decouverte.fr/actu/dossiers.htm#
quelques questions préliminaires à traiter avant la séance :
Données :
G = 6,67 .10-11 U.S.I, masse (neutron ou du proton ) = 1,67 10-27 kg ; EMBED UnknownEMBED UnknownU.S.I
Le noyau est assimilé à une sphère, de rayon R = 1,2 10-15 A 1/3 ; A est le nombre de nucléons.
Le rayon de latome dhydrogène = RH = 50.10-12 m
1. Définir le mot cohésion au sens physique du terme.
2. a) Faire le schéma dun noyau de carbone 12 en représentant les charges positives (protons) par un+ et les neutrons par un point.
b) Calculer la valeur de la force électrique entre deux protons. Vous préciserez comment vous évaluez la distance.
c) Calculer la valeur de la force dinteraction gravitationnelle entre 1proton et 1neutron ; entre deux protons .
Ces forces sont elle dattraction ou de répulsion ?
Que pensez-vous des chances dexister de ce noyau dans le cas où seules ces forces existeraient ?
3. Faire le schéma dun atome dhydrogène. Vous préciserez lordre de grandeur du rayon de latome et du noyau.
b) Calculer la valeur de la force électrique sexerçant entre le proton et lélectron.
c) Calculer la valeur de la force dinteraction gravitationnelle entre 1proton et 1électron .
Que pensez - vous des chances dexister de cet atome ?
4. a) Faire le schéma de lensemble « Terre - Lune », en donnant la valeur de la distance centre de la terre, centre de la lune.
b) Calculer la valeur de la force dinteraction gravitationnelle entre ces deux objets .
Pourquoi la Lune tourne t elle autour de la terre ?
Quelques éléments de réponse à propos de linteraction forte :
LES 4 INTERACTIONS FONDAMENTALES :
Maintenant il semblerait que toute la matière connue soit construite à partir d'un petit nombre de particules différentes maintenues ensemble par quelques forces fondamentales. Malgré la grande variété des forces que l'on peut rencontrer dans l'univers, tous les phénomènes connus actuellement peuvent être expliqués à l'aide de seulement quatre forces fondamentales, on parle alors d'interactions fondamentales.
Tous les processus physiques, chimiques ou biologiques peuvent être expliqués à l'aide de ces interactions fondamentales :
la gravitation, qui explique la pesanteur (donc le poids) mais aussi les marées ou les trajectoires des planètes ou des étoiles,
l'interaction électromagnétique, qui permet d'expliquer l'électricité, le magnétisme, la lumière, les réactions chimiques ou la biologie (en fait quasiment tous les phénomènes de la vie courante),
l'interaction forte, qui explique la cohésion des noyaux atomiques (donc l'existence de la matière que nous connaissons). L'interaction forte est une interaction qui nexiste quà l'intérieur des noyaux atomiques (tout comme l'interaction faible). C'est pourquoi elle n'est connue que depuis quelques décennies.
l'interaction faible, qui permet d'expliquer une certaine forme de radioactivité et permet au Soleil de « briller », sujet que nous ne traiterons pas.
« sur les traces de linvisible » document IN2P3 exposition automne 1997 CCST Grenoble »
Le noyau et linteraction forte :
II.1 De plus en plus petites :
Toute la matière que nous connaissons actuellement dans l'Univers est faite à partir d'une centaine de types d'atomes, chacun d'entre eux étant fait d'électrons de charge électrique négative en mouvement autour d'un noyau chargé positivement.
Ce noyau est comme une poupée russe qui contient des poupées de plus en plus petites : le noyau contient des nucléons, qui renferment chacun trois quarks. Il y a deux sortes de nucléons : les protons, chargés positivement et les neutrons qui sont neutres. Dans ce minuscule volume, non seulement les protons se repoussent très fortement car ils sont porteurs de charges électriques de même signe (voir calcul du travail de préparation), mais protons et neutrons se déplacent à plus de 30 000 km/s (plus d'un dixième de la vitesse de la lumière, soit le tour de la terre en 1,34 seconde) !
II.2 le noyau est stable grâce à
.
Pourtant, le noyau de la plupart des atomes est stable et garde sa cohésion. Une force colossale fait s'attirer les nucléons bien plus fortement que la force électrique ne fait se repousser les protons. Cette force nucléaire ou interaction forte qui maintient la cohésion des noyaux est la plus puissante des quatre interactions ou forces fondamentales de la Nature.
II.3. Historique :
En 1911, Ernest Rutherford montra l'existence d'un noyau dans les atomes.
Les neutrons furent découverts en1932 par Chadwick, les noyaux sont alors décrits comme étant formés de protons (de charge électrique positive) et de neutrons (électriquement neutres comme leur nom l'indique). Les physiciens pensaient que ces particules étaient élémentaires, c'est à dire qu'elles étaient indivisibles, qu'elles n'avaient pas de structure interne.
A cette époque, seulement deux interactions fondamentales (la gravitation et l'électromagnétisme) sont connues.
Daprès les calculs du travail de préparation, le noyau ne devrait pas pouvoir exister :
( La gravitation est beaucoup trop faible,
( Linteraction électromagnétique nagit pas sur les neutrons.
( La répulsion électrostatique des protons entre eux (ils ont tous une charge électrique positive) devrait faire exploser le noyau atomique.
Il fallut donc introduire une nouvelle force capable d'assurer la cohésion de ces noyaux: la force nucléaire .
En 1964, Murray Gell-Mann et George Zweig émirent l'hypothèse que les protons, les neutrons et les très nombreuses particules récemment découvertes n'étaient pas des particules élémentaires mais plutôt des objets complexes constitués de particules plus petites appelées quarks.
L'interaction forte s'applique aux quarks et uniquement aux quarks.
Actuellement, les physiciens nucléaires continuent leur recherche.
II.4. Les quarks :
La taille des quarks : La taille d'un nucléon est d'environ 10-15m.
Un quark est théoriquement une particule ponctuelle, elle ne doit donc pas avoir de taille... En tout cas, si les quarks ont une taille, elle est inférieure à 10-18m, soit au moins mille fois plus petite que le nucléon !
En fait, un quark est défini comme étant une particule sensible à l'interaction forte...
Les électrons, ne sont pas des quarks, ils sont insensibles à l'interaction forte.
Les effets de l'interaction forte se font sentir entre particules composées de quarks (les hadrons), comme par exemple entre les protons, les neutrons.
II.5. Comment agit linteraction forte ?
L'interaction forte possède une propriété très particulière : elle se comporte à linverse de l'interaction électromagnétique ou de la gravitation.
En effet, dans le cas de ces interactions familières, la force diminue avec la distance entre les objets en interaction ( lexpression de la valeur de la force fait intervenir un terme en 1/d2).
Au contraire, l'interaction forte est une force qui augmente avec la distance.
Donc plus les quarks sont proches les uns des autres moins ils interagissent. Deux quarks infiniment proches n'interagissent plus du tout entre eux: ils sont libres pour une distance infiniment proche de zéro. Ce comportement pourrait être comparé à celui de deux billes jointes par un ressort: plus les billes sont éloignées l'un de l'autre plus le ressort tente de les rapprocher alors que si les deux billes sont l'une contre l'autre le ressort n'agit plus.
Cette propriété a une conséquence très importante :
Il faut une très grande énergie pour séparer 2 quarks il est donc impossible d'observer un quark libre, c'est à dire seul.
Linteraction forte est l'interaction fondamentale qui a l'intensité la plus importante, ce qui permet de contrer la répulsion électrostatique entre les protons dans les noyaux atomiques.
Linteraction forte permet également de comprendre certains phénomènes ayant lieu au cur des étoiles. Principalement la transformation de l'hydrogène en hélium. Or cette transformation est à la source de l'énergie que les étoiles rayonnent. L'interaction forte contribue donc aussi à faire briller le Soleil.
II.6. les limites :
Cependant certains noyaux ne sont pas stables : la répulsion entre les protons nest plus compensée par linteraction forte. Cest le cas des noyaux après luranium.
II.7. les expériences
.
Le noyau est un objet complexe, il ne peut pas être décrit à laide dun seul modèle. Pour létudier, il faut utiliser des méthodes indirectes. Les chercheurs bombardent les noyaux et en déduisent certaines propriétés..
Les accélérateurs de particules permettent de mettre en uvre des expériences de ce type.
Bibliographie : voir liste des sites Internet ; en particulier CEA, CERN, IN2P3
structure de la matière
Objectifs:
Montrer que de l'atome aux systèmes astronomiques, la matière est constituée à partir de neutrons, protons et électrons.
Site web: HYPERLINK "http://www.in2p3.fr" http://www.in2p3.fr
Choisir: Voyage au cur de la matière.
Rappels de seconde: Recherche personnelle
En utilisant les documents de seconde ou toute autre référence, compléter le tableau suivant.
QuestionsRéponses
Quels sont les constituants de l'atome ?
..................................................................................
..................................................................................
..................................................................................
Définition du numéro atomique
..................................................................................
Définition du nombre de masse
...................................................................................
Qu'est-ce qu'un nucléon ?
...................................................................................
Définition d'isotope
.................................................................................
Structure de la matière
Compléter les tableaux suivants:
QuestionsRéponses
Quel est le plus petit morceau de fer possible ?
..................................................................................
En utilisant le tableau de classification périodique,
Retrouver le numéro atomique de l'élément fer.
Retrouver également le nombre de masse de l'isotope le plus abondant.
En déduire la carte de visite de l'atome de fer:
Nombre de protons
Nombre de nucléons
Nombre de neutrons
Nombre d'électrons
...............................................................................
...............................................................................
................................................................................
................................................................................
................................................................................
................................................................................
QuestionsRéponsesQuelle est la plus petite partie d'eau possible ?Quels en sont les constituants ?
En utilisant le tableau de classification périodique,
Retrouver le numéro atomique du premier élément.
Retrouver également le nombre de masse de son isotope le plus abondant.
En déduire la carte de visite de l'atome:
Nombre de protons
Nombre de nucléons
Nombre de neutrons
Nombre d'électrons
.................................................................................
...................................................................................
............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................
En utilisant le tableau de classification périodique,
Retrouver le numéro atomique du deuxième élément.
Retrouver également le nombre de masse de son isotope le plus abondant.
En déduire la carte de visite de l'atome:
Nombre de protons
Nombre de nucléons
Nombre de neutrons
Nombre d'électrons
.................................................................................
...................................................................................
............................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................
Conclusion:
La matière peut être considérée comme un assemblage à partir de constituants élémentaires:
............................ .............................. ..........................
Cours (2.5h)
La matière
Structure granuleuse.
Les molécules, les atomes, les particules de latome.
Lainé de la famille : lélectron :
Découvert par Joseph John THOMSON en 1897 lélectron est une particule élémentaire car on na pas pu le couper ni le faire éclater.
Carte didentité : charge : q=-e = -1,6.10-19C (e= charge élémentaire)
Masse : m= 9,1.10-31 kg
Taille : d= ? inconnue
Le proton :
Mis en évidence dans le noyau par lexpérience de RUTHERFORD (1911) son nom est associé au noyau de latome dhydrogène en 1920. Nous considèrerons le proton comme une particule élémentaire car son rôle dans la matière est essentiel.
Carte didentité : charge q= +e = +1,6.10-19C
Masse m= 1,67.10-27 kg
Taille d= 10-15 m
3)Le neutron :
Mis en évidence par James CHADWICK en 1935 dans le noyau, il sera lui aussi considéré comme élémentaire.
Carte didentité : charge : q=0 C
Masse : m= 1,67.10-27 kg
Taille : d= 10-15 m
Pour aller plus loin
Les protons et les neutrons ne sont plus en fait des particules élémentaires puisquon a mis en évidence les « Quarks » , confinés à lintérieur des nucléons sans pouvoir en sortir.
Ils ont des dimensions supposées de lordre de 10-31 m ! !
Au début de notre XXI° siècle le nombre de particules élémentaires est en fait de 34 ! 17 particules et 17 antiparticules.
Sont-elles toutes utiles pour créer la matière ?
Pour créer une vache il suffit de quarks « up », « down » , délectrons et de la colle à particules.
Avec les quarks on fait des protons et des neutrons
Avec les nucléons et les électrons on fait des atomes
Avec les atomes on fait des molécules et des ions
Avec les molécules on fait des cellules
Puis enfin on crée une vache !
Linteraction de gravitation
Cest la plus faible et elle est toujours attractive. Mise en équation par NEWTON en 1687, elle sexerce sur tout objet ayant une masse. Elle est responsable de la formation des étoiles , de la rotation des planètes, de la chute des pommes... Ses caractéristiques sont :
Direction : droite liant les deux centres dinertie
Sens : du corps qui subit vers celui qui crée la force
Norme :
M Fm/M = G .M.m/d² = FM/m
M G = 6,67.10-11 USI
Fm/M FM/m
Pour des particules de masses trés faibles elle devient négligeable.
On lui doit toutes les structures de lunivers
Sa portée est quasiment infinie, le Soleil exerce une action sur Terre à 150 Mkm. Il y a sans doute un trou noir au centre de la galaxie qui piège des M détoiles.
Son intensité est assez faible : on peut la vaincre avec un effort musculaire
Elle concerne tous les objets massifs ! Cest Newton qui en fait la théorie en 1680 ?
Linteraction électromagnétique
Longtemps considérées comme des parties indépendantes de la physique, loptique, lélectricité et le magnétisme ont été unifiées sous lappellation électromagnétisme. La force électromagnétique est responsable de tout ce que nous voyons, sentons, touchons à notre échelle (chimie, lumière, couleurs, odeurs, dureté, chaud, froid...). Elle agit sur tous les corps ayant une charge électrique. Elle est attractive ou répulsive. Ses caractéristiques sont :
Direction : droite QQ
Sens : dépend du signe des charges
norme : F q/q = K.Q.Q/d² = F q/q
K = 9.109 USI
q Fq/q Fq/q q
Cette formule prédit quà lintérieur dun noyau les protons doivent se repousser !
Elle ne concerne que les objets électrisés.
On lui doit toute la structure de la matière ; cest grâce à elle quexistent les atomes, les molécules, les solides les liquides et les gaz.
Son intensité est plus grande que linteraction de gravitation : linteraction de gravitation entre 1p et 1e- est insignifiante devant linteraction électromagnétique qui crée latome.
Sa portée et de la dimension de latome : le nm environ.
Les interactions nucléaires
Il y en a deux, la plus simple à comprendre est linteraction forte.
On lui doit les particules élementaires, proton, neutron qui sont constituées de quarks attachés entre eux par linteraction forte.
Elle est plus forte que linteraction électromagnétique,( en effet elle attire p et p dans le noyau malgré la répulsion coulombienne. cest linteraction la plus forte.
Comparaisons.
Comparaision des inter actions
interaction
portéeIntensité relativemessageracteursGravitationnelle
Infinie
10-38Graviton ?Toutes particulesélectromagnétique
Infinie
10-2photonToute particule chargéeNucléaire forte
10-13cm
1gluonsnucléonsNucléaire faible
10-16cm
10-7bosonsnucléons
La force électromagnétique et la gravitation dans latome dhydrogène
Quelques heures après le bigbang, la matière est diluée dans lespace naissant en particules indépendantes.
De grands nuages de gaz hydrogène sont formés et sagglomèrent par linteraction de gravitation.
La gravitation donne naissance à dimmenses objets condensés.
Linteraction électromagnétique donne naissance à latome dhydrogène
TP : interaction électrostatique (2h)
Auteur : HYPERLINK "mailto:michel.maussion@physique.univ-nantes.fr" michel.maussion@physique.univ-nantes.fr
Matériel
Trois pailles, des morceaux de papier et de feuille daluminium
Lélectroscope à réaliser
Du fil de nylon et du fil de coton
De la pate à modeler
Attraction et réplusion dobjets
Une paille en plastique est frottée avec un mouchoir en papier. Elle est approchée de petits morceaux de papier et daluminium. Observation
Une petite sphère de polystyrène est approchée dune paille en plastique. Observation
Tourner les pages dun livre avec une paille en plastique ?
Peut-on observer une répulsion ? comment lexpliquer ?
Un ballon frotté avec un mouchoir en papier. Observation.
Lélectroscope construction
Liste du matériel
Pour un support :
Un tube de dentifrice usagé,
une paille en plastique articulée,
un peu de plâtre,
un récipient, un peu d'eau et une spatule.
Pour l'électroscope :
Un petit pot en verre à col large et un boitier de CD (pour remplacer le couvercle s'il est métallique).
20 cm de fil de cuivre rigide de section 1 ou 1,5 mm2, fil gainé comme ceux utilisés dans les installations électriques domestiques,
3 à 4 cm de fil de cuivre fin (0,4 à 0,6 mm de diamètre sans la gaine) de préférence argenté (ce fil peut provenir d'un câble miltibrins),
une feuille d'aluminium ménager,
quelques épingles,
et le capuchon du tube dentifrice.
Réalisation
Enlevez 12 cm de la gaine du fil de cuivre. Coudez à angle droit la partie dénudée. Enroulez-la en spirale. Coupez la partie droite en fonction de la hauteur de votre pot et dénudez l'extrémité sur 3 mm.Percez le centre du couvercle isolant au diamètre de la gaine du fil de cuivre. Fixez-le avec un point de colle de chaque côté.Bobinez le fil fin nu sur la partie inférieure en terminant par un crochet presque fermé.Pliez en deux sur un papier épais un morceau de feuille d'aluminium. Découpez un trapèze presque triangulaire.Redécoupez en forme de poire et trouez.Accrochez.L'électroscope est terminé.
Lélectroscope utilisation
Observation
Que montre-t-il ?
Fonctionnement ?
Le signe des charges
Insérez une des extrémités du ruban dans la paille du support et l'autre dans la borne +. Laissez le fil de la borne - (COM) courir sur la table. Sélectionnez le calibre 200 mV =. Approchez rapidement l'objet chargé de la partie supérieure du support : le signe fugitif qui apparaît est celui de la charge. Retirez l'objet chargé : c'est pendant un instant le signe opposé.
Conduction
Préparation
Prenez une feuille de papier A4 et découpez dans le sens de la longueur une bande de 1 à 2 mm de large.
Insérez une des extrémités de ce ruban dans la paille d'un support et l'autre entre les spires du plateau.
Expérience
Électrisez une autre paille et placer-la très près du sommet de la potence : les feuilles s'écartent lentement. Retirez la paille chargée : les feuilles retombent lentement.
Dévier un filet deau sans le toucher ?
Frottez une "paille" en plastique avec un mouchoir en papier. Approchez-la d'un filet d'eau : il est puissamment dévié.
Interprétation ?
Electrisation par influence
Approchez une paille électrisée d'un côté du plateau de l'électroscope. Observation ?
Retirez la paille. Observation ?
Touchez du doigt lélectroscope pendant linfluence et retirez la paille, Observation et conclusion ?
Le carillon électrostatique
Préparez une sphère en polystyrène expansé recouverte d'aluminium et suspendez-la à un support par un fil de nylon très fin. Placez-la entre deux petits carrés ou disques de papier épais sur lesquels vous aurez collé, d'un seul côté, une feuille d'aluminium. Approchez rapidement une paille bien chargée : la boule fait plusieurs aller et retour entre les deux plaques. Retirez la paille : la boule recommence.
La cage de Faraday
Chargez une paille et approchez-la du plateau : les feuilles s'écartent.
Retournez la capuche sur le plateau Approchez la paille chargée : les feuilles restent collées.
Leffet de pointes
Comparer lélectrisation obtenue avec et sans pointes.
Conclusion ?
Historiquement, Benjamin Franklin découvre le pouvoir des pointes et, après avoir prouvé la nature électrique de l'éclair, invente le paratonnerre en 1752.
Forces macroscopique et équilibre dun solide
Activités
Activité 1 Lancer et réception dun médecine-ball
Lancer le médecine-ball à la verticale et le rattraper.
1°. Repérer et noter le (ou les) moment(s) où vous exercez une action sur le médecine-ball, préciser chaque fois dans quelle direction et dans quel sens s'exerce cette action sur le médecine-ball.
2°. Repérer différentes phases dans le mouvement du médecine-ball et les décrire (on se contente détudier le mouvement de son centre). Pour chacune des phases, préciser comment varie la valeur de la vitesse du médecine-ball.
(....)
3°. On s'intéresse à la phase de lancer du médecine-ball (tant que les mains sont en contact avec le médecine-ball).
a) Faire le diagramme médecine-ball interactions.
b) En vous aidant de vos sensations, faire le schéma des forces qui s'exercent sur le médecine-ball (on ne demande pas d'utiliser une échelle précise mais on indiquera les différences éventuelles d'intensité des forces par des longueurs différentes). On pourra négliger les frottements de l'air et représenter le médecine-ball et son centre dinertie.
c) Indiquer sur un autre schéma la direction et le sens du vecteur vitesse durant cette phase.
d) Indiquer comment évolue la valeur de la vitesse durant cette phase.
(....)
4°. Compléter le tableau ci-dessous en répondant aux mêmes questions pour les trois autres phases du mouvement du médecine-ball.
LancerAscensionDescenteRéception
Représentation des forces
Représentation de la vitesse
Variation de la valeur de la vitesse
(augmente, diminue ou reste constante)
Conclusion : en utilisant la partie « somme des forces » du modèle, répondre à la question suivante : parmi les liens proposés ci-dessous entre la somme des forces exercées et le mouvement, indiquer celui (ou ceux) qui vous semble(nt) en accord avec le tableau.
La somme des forces est liée
SYMBOL 113 \f "Wingdings" \s 14q au sens de la vitesse.
SYMBOL 113 \f "Wingdings" \s 14q à la valeur de la vitesse.
SYMBOL 113 \f "Wingdings" \s 14q au changement de sens de la vitesse.
SYMBOL 113 \f "Wingdings" \s 14q à la variation de la valeur de la vitesse.
Activité 2
On lance une balle. Un logiciel permet de tracer différentes positions de cette balle à des intervalles de temps réguliers ainsi que la vitesse de la balle pour chacune de ces positions (voir document ci-dessous).
1°. Faire l'inventaire des forces qui s'exercent sur le système « balle ». En faire la représentation en position 4.
2°. Tracer le vecteur « variation de vitesse » Dðv entre les positions 1 et 2 : Dðv = v2 - v1.
Tracer de la même façon v3 - v1, v4 - v1, v5 - v1, v6 - v1, puis la variation de vitesse entre n importe quelles positions i et j. Que peut-on dire des différents vecteurs Dðv ?
3°. Comparer la direction et le sens des vecteurs "variation de vitesse" avec la direction et le sens du vecteur "somme des forces" et vérifier que ceci précise la conclusion de l'activité 1.
(....)
Exercice
On reprend la situation de lactivité 1 (lancer et réception du médecine-ball) dans le but suivant : vérifier comment le résultat auquel nous sommes parvenus à la fin de lactivité 2 sy applique.
1°.Rappeler ce résultat.
2°. On sintéresse au lancer (phase I). Représenter la vitesse du centre dinertie du médecine-ball en deux points successifs M1 et M2 de son mouvement. On se contentera de donner aux vecteurs v1 et v2 une longueur qui traduise correctement la façon dont . Représenter le vecteur variation de vitesse Dðv = v2 - v1. La représentation de Dðv est-elle conforme à ce que pouvait laisser prévoir la conclusion rappelée ci-dessus ?
3°. Faire le même travail pour chacune des trois autres phases du mouvement du médecine-ball.
4°. Vérifier également que cette conclusion rend bien compte du changement de sens de la vitesse lorsque le médecine-ball passe par le point le plus élevé de sa trajectoire. Choisir pour cela un point M1 avant le passage par le sommet et un point M2 situé après.
Conclusion
(....)
Exercice
On reprend la situation de lactivité 1 (lancer et réception du médecine-ball) dans le but suivant : vérifier comment le résultat auquel nous sommes parvenus à la fin de lactivité 2 sy applique.
1°.Rappeler ce résultat.
2°. On sintéresse au lancer (phase I). Représenter la vitesse du centre dinertie du médecine-ball en deux points successifs M1 et M2 de son mouvement. On se contentera de donner aux vecteurs v1 et v2 une longueur qui traduise correctement la façon dont . Représenter le vecteur variation de vitesse Dðv = v2 - v1. La représentation de Dðv est-elle conforme à ce que pouvait laisser prévoir la conclusion rappelée ci-dessus ?
3°. Faire le même travail pour chacune des trois autres phases du mouvement du médecine-ball.
4°. Vérifier également que cette conclusion rend bien compte du changement de sens de la vitesse lorsque le médecine-ball passe par le point le plus élevé de sa trajectoire. Choisir pour cela un point M1 avant le passage par le sommet et un point M2 situé après.
Activité 3 Modèle des lois de la mécanique appliqué à un jouet retenu par un fil
On lance maintenant un petit véhicule roulant accroché à un fil. Le fil est d'abord détendu puis se tend. On néglige les frottements.
1°. Faire un schéma des forces qui s'exercent sur le véhicule :
- avant que le fil soit tendu :
- après que le fil soit tendu.
2°. Étude du mouvement
Décrire les deux phases du mouvement.
(....)
Un logiciel de simulation a permis de tracer la trajectoire et différentes positions du véhicule à des intervalles de temps réguliers. Les frottements n'ont pas été simulés. Le résultat est fourni ci-dessous. Léchelle est égale à 1 et la durée entre deux positions successives est de 64 ms.
1°. Tracer un vecteur vitesse du véhicule en un point de la première partie de trajectoire.
2°. Tracer deux vecteurs vitesse en deux points différents de la deuxième phase de la trajectoire.
(....)
3°. Somme des forces et mouvement
Le logiciel de simulation permet de tracer précisément la vitesse en chaque point. Le résultat est fourni dans le document distribué.
a) Tracer à partir de la position 6, le vecteur "variation de vitesse" Dðv entre les positions 5 et 7 : Dðv = v7 - v5
b) Indiquer le sens et la direction du vecteur "somme des forces" à la position 6.
c) Comparer la direction et le sens des deux vecteurs "variation de vitesse" et "somme des forces" et vérifier que ceci généralise la conclusion de l'activité 1.
Activité 4 : pousser sur un mur
Situation 1
Un élève, debout sur le sol, pousse horizontalement sur un mur (vertical)
(Présentation 1 point)
1°. Réaliser l'expérience (vous avez le droit de pousser fort !) et décrivez en quelques phrases ce que vous ressentez (0,5 point).
2°. Faire le diagramme élève interactions puis faire linventaire des forces qui s'exercent sur le système «élève ». Nommer chacune des forces en précisant quel système exerce et quel subit chacune delles (0,5 +0,5 points). EMBED Word.Picture.6 3°. En vous servant de l'expérience que vous venez de faire, proposer une représentation de la force exercée par le sol sur l'élève (1 point) en expliquant ce qui vous a poussé à proposer cette réponse (1 point).
4°. En utilisant les lois de la mécanique, dites si les forces qui sexercent sur lélève se compensent ou si elles ne se compensent pas. Indiquer la (ou les) loi(s) au(x)quel(les) vous vous référez pour répondre (1,5 points).
5°. (Attention, pour répondre à cette question vous devrez prendre en compte vos réponses précédentes). Représenter (à une échelle que vous indiquerez) toutes les forces qui s'exercent sur l'élève. Vous pourrez donner successivement deux réponses :
- pour lune, lélève sera schématisé (les pieds joints) et vous représenterez les forces en tenant compte de lendroit où elles sexercent (2 points) ;
- pour lautre, lélève sera représenté par son centre dinertie et tous les vecteurs auront cette origine (2 points).
(....)
Situation 2 : lélève pousse plus ou moins fort, essaie différents revêtements de sols ou différentes semelles ou même chausse des rollers (ou monte sur une planche à roulettes)
Comment le schéma précédent est-il modifié lorsque vous poussez plus fort sur le mur ? lorsque vous poussez moins fort ?. Faire deux représentations (à léchelle) des forces correspondants à deux « poussées différentes » (2 points)
Quest-ce qui change lors de lexpérience et sur le schéma lorsque vous poussez sur le mur en étant debout sur une planche à roulettes ? (2 points).
Outil mathématique qui peut vous être utile
Tout vecteur peut être décomposé suivant deux axes perpendiculaires. On appellera les projections ux et uy de ce vecteur sur ces axes, les composantes de ce vecteur.
Activité 5 : utilisation (inhabituelle) dun pèse-personne
Description de la situation
Un élève se tient debout sur un pèse-personne en tenant un bâton.
- Dans la situation 1, il porte simplement le bâton à la main ;
- Dans la situation 2, avec le bâton, il appuie (fermement) sur le sol ;
- Dans la situation 3, avec le bâton, il appuie (fermement) au plafond ;
- Dans la situation 4, avec le bâton, il appuie (fermement) sur le pèse-personne.
Travail demandé
- Analyser les situations à laide du modèle des lois de la mécanique afin de classer à priori les situations par ordre croissant de lindication du pèse-personne ;
- Faire lexpérience et comparer si les indications du pèse-personne conduisent au classement prévu.
Pour pouvoir mieux discuter en groupe entier des réponses des différents binômes, nous choisirons dans un premier temps le même élève (masse = 60 kg) et nous admettrons que lintensité de la force quil exerce sur le bâton dans les situations 2, 3 et 4 est chaque fois de 100N. On néglige la masse du bâton devant celle de lélève.
Vous pouvez utiliser un pèse-personne dont les indications ont été masquées et faire les expériences pour mieux analyser les différentes situations.
(....)
Cours : forces macroscopiques et équilibre
Interactions entre objets
Interaction magnétique entre un aimant et un clou.
Interaction électrique entre une règle en plastique et un morceau de polystyrène
Action entre deux personnes par lintermédiaire dune corde.
Résumé
Il ny a pas dactions isolées mais des actions réciproques ou des inter actions.
Il existe des interactions de contact et des interactions à distances.
Exemples.
Modélisation d'une action mécanique
On a vu qu'il existe des interactions de contact quand les systèmes en interaction se touchent. D'autres interactions s'exercent à distance. On dit que les effets d'une action exercée par un corps A sur un corps B sont dus à la force XE "force:définition" exercée par A sur B notée EMBED Equation.3 (ou EMBED Equation.3 ou EMBED Equation.3 ). Lunité de la force est le Newton de symbole N. Les propriétés mathématiques d'une force sont celles d'un vecteur. La norme du vecteur force est souvent appelée son intensité.
Force et somme des forces
Quand un système X est en interaction avec un système A, on appelle force exercée par A sur X l'action de A sur X.
Pour représenter une force, on représente souvent le système sur lequel elle sexerce par son centre dinertie auquel on attribue la masse du système.
On fait figurer ensuite la force exercée par A sur X par le représentant dun vecteur accompagné du symbole ci-contre et dont les caractéristiques sont les suivantes :
- son origine est le point représentant le système ;
- sa direction et son sens sont ceux de la force ;
- sa longueur est proportionnelle à lintensité de la force.
Lensemble des forces exercées par différents systèmes sur le système X est équivalente à une force unique qui sexercerait sur le système X. Cette force unique sappelle somme des forces.
Le vecteur qui représente cette force unique est la somme des vecteurs représentant chacune des forces. Lorigine de tous ces vecteurs est au point représentant le système X.
Effet dune force sur le mvt dun solide
Résultante
Lorsque les forces sont concourante, on peut les remplacer par une seule force, somme vectorielle.
Si les forces ne sont pas concourantes, la résultante existe mais ne peut pas les remplacer
Mouvement de translation
Action de contact dun solide avec le support ; frottement.
Condition du mouvement, la force appliquée doit dépasser la force de frottement.
Rotation
Le solide doit posséder un axe fixe qui devient laxe de rotation
La résultante des force appliquées ne doit pas être parallèle à laxe et ne doit pas passer par laxe pour faire tourner le solide.
Actions localisées
Par l'intermédiaire d'un fil, on exerce une force sur un solide posé sur une table. Cette force est localisée au "point d'attache" du fil, c'est à dire une surface de contact très réduite par rapport aux dimensions du solide. Cette surface peut être assimilée à un point appelé point d'application de la force.
Le point d'application est A et on tire suivant la diagonale AC. Le solide se déplace en translation.
Le point d'application est B et on tire parallèlement à AC. Le solide effectue un mouvement complexe avec effet de rotation.
Il convient de différencier ces actions. Pour cela, on précise :
le point d'application de la force XE "force:point d'application" (ou son origine)
XE "force:direction" la XE "force:direction" direction, le XE "force:sens" sens et l'intensité de la force par un vecteur dont lorigine est le point d'application
Remarque Pour pouvoir mettre un solide en rotation autour dun axe fixe, la droite support dune force ne doit pas passer par laxe ni être parallèle à cet axe.
Actions réparties
Ces actions se manifestent dans deux cas :
1- XE "force:de contact" Action de contact, entre deux solides, réparties sur une surface assez grande. Ces actions correspondent à une répartition de forces s'appliquant aux différents points de la surface.
Exemples action du vent sur une voile ou action d'une voile sur le vent.
2- XE "force:à distance" Actions à distance s'exerçant sur tous les points constituant le système. Ces actions sont réparties dans tout le volume du solide.
Exemples la force de pesanteur qui attire un objet vers la terre ou la terre vers l'objet.
la force magnétique qui attire ou repousse deux aimants.
Les forces a connaître
Pour des raisons qui apparaîtront plus tard, on s'intéresse à des forces que l'extérieur exerce sur un solide.
Le poids
C'est la force XE "force:le poids" qu'exerce la Terre sur un solide. C'est une action à distance, toujours attractive et qui existe même lorsque le système n'est pas en contact avec le sol. Elle est répartie dans tout le volume du système.
En pratique, on ne représente que sa résultante qui est la somme vectorielle de toutes les petites forces qui s'exercent sur chaque point du système. Cette résultante apparaît alors comme une force localisée EMBED Equation .
La masse m d'un système est liée à la quantité de matière qui le constitue. Elle est invariable. Au contraire l'intensité du poids d'un système dépend du lieu où il se trouve et de sa masse :
EMBED Equation.3
Exemples g (Lune) = 1,62 m.s -2
g (Terre à Paris) = 9,81 m.s -2
g (dans l'espace loin de tout corps) = 0 m.s -2
Résumé point d'application : G le centre d'inertie du système
direction : verticale
sens : vers le centre de la Terre
intensité : P = m .g
XE "force:réaction d'un support" Réaction d'un support
Quand un solide est posé sur un support horizontal, il reste immobile. C'est donc que l'action du solide (son poids) est compensé par une (ré)action du support. C'est une force répartie sur toute la surface de contact, mais en pratique, on ne représente que sa résultante EMBED Equation .
Réaction du support sans frottements
La réaction est toujours normale au support. C'est pourquoi on la note EMBED Equation pour réaction normale.
Exemples
Résumé point d'application : le milieu de la surface de contact
direction : normale au support
sens : du support vers le système
intensité :
Réaction du support avec frottements
Il existe d'autres actions réparties sur la surface de contact entre le système et le support. Ces actions se réduisent à une résultante EMBED Equation , appelée force de frottement, exercées par le support sur le système. La réaction EMBED Equation du support est égale à la somme vectorielle de EMBED Equation .
Exemples
Résumé point d'application : le milieu de la surface de contact
direction : tangente au support
sens : opposé au glissement du système sur le support
intensité :
Sur une figure, on représentera EMBED Equation ou (EMBED Equation ) sachant que EMBED Equation .
XE "force:tension d'un fil" Tension d'un fil
Un système est attaché à un fil tendu. Le fil exerce sur le système une force EMBED Equation qui s'appelle la tension du fil.
Exemples
Résumé point d'application : le point d'attache du fil au système
direction : celle du fil
sens : du solide vers le fil
intensité :
XE "force:tension d'un ressort" Tension d'un ressort
Un ressort allongé ou comprimé exerce une force EMBED Equation que l'on appelle la tension du ressort. L'intensité de cette tension dépend de la variation de longueur (l du ressort et d'une constante k :
EMBED Equation
Exemples
Résumé point d'application : le point d'attache du ressort
direction : axe du ressort
sens : du solide vers le ressort en dilatation et du ressort vers le
solide en compression
intensité : T = k .(l - l 0) en dilatation et T = k .(l 0 - l) en compression
Poussée dArchimède
Origine de la poussée
Définition et intensité
Représentation
Equilibre dun solide
Quest-ce que léquilibre ?
Un solide est en équilibre sil est immobile ou en mvt rectiligne et uniforme par rapport à un ref galiléen.
Solide soumis à deux forces
Solides soumis à plusieurs forces concourantes
TP : Comment faire linventaire des forces responsables du mouvement dun objet ?
Objectifs
Amener les élèves à conditionner lexistence dune force à celle dune interaction
Apprendre à faire un inventaire complet et à modéliser une action mécanique par une force.
Activité : approche intuitive dun problème
Situation-problème proposée aux élèves qui formulent leur réponse sur un transparent par exemple.
Un joueur lance verticalement vers le haut un médecine-ball.
Vous devez repérer et décrire les différentes phases dans le mouvement du médecine-ball entre le moment où il est tenu immobile dans les mains du joueur et celui où il est récupéré et immobilisé par ce dernier. (Vous pouvez vous aider en vous servant du médecine-ball mis à votre disposition).
Pour chacune des phases précisez :
- comment, selon vous, varie la vitesse du centre du médecine-ball ;
- quelles forces sexercent sur le médecine-ball ; les représenter sur une figure.
On attend les quatre phases du mouvement : le lancer, la montée, la descente et la réception.
Pb : On sattend à ce que des élèves appliquent une force verticale ascendante pendant la montée du médecine-ball en considérant que laction du lanceur continue à sexercer après que le médecine-ball a quitté ses mains.
Activité : détermination des interactions
Il sagit ici pour les élèves dapprendre à identifier toutes les interactions qui interviennent dans une situation donnée. Ils y sont aidés par un outil dinventaire appelé diagramme objets-interactions.
Document distribué aux élèves :
Diagrammes Objets-Interactions
Représentation des objets
EMBED Designer \s \* MERGEFORMAT
Objets
.. Terre et sol
Représentation du
système étudié
Représentation des interactions
A distance : EMBED Designer \s \* MERGEFORMAT
de contact : EMBED Designer \s \* MERGEFORMAT
avec frottements EMBED Designer \s \* MERGEFORMAT
Exemples:
Activité 3 : représentation des forces qui agissent sur le médecine-ball
Lobjet étudié (ici le médecine-ball) étant bien identifié, il sagit maintenant que les élèves apprennent à choisir, pour chaque interaction, laction convenable et de la modéliser par une force. ns
Des interactions aux forces
Modélisation dune action par une force
Linteraction dun objet X avec un objet A comporte toujours deux actions : celle de A sur X et celle de X sur A. On modélise laction de A sur X par un vecteur appelé « force de A sur X » et noté : EMBED Equation.3 . Sa valeur est exprimée en newton (N)
Lobjet X sur lequel sexerce la force est représenté par un point (.
On représente graphiquement la force EMBED Equation.3 en construisant à partir du point ( une flèche dont la direction et le sens sont donnés par les caractéristiques de laction correspondante (verticale pour la pesanteur, direction du fil pour un fil etc.) et dont la longueur est proportionnelle à la valeur de EMBED Equation.3 .
Exemples :
On peut commenter l'influence du sens de la résultante des forces sur l'évolution de la vitesse compte tenu du sens du mouvement.
TP : Force répartie et force localisée exercées sur un solide.
Le diagramme objet interactions
EMBED Designer \s \* MERGEFORMAT
Représentation des objets
Objets
.. Terre et sol
Représentation du
système étudié
Représentation des interactions
A distance : EMBED Designer \s \* MERGEFORMAT
de contact : EMBED Designer \s \* MERGEFORMAT
avec frottements EMBED Designer \s \* MERGEFORMAT
Un solide est suspendu à un ressort. Construire un diagramme objet interactions.
En conclusion représenter les forces exercées sur le solide. Précisez la nature de ces forces, à distance, localisée, répartie.
Le ressort
Le solide est en équilibre, pendu au ressort. Peut-on en déduire toutes les caractéristiques des forces appliquées ? Donnez les intensités des forces en Newton (N).
Etudier la relation entre la force exercée par le ressort sur le solide et lallongement du ressort, x=l-l0
Pouvez vous en déduire une caractéristique du ressort appelée constante de raideur k du ressort, exprimée en N.m-1.
Immersion
Le solide, pendu au bout du ressort est à présent immergé dans un verre deau. Lallongement est-il modifié ? Comment linterprétez vous ?
Faites un nouveau diagramme objet interactions ; une force nouvelle est-elle exercée ? Peut-on la déterminer complètement ? Est-ce une force à distance, localisée, répartie ?
Utilisez cette force pour calculer le volume puis la masse volumique de votre solide.
TP 4 Solide sur un plan incliné
EMBED Designer \s \* MERGEFORMAT
Représentation des interactions
A distance : EMBED Designer \s \* MERGEFORMAT
De contact : EMBED Designer \s \* MERGEFORMAT
Avec frottements EMBED Designer \s \* MERGEFORMAT
Objectifs: Utilisation du diagramme objet interaction ; Représentation des forces, coordonnées dune force, notion déquilibre.
Matériel : Un solide Un support plan inclinable dynamomètres et balance
Forces exercées
Le solide est déposé sur un plan incliné, retenu par un fil. Faire un diagramme objet interaction (voir ci-contre) où figureront les objets, le système et les interactions.
Utilisez le diagramme pour construire toutes les forces appliquées sur le solide.
La force de frottement
1. Pesez le solide
2. Mesurez la force de frottement statique maximale (valeur de la force minimale qui démarre le glissement du solide sur le support)
3. Mesurez la force de frottement dynamique (valeur de la force qui permet au solide de glisser à vitesse constante sur le support)
4. Le support étant maintenant incliné d'un angle að par rapport à l'horizontale, mesurez l'angle að m à partir duquel, le solide commence à glisser.
Analyse approfondie des forces
1 Préliminaires
Quel est l effet d une force ?
Qu est-ce que l équilibre d un solide ?
2. Représentez le solide et les forces qui s'exercent sur lui dans les situations suivantes :
a. Il est simplement posé sur le support horizontal
b. On exerce une force de traction ( EMBED Equation.3 ) mais il est toujours immobile sur le support horizontal
c. On exerce une force de traction ( EMBED Equation.3 ) qui lui permet de glisser à vitesse constante, sur le support horizontal
d. Il est immobile sur le support oblique incliné avec l'angle að tel que að est juste inférieur à að m
e. Il glisse sur le support incliné d'un angle bð ðtel que bð= ðað ð+ð ð20 °
3. Trouvez la valeur de la force de frottement dans le cas 1.d :
a. graphiquement
b. par calcul, dans ce cas on prendra að = ðað m
4 Notes importantes :
Pour chacune des réponses de la partie théorique, faites un schéma en utilisant les couleurs suivantes :
noire pour le poids
verte pour la force de traction
rouge pour la réaction du support
Les autres tracés se feront en pointillés
Utilisez la même échelle pour toutes les questions
Les réponses de la partie théorique utilisent les lois de l'équilibre et celles de Newton
Justifiez tous vos résultats et tracés (une seule fois suffira, pour l'ensemble des questions)
TP Equilibre dun solide
But :
Mettre en application les lois de léquilibre déjà esquissées dans le TP précèdent en utilisant une méthode graphique et une méthode analytique.
Travail à faire
Vous disposez de trois vidéo dans lesquelles un solide trouve une position déquilibre.
Dans chacune delles, déterminer par une méthode graphique puis par un raisonnement sur les composantes, la masse du solide et lensemble des forces exercées sur le solide.
On pourra utiliser les logiciels AviStep et Excel pour avoir des données quantitatives sur les vecteurs forces. Et sur la géométrie du système.
TP Equilibre dun solide
But :
Mettre en application les lois de léquilibre déjà esquissées dans le TP précèdent en utilisant une méthode graphique et une méthode analytique.
Travail à faire
Vous disposez de trois vidéo dans lesquelles un solide trouve une position déquilibre.
Dans chacune delles, déterminer par une méthode graphique puis par un raisonnement sur les composantes, la masse du solide et lensemble des forces exercées sur le solide.
On pourra utiliser les logiciels AviStep et Excel pour avoir des données quantitatives sur les vecteurs forces. Et sur la géométrie du système.
TP Equilibre dun solide
But :
Mettre en application les lois de léquilibre déjà esquissées dans le TP précèdent en utilisant une méthode graphique et une méthode analytique.
Travail à faire
Vous disposez de trois vidéo dans lesquelles un solide trouve une position déquilibre.
Dans chacune delles, déterminer par une méthode graphique puis par un raisonnement sur les composantes, la masse du solide et lensemble des forces exercées sur le solide.
On pourra utiliser les logiciels AviStep et Excel pour avoir des données quantitatives sur les vecteurs forces. Et sur la géométrie du système.
PAGE 55 TP n° 4 - Force et mouvement.
Objectifs.
Identifier et représenter les actions mécaniques qui sexercent sur un solide.
Montrer que le bilan des forces appliquées à un solide permet de prévoir le mouvement du centre dinertie de ce solide.
Prévoir dans des cas simples la possibilité de mise en rotation dun solide autour dun axe fixe.
Définir létat déquilibre dun solide et mettre en évidence les conditions dun équilibre.
Prérequis.
- connaître et savoir représenter un certain nombre de forces (voir fiche dactivité de cours).
- savoir utiliser un dynamomètre.
- connaître le rôle dune poulie.
- savoir effectuer la somme de vecteurs.
Compétences.
Liées à lexpérimentation.
- Analyser des résultats expérimentaux.
- Formuler une hypothèse sur un événement.
Liées aux manipulations et aux mesures.
- Agir en suivant un protocole fourni.
- Faire le schéma dune expérience.
- Exprimer un résultat avec un nombre de chiffres significatifs compatibles avec les conditions de lexpérience.
Matériel.
Ressorts
Masses marquées.
Réglets et rapporteurs.
Dynamomètres.
Billes dacier.
Pâte à modeler.
Aimants droitsFeuilles blanches.
Tiges métalliques souples pouvant être fixées horizontalement.
Dispositif détude de la rotation.
Supports pour équilibre dun solide soumis à 3 forces, avec poulies.
Mise en évidence des effets dune force.
On va, dans cette première partie mettre en évidence qualitativement les quatre effets dune force :
- déformation,
- mise en mouvement ou modification du mouvement du centre dinertie dun solide,
- mise en rotation,
- mise en équilibre.
Pour cela, on va noter leffet observé, identifier la ou les forces responsables et les représenter.
1- Déformation.
Exemple 1 : ressort étiré par une masse.
Exemple 2 : tige souple horizontale fixée à une extrémité. On suspend une masse marquée à lautre extrémité.
Exemple 3 : masse tombant sur un morceau de pâte à modeler.
Mise en mouvement ou modification du mouvement du centre dinertie dun solide indéformable.
On reprend ici des expériences qui ont déjà été vues en classe de seconde.
Exemple 1 : chute libre sans vitesse initiale. (par exemple, la chute dune bille)
- Faire décrire la trajectoire et la nature du mouvement dune part. Dautre part faire établir le bilan des forces appliquées au solide. ( Les représenter sans souci déchelle).
- Conclure : la bille est mise en mouvement dans la direction et dans le sens de la force quelle subit. Sa vitesse augmente.
Exemple 2 : déviation dune bille dacier sous leffet dune force magnétique.
- Faire décrire la trajectoire et la nature du mouvement dune part. Dautre part faire établir le bilan des forces appliquées au solide. ( Les représenter sans souci déchelle).
- Conclure : la bille est déviée dans la direction et dans le sens de la force quelle subit.
Conclusion : dans quelles conditions un solide indéformable peut-il être mis en mouvement ou voir son mouvement modifié ?
Mise en rotation dun solide indéformable.
Expérience 1 : On suspend une masse marquée en A, le solide étant initialement au repos. 1- 1- 1) Demander aux élèves de :
- Décrire le mouvement du solide indéformable.
- Identifier la force responsable du mouvement. La représenter sans souci déchelle.
- Justifier le sens de rotation.
2) Faire trouver aux élèves quelle doit être la position initiale du point A pour que le mouvement de rotation nait pas lieu.
3) Justifier que le poids et la réaction du support étaient sans effet sur le mouvement.
Expérience 2 : On suspend la masse marquée en B, le solide étant initialement au repos.
- Faire décrire le mouvement du solide indéformable.
- Identifier la force responsable du mouvement. La représenter.
- Justifier le sens de rotation.
Conclusion : dans quelles conditions un solide indéformable peut-il être mis en rotation ?
Equilibre dun solide indéformable soumis à deux forces.
Expérience : On utilise le dispositif ci-contre ( m = 100 g par exemple).
- Faire le bilan des forces appliquées.
- Déterminer leur valeur.
- Les représenter en prenant comme échelle 1 cm ( 0,5 N.
Conclusion : à quelle condition le solide est-il à léquilibre ?
Traduire mathématiquement cette phrase pour aboutir à :
A léquilibre, EMBED Equation.3.
Généralisation de la notion déquilibre.
Expérience.
On utilise un anneau en équilibre sous laction de trois tensions de valeur connue.
La masse de lanneau doit être négligeable devant celle de m1, m2 et m3.
Demander aux élèves de :
- relever les valeurs de m1, m2 et m3.
- repérer les directions des trois fils sur une feuille de papier (On peut par exemple utiliser lombre portée des fils sur la feuille).
Exemple de amsses utilisées :
N°groupe123456789m1 (g)90100801008050120170150m2 (g)80901005010080150120170m3 (g)10080908050100170150120
Ôn permute les masses utilisées sur 3 groupes de manière à répartir les 3 mêmes forces différemment sur 3 groupes.
Exploitation.
Il sagit, ici, détablir les conditions déquilibre, par une résolution graphique du problème.
a) Lignes daction des trois forces.
- Faire prolonger les directions des trois fils. Elles doivent être concourantes.
- Comparer ces directions aux lignes daction des trois forces et conclure :
Lorsquun solide, susceptible de se déplacer en translation, est à léquilibre, les lignes daction des forces qui lui sont appliquées sont concourantes.
b) Relation entre les forces.
- Faire remarquer que les trois mêmes forces, réparties diffemment, produisent trois équilibres dans lesquels on retrouve les mêmes valeurs dangles. Il y a donc en fait un seul équilibre possible qui dépend de la valeur de chacune des forces, et dans lequel les directions des forces sont déterminées par la valeur des forces en présence.
- Faire représenter les trois forces appliquées à lanneau sur la feuille où sont tracées les directions des forces. Le professeur donne léchelle.
- Faire tracer le vecteur somme de deux forces.
- Comparer sa direction, son sens et sa valeur à la direction, au sens et à la valeur de la troisième force.
- En déduire la relation (EMBED Equation.3 + EMBED Equation.3 ) = - EMBED Equation.3 donc : EMBED Equation.3 + EMBED Equation.3 + EMBED Equation.3 = EMBED Equation.3
Conclusion.
Après avoir mis en évidence que lon avait les mêmes constatations dans le cas dun solide soumis à deux forces, énoncer les conditions déquilibre dun mobile en translation soumis à plusieurs forces.
4- Application.
On va utiliser la conclusion précédente pour déterminer par le calcul et non graphiquement, la masse m et langle að, dans la situation décrite ci-contre.
L expérience est réalisée sur la paillasse du professeur.
On prend par exemple :
m1 = 150 g ; m2 = 100 g et m = 180 g , ce qui donne un angle bð ð ðde 90 ° .
On vérifiera les valeurs trouvées en mesurant að avec le rapporteur et en pesant l'objet de masse m.
Exercices
1°. On considère un solide au repos sur un plan incliné. Représenter les forces qui sexercent sur lui. On représentera le solide par son centre dinertie.
2°.a) On examine la situation (étudiée dans la partie 1) dune bille qui roule à vitesse constante sur un profilé rectiligne . Pour permettre une représentation plus facile des forces, on prend un angle entre le profilé et la paillasse de 10° (cet angle était beaucoup plus faible dans la réalité).
On donne la masse de la bille m = 30 g et on prendra g = 10 N.kg-1.
Utiliser le modèle des lois de la mécanique pour représenter (à léchelle 1 cm pour 0,1 N) les forces qui sexercent sur la bille. A quelle loi vous êtes-vous référé pour répondre ?
Mesurer (graphiquement) ou calculer (à laide de la trigonométrie) lintensité de la force qui représentent les frottements.
b) On incline le profilé de 20° par rapport à la paillasse. Des mesures analogues à celles faites en TP permettent daffirmer que la valeur de la vitesse augmente.
Indiquer la direction et le sens de la variation de la vitesse entre deux dates quelconques. Proposer alors une représentation des forces qui sexercent sur la bille. A quelle loi du modèle vous êtes-vous référé ?
c) On incline le profilé de 5° par rapport à la paillasse. Les mesures permettent daffirmer que la valeur de la vitesse diminue. Reprendre les mêmes questions quau b) ci-dessus.
3°. On étudie laction quexerce le sol sur nos pieds lorsque lon court (les deux pieds nétant jamais simultanément en contact avec le sol).
a) On sintéresse dabord au pied lorsquil entre en contact avec le sol. Faites quelques foulées pour analyser vos sensations et représentez la force exercée par le sol sur votre semelle. Faites linventaire puis la représentation des forces qui sexercent sur vous. En déduire si la valeur de la vitesse de votre centre dinertie augmente ou diminue pendant lintervalle de temps au cours duquel votre pied prend contact avec le sol.
b) On sintéresse au pied lorsquil quitte le sol. Reprendre les mêmes questions quau a).
4°. Représenter la force exercée par la route sur une roue motrice dune voiture qui roule à vitesse constante. Même question sur une roue non motrice.
Quest-ce qui change sur votre représentation lorsque la voiture accélère ou freine en ligne droite ?
Travail personnel à laide du livre (pages 92 à 94)
Contrôlez vos connaissances sur le modèle des lois de la mécanique grâce aux exercices 1 à 7 page 92.
Faites fonctionner ce modèle sur les exercices 8 et 10 (lexpression « expliquer pourquoi » convient mal) à 14 relativement simples.
Vous pouvez chercher les exercices un peu plus difficiles 15 à 18.
Les lois de Newton
Activités
Activité 1 Lancer et réception dun médecine-ball
But
(A finir de rédiger)
- Faire un premier lien, dans le cas dun mouvement rectiligne, entre le sens de la somme des forces qui sexercent sur un système et la variation de la valeur de la vitesse du système ;
- Lutter contre une erreur classique consistant à considérer que pour quil y ait mouvement il faut quune force sexerce dans le sens du mouvement.
Informations nécessaires à la préparation de cette activité
Matériel
Les élèves disposent dun médecine-ball par binôme (masse de 1 à 4 kg selon les exemplaires, ces médecine-ball serviront de nouveau dans la partie 3 au cours de laquelle linfluence de la masse sera étudiée).
Chaque élève lance le médecine-ball à la verticale et le rattrape afin danalyser les actions quil exerce. Les médecine-ball sont particulièrement bien adaptés à une telle analyse vu lintensité des forces quils mettent en jeu.
Déroulement de lactivité
Le professeur ne doit donc pas donner trop rapidement la réponse quil attend et laisser la classe en discuter en binôme ou en groupe entier. En effet, cette activité fournit loccasion aux élèves de prendre conscience de quelques une de leurs erreurs, très classiques et difficilement évitables (par exemple les élèves pensent souvent quil y a toujours une force dans la direction et le sens du mouvement). Pour permettre aux élèves den prendre conscience, il faut leur permettre de faire ces erreurs.
Les élèves doivent disposer de la partie Force et somme des forces du modèle Les lois de la mécanique .
Réponses attendues
1°. On exerce une action sur le médecine-ball durant le lancer et durant la réception. Dans les deux cas, laction est dirigée selon la verticale et orientée vers le haut.
2°.On peut repérer les quatre phases suivantes :
PhasesLancerAscensionDescenteRéceptionDescription du mouvementVertical vers la hautVertical vers la hautVertical vers la basVertical vers le basLa valeur de la vitesseaugmentediminueaugmentediminue
3°. a) Diagramme médecine-ball interactionsb) Schéma des forces sexerçant sur le MBc et d) Vitesse du centre dinertie
4°.LancerAscensionDescenteRéception
Représentation des forces
Représentation de la vitesse
Variation de la valeur de la vitesseaugmentediminueaugmentediminueConclusion
1. Le tableau permet daffirmer que la somme des forces ne semble pas liée au sens de la vitesse car, pour (I) et (III) les deux vecteurs sont de même sens alors que pour (II) et (IV), ils sont de sens opposés.
2. Le tableau ne permet pas daffirmer que la somme des forces est liée à la valeur de la vitesse car il ny est jamais fait allusion.
3. Le seul changement de sens de la vitesse a lieu lorsque le centre dinertie du médecine-ball passe par le point le plus élevé de sa trajectoire. La somme des forces ne change pas. Le tableau ne permet pas de conclure autre chose que, lorsque ce changement se produit, le sens de la vitesse est finalement le même que celui de la somme des forces.
4. Le tableau permet de lier somme des forces et variation de la valeur de la vitesse. Si les vecteurs somme des forces et vitesse sont :
- de même sens, la valeur de la vitesse augmente [phases(I) et (III)] ;
- de sens contraires, la valeur de la vitesse diminue [phases(II) et (IV)].
Analyse du savoir à enseigner et information sur le contenu disciplinaire
(à faire)
Informations sur le comportement des élèves, comment prendre en compte leurs difficultés ?
Les réponses des élèves
1° et 2°. Les élèves répondent correctement à ces questions. Le fait de pouvoir lancer et rattraper le médecine-ball les aide à analyser correctement laction quils exercent sur lui. Labsence de cette activité naurait sans doute pas permis ce bon résultat.
Certains proposent de considérer le passage du médecine-ball par sa position la plus élevée comme une phase venant sajouter aux quatre que nous proposons. Cela ne pose aucun problème.
3° La représentation du diagramme MB interactions nécessite un bref rappel des conventions de notation des interactions (en particulier la nécessité de noter à la fois A/B et B/A pour linteraction entre A et B). Les élèves répondent correctement à lensemble de la question. En particulier, ils semblent tous comprendre que lintensité de la force quils exercent sur le MB doive impérativement être plus grande que celle exercée par la Terre. Nous verrons quil faut être prudent sur cette belle unanimité qui masque des erreurs danalyse comme le révélera létude de la réception.
4°. Pour la phase dascension, quelques élèves expriment le besoin de faire intervenir une force qui permet au médecine-ball de sélever un peu comme si les mains continuaient dexercer une action à distance. Ils ont du mal à admettre quun mouvement puisse avoir lieu sans quune force sexerce dans la direction et le sens du mouvement. Ils semblent admettre leur erreur quand dautres élèves leur font noter que les mains nexercent une action que si elles sont en contact avec le médecine-ball. Il est cependant probable que cette erreur classique se manifestera dans dautres circonstances. Cest en laissant le temps à lélève de se tromper quil finira par la rectifier de façon définitive.
Les réponses concernant la phase de descente et toutes les questions concernant la vitesse (pour les quatre phases) ne semblent pas poser de difficultés.
En revanche, la longueur des vecteurs représentant les forces lors de la réception a suscité un débat très riche. Beaucoup délèves navaient pas de critères sur les intensités comparées des deux forces. Il ne leur est pas du tout évident que le ralentissement puis larrêt du médecine-ball nécessitent dexercer une force plus intense que celle quexerce la Terre. Un élève a finalement évoqué le principe dinertie pour convaincre la classe et cela lui a permis de tenir le raisonnement suivant qui semble avoir convaincu la classe : si les forces étaient de même intensité, la vitesse resterait la même. Si la force exercée par lélève était moins intense, la valeur de la vitesse augmenterait (moins vite quen chute libre mais elle augmenterait). Il faut donc exercer une force plus intense que celle exercée par la Terre . Il est à noter que lanalyse des forces qui sexercent sur le médecine-ball lorsquil est au repos dans les mains aide les élèves à analyser la situation pendant la réception.
Conclusion : la question est difficile. Il faut expliquer aux élèves que ce sont les résultats notés dans le tableau quils doivent prendre en compte pour répondre par oui , par non ou par on ne peut pas savoir .
La dernière proposition (lien entre la somme des forces et la variation de la valeur de la vitesse)est celle qui semble être la mieux comprise.
Activité 2 Variation de la vitesse du centre dinertie dun projectile
But
Montrer sur une simulation que la variation de la vitesse du centre dinertie dun projectile est colinéaire et de même sens que la somme des forces qui sexercent sur lui (ici, son poids).
Informations utiles à la préparation de lactivité
Matériel
Le document fourni aux élèves a été obtenu à laide dinteractive physique.
Expérience, mesures
Il est nécessaire de représenter successivement les vecteurs v2 - v1, v3 - v1, v4 - v1, v5 - v1, etc. car les seuls vecteurs vi+1 - vi sont trop petits pour permettre une conclusion sur leur direction.
Déroulement de lactivité
Cette activité peut être faite en classe ou en travail à la maison. Il est nécessaire de rappeler comment on construit Dðv.
Réponse attendue
Question 1 : la force exercée par la Terre est la seule force qui s exerce sur la balle.
Question 2 : les différents vecteurs Dðv sont colinéaires et de même sens.
Question 3°. La variation de la vitesse du centre d inertie de la balle entre deux positions (et donc entre deux dates) est colinéaire et de même sens que la somme des forces qui s exercent sur la balle.
Cela précise la conclusion de lactivité 1 car pour cette situation la direction de la vitesse restait la même et nous navions conclu quà propos de la variation de la valeur de la vitesse. Nous montrerons dans lexercice ci-dessous comment la conclusion plus générale tirée de lactivité 2 sapplique également la situation de lactivité 1.
Analyse du savoir à enseigner et information sur le contenu disciplinaire : les lois de newton
Le résultat établi dans deux cas particuliers est admis comme vrai pour toutes les situations. Cest parce quil nest pas possible de démontrer ce résultat ni de le vérifier pour toutes les situations quon est obligé de le généraliser sans pouvoir être certain davoir le droit de la faire. Cest pour cela quil porte le nom de principe. Il na jamais été mis en défaut. Comme il met en relation deux grandeurs (la force et la variation de la vitesse), on lappelle souvent relation fondamentale de la dynamique . On lappelle aussi principe fondamental de la dynamique ou deuxième loi de Newton . Cest en effet Newton qui la énoncé, la première loi étant le principe dinertie (voir le modèle).
Les trois lois ne sappliquent que si le mouvement du système est étudié par rapport à un référentiel galiléen. Pour nos deux situations, le référentiel était la Terre (ou le laboratoire). On la choisi parce quon a eu limpression (ou lintuition) que cétait un bon référentiel. Il ne serait venu à lidée de personne de choisir délibérément un autre référentiel (dailleurs lequel aurait-on choisi ?).
On a bien limpression quun objet qui aurait un mouvement compliqué par rapport à la Terre ne serait pas un référentiel pratique. Si on a la possibilité den choisir un plus adapté, on ne sen privera pas. Par exemple, si le cours de physique avait lieu dans un train freinant, accélérant ou tournant sans arrêt ou dans un bateau sur une mer démontée, on serait sans doute obligé de choisir ce train ou ce bateau comme référentiel. Les expériences de mécanique seraient autrement plus compliquées que dans notre salle de classe et les lois de Newton ne sy appliqueraient pas sous cette forme (il faudrait connaître le mouvement du train ou du bateau par rapport à la Terre). Pour ne pas être obligé de se fier uniquement à notre impression, on peut se convaincre un peu plus du caractère galiléen dun référentiel en se demandant si le principe dinertie y est vérifié au moins pendant la durée de lexpérience étudiée. La première loi de Newton permet en effet de définir du point de vue théorique un référentiel galiléen mais, dans la réalité il nest jamais possible den être tout à fait certain.
Dautre part, il nest jamais possible de dissocier les unes des autres les trois lois de Newton. Prenons le cas dun mobile autoporteur sur une table parfaitement lisse et horizontale (à laquelle lenseignement recourt souvent pour illustrer le principe dinertie). Pour affirmer que la somme des forces quil subit est nulle, il faut recourir au principe des actions réciproques afin de pouvoir admettre que la force exercée par le mobile sur lair (dont on sait quelle est égale au poids du mobile) est directement opposée à la force exercée par lair sur le mobile. Cest grâce à ce principe quon montre que lensemble des forces qui sexercent sur le mobile est une force nulle). Les deux principes sont couplés (cf. Valentin).
Exigences concernant le compte-rendu
Les élèves doivent soigner leurs tracés afin quils soient exploitables.
Analyse du savoir à enseigner et information sur le contenu disciplinaire
(à faire)
Informations sur le comportement des élèves, comment prendre en compte leurs éventuelles difficultés ?
Plusieurs élèves nont pas su construire les vecteurs variation de vitesse et obtiennent donc des résultats inexploitables (direction non verticale). Dautres se sont limités à la série vi-v1.
Il est intéressant de constater que la construction des vecteurs soient correcte et que linterprétation quen fait lélève de même que la conclusion quil en tire soient fausses. Cest pour cette raison quil est indispensable que lélève traduise son interprétation par des mots, la seule activité de représentation ne suffit pas.
La plupart dentre eux ont du mal à expliquer en quoi cette activité précise la conclusion de lactivité1. Il nest pas simple de comprendre que cest la variation du vecteur vitesse qui est pertinente et que dans le cas dun mouvement rectiligne, cela se traduit par la seule variation de la valeur de la vitesse. Cest pour aider les élèves à faire le pas que nous avons proposé lexercice.
A la fin de lactivité, le professeur distribue la fin du modèle des lois de la mécanique (les trois de newton). La première et la troisième lois ont été évoquées en seconde, ainsi que la notion de référentiel galiléen. Il est nécessaire de les commenter. La deuxième loi de newton introduite sur deux cas particuliers est étendue à nimporte quelle situation.
Activité 3 Modèle des lois de la mécanique appliqué à un jouet retenu par un fil
But
Appliquer le modèle des lois de la mécanique à une situation pour laquelle la direction de la somme des forces et de la variation de la vitesse varie. Cela sous entend une opération nouvelle : trouver la variation de la vitesse entre deux points très proches.
Informations utiles à la préparation de lactivité
Matériel
Schéma obtenu à partir dInteractive physique
Réponses attendues
Question 1 :
Forces qui sexercent sur le véhicule avant que le fil soit tenduForces qui sexercent sur le véhicule après que le fil soit tendu
Question 2 : pendant la première phase du mouvement, le centre dinertie du véhicule est animé dun mouvement rectiligne uniforme (ce nest pas lenregistrement qui permet de laffirmer mais lanalyse dynamique). Pendant la seconde phase, il est animé dun mouvement circulaire uniforme (cest lenregistrement qui permet de laffirmer).
Question 3 a): le logiciel fournit la solution (document ci-dessous) pour toutes les positions.
EMBED Word.Picture.8
Correction : tracer du vecteur "variation de vitesse"
EMBED Word.Picture.8
3°b) La somme des forces qui sexercent sur le système se réduit à la force exercée par le fil sur le véhicule.
3°c) La somme des forces et la variation de la vitesse sont colinéaires et de même sens.
Analyse du savoir à enseigner et information sur le contenu disciplinaire
La situation se distingue des deux précédentes par le fait que la direction de la somme des forces et celle de la variation de la vitesse sont maintenant variables. On ne peut plus comparer aussi facilement la colinéarité des deux vecteurs. Il faut cette fois choisir un instant précis ou définir une position particulière. Cela ne change rien pour la représentation de la somme des forces car la représentation des différentes forces à un instant donné se fait facilement. En revanche, il faut faire intervenir un passage à la limite pour Dðv en réduisant de plus en plus l intervalle de temps t2 -t1 et la longueur de l arc parcouru entre ces deux instants de façon à représenter Dðv à partir de cette origine. Ce n est que dans ces conditions que les deux vecteurs sont colinéaires.
Informations sur le comportement des élèves, comment prendre en compte leurs éventuelles difficultés ?
Si on les laisse trouver eux-mêmes la solution (en évitant de fournir trop rapidement un corrigé), les simpliquent bien dans ce qui leur est demandé. Leur principale difficulté consiste à représenter correctement Dðv. Ils obtiennent ce vecteur avec une origine à la position 7 et un bon nombre d entre eux déplacent l origine du vecteur ainsi obtenu en position 6 comme il leur est demandé mais sans translater le vecteur. Ils ne peuvent alors pas conclure sur la colinéarité de ce vecteur avec la somme des forces.
La nécessité de diminuer lintervalle sur lequel est évaluée la variation de la vitesse est un aspect hors de portée de nombreux élèves de 1S.
Activité 4 : pousser sur un mur
But
Donner du sens aux trois lois de Newton en les faisant fonctionner sur la situation dun élève poussant sur un mur.
Modéliser les frottements
Informations utiles à la préparation de lactivité
Matériel
- Quelques pèse-personne (de préférence solides et bon marché car les élèves peuvent les malmener en faisant lexpérience telle quelle leur est demandée).
- Une planche à roulettes.
Expérience, mesures
Tous les élèves sont invités à faire lexpérience et à bien analyser leurs sensations. Ils ont intérêt à se mettre loin du mur et même de plier les bras ce qui les oblige à bien se pencher. Il faut même leur suggérer de faire varier lintensité de leur poussée.
Ils peuvent mesurer lintensité de la force quils exercent sur le mur en interposant un pèse-personne entre leurs mains et le mur.
Déroulement de lactivité
Il faut accepter que les élèves fassent lexpérience à plusieurs moments de leur réflexion. Cela leur permet de contrôler leur interprétation.
Réponses attendues
Questions 2 : diagramme élève - interactionsQuestion 5 représentation des forces
EMBED Word.Picture.8
Exigences concernant le compte-rendu
Le barème est indiqué de façon à forcer les élèves à fournir une réponse à chaque question.
Analyse du savoir à enseigner et information sur le contenu disciplinaire
Dans cette situation les seuls faits expérimentaux observables par les élèves sont les contacts de l'élève avec le mur et le sol. Le contact élève - sol pose problème. C'est pourquoi on demande aux élèves d'expliciter ce qu'ils ressentent afin qu'ils puissent l'objectiver (c'est à dire l'écrire, et le discuter). Cette explicitation peut les aider à prendre conscience du rôle du sol en plus de celui de leur poids puis de modéliser correctement laction du sol.
Cet exercice illustre lune des occasions pour le professeur daider les élèves à distinguer la description du champ expérimental du modèle. Le professeur peut utiliser cet exemple pour montrer la nécessaire cohérence entre les explications basées sur le champ expérimental et celles basées sur le modèle. Cette activité peut paraître compliquée pour les élèves. Au bout de ¾ dheure, la plupart dentre eux avaient correctement représenté les trois forces à léchelle (avec parfois une discussion avec le professeur), les autres étant proches de la bonne réponse.
Informations sur le comportement des élèves, comment prendre en compte leurs éventuelles difficultés ?
Lactivité motive beaucoup les élèves.
Ils ne comprennent pas très bien le type de réponse attendue à la question Décrivez en quelques phrases ce que vous ressentez mais cette question a lavantage de les obliger à être attentifs à analyser ce quils ressentent lorsquils poussent le mur. Il est inutile quils y passent trop de temps.
La première difficulté réelle que rencontrent quelques élèves est de comprendre que laction de la Terre est distincte de laction du sol et que cela se traduit par deux forces distinctes. Le fait de demander explicitement le diagramme système - Interactions les aide à surmonter cette difficulté.
Une bonne partie de la classe représente la force exercée par le sol par un vecteur perpendiculaire au sol. Largument est quils ont toujours représenté cette force de cette manière. Certains hésitent entre un vecteur vertical et un vecteur incliné. Certains proposent la bonne réponse.
Les élèves comprennent tous que la somme des forces est nulle mais ils ont du mal à le traduire par une représentation vectorielle correcte. Plusieurs font intervenir laction exercée par lélève sur le mur pour arriver à leur fin. Le professeur doit leur rappeler que cest la somme des forces qui sexercent sur le système qui est nulle et que cela exclut les forces quil exercent lui-même. Le fait de ne pas être très à laise avec laddition de trois vecteurs les pénalise ; Cest généralement une petite aide du professeur sur ce point qui leur permet de proposer la bonne réponse.
A la fin de la situation, le professeur introduit la modélisation de laction dun support sur un solide lorsque les frottements sont pris en compte. Il introduit la décomposition en composantes normale et tangentielle de la force ainsi que langle jð entre la force et la normale.
L expérience de l élève poussant le mur en étant sur une planche à roulettes est interprétée par le fait que jð ne peut dépasser une valeur maximale qui dépend de la nature des deux surfaces.
Situation 5 Utilisation (inhabituelle) dun pèse-personne
Sur treize binômes, en ne laissant que quelques minutes de réflexion afin davoir une réponse a priori, la dernière situation a suscité les réponses incorrectes suivantes :
- un binôme na su que répondre ;
- deux binômes ont affirmé que le pèse-personne indiquerait 70 kg ;
Un binôme a indiqué 65 kg pour les situations 3 et 4 et 55 kg pour la situation 2.
Toutes les autres réponses étaient correctes mais nous navons aucune idée si les explications létaient.
Exercice 1
9 binômes sur treize ont représenté correctement les forces qui sexercent sur le solide.
Cours : Les lois de Newton
Référentiel de Galilée
Principe dinertie ou première loi de Newton
Par rapport à certains référentiels :
- si la vitesse du centre dinertie dun système est un vecteur constant alors la somme des forces qui sexercent sur le système est nulle ;
- si la somme des forces qui sexercent sur un système est nulle alors la vitesse du centre dinertie du système est un vecteur constant.
De tels référentiels sont appelés « référentiels galiléens ».
Pour la plupart des situations que nous étudierons, la Terre pourra être considérée comme un référentiel galiléen.
Relation de la dynamique ou deuxième loi de Newton
Lorsque le mouvement dun système est étudié par rapport à un référentiel galiléen :
- si la vitesse du centre dinertie de ce système varie alors la somme des forces qui sexercent sur le système nest pas nulle ;
- si la somme des forces qui sexercent sur le système nest pas nulle alors la vitesse du centre dinertie varie.
La variation de la vitesse du centre dinertie calculée sur un intervalle de temps de faible durée et la somme des forces qui sexercent sur le système pendant cet intervalle sont colinéaires et de même sens.
Principe des actions réciproques ou troisième loi de Newton
Quand deux systèmes A et X sont en interaction, la force exercée par A sur X et la force exercée par X sur A sont dintensités égales et de sens opposé.
Une interaction est modélisée par deux forces qui sont, pour toutes les situations et dans tous les cas, d'intensités égales et de sens opposés. Les vecteurs qui les représentent sont sur la même droite.
1ère loi : Principe dinertie
Référentiels galiléens
En cherchant à vérifier expérimentalement le principe de linertie, on arrive à la conclusion que le référentiel héliocentrique est galiléen et qu'il existe une infinité de référentiels galiléens, tous animés par rapport au référentiel héliocentrique d'un mouvement de translation rectiligne uniforme.
Les référentiels terrestre et géocentrique ne sont pas galiléens puisque la Terre tourne autour du soleil. Néanmoins, pour la plupart des applications pratiques qui ne réclament pas une extrême précision, l'expérience montre qu'ils peuvent être considérés comme galiléens.
Solide XE "système:pseudo-isolé" pseudo isolé
la somme vectorielle des forces qui sont appliquées au solide est nulle.
Système isolé
il ne s'exerce aucune force sur le solide
Principe du centre dinertie(PCI)
Le centre d'inertie d'un solide isolé ou pseudo isolé est soit au repos soit animé d'un mouvement rectiligne uniforme par rapport aux référentiels galiléens (et réciproquement).
Résumé \EMBED Equation.2
Le PCI ne concerne que le centre d'inertie du système. Ce qui n'exclut pas la rotation éventuelle du système autour de son centre d'inertie.
2ème loi : Aspect semi quantitatif
Dans un référentiel galiléen, si le vecteur vitesse du centre d'inertie varie, la somme des forces qui s'exercent sur le solide n'est pas nulle.
La variation, entre deux instants, du vecteur vitesse et la résultante des forces, appliquées entre ces deux instants, ont la même direction et le même sens.
Résumé EMBED Equation.3
3ème loi : Principe des actions réciproques
Les indications des dynamomètres A et B sont identiques. Les forces EMBED Equation ont même intensité, même direction et des sens contraires
Résumé EMBED Equation
Ce résultat s'applique à toute interaction entre deux systèmes, qu'ils soient en mouvement ou immobiles, qu'ils soient en contact ou non.
TP :Mvt dun solide sur une table inclinée
Objectifs
Pour vérifier les deux premières lois de Newton, on étudie différents mouvements de mobiles autoporteurs
-première loi de Newton (ou principe de linertie) : Vérifier que si le vecteur vitesse du centre dinertie G dun système EMBED Equation.3 est un vecteur constant, alors la somme vectorielle des forces EMBED Equation.3 qui sexercent sur le système est nulle. ( EMBED Equation.3
-deuxième loi de Newton : Vérifier que si le vecteur vitesse du centre dinertie G dun système EMBED Equation.3 varie, alors la somme vectorielle des forces EMBED Equation.3 qui sexercent sur le système nest pas nulle.
( EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 et EMBED Equation.3 ont même direction et même sens.
Activité expérimentale
1-Mouvement rectiligne
Matériel : Mobile autoporteur et dispositif denregistrement sur table horizontale.
Manipulation : On lance le mobile et on procède à lenregistrement (bien vérifier lhorizontalité de la table avec un niveau.)
Exploitation de lenregistrement
Calculer et tracer deux vecteurs vitesse EMBED Equation.3 aux dates ti-1 et ti+1.( Choisir léchelle de représentation des vecteurs vitesse.)
On définit : EMBED Equation.3
Tracer. Que remarque-t-on ?
Refaire lopération pour dautres dates consécutives. Quelle est la nature du mouvement ?
Sur un schéma représenter les différentes forces EMBED Equation.3 qui sexercent sur le mobile.
En faire la somme vectorielle. Comparer EMBED Equation.3 et EMBED Equation.3 .
Tableau de résultats
Conclure. Enoncer le principe de linertie. Est-il vérifié ?
2-Mouvement sur un plan incliné
Matériel :
Même matériel.
Manipulation
Incliner la table dun angle ( par rapport à lhorizontale ; (utiliser deux ou quatre cales dépaisseur e=1cm)
Lâcher le mobile sans vitesse initiale et procéder aux enregistrements pour des angles ( et 2(.
Exploitation des enregistrements :
Comme précédemment, pour deux dates différentes, tracer EMBED Equation.3 et calculer sa valeur.
Sur un schéma représenter les différentes forces EMBED Equation.3 qui sexercent sur le mobile
Préciser la direction et le sens de EMBED Equation.3 . Préciser la direction et le sens de EMBED Equation.3 .
Conclure.
3-Mouvement circulaire
Matériel :
Même matériel plus axe vertical sur son support et fil.
Manipulation :
Mettre en place le dispositif schématisé, lancer le mobile autoporteur et procéder à lenregistrement.
Exploitation:
Tracer EMBED Equation.3 et calculer (v ( pour deux dates différentes.) Que remarquez-vous?
Sur le schéma représenter les différentes forces EMBED Equation.3 qui sexercent sur le mobile.
Présiser direction et sens de EMBED Equation.3 . Présiser direction et sens de EMBED Equation.3
Conclure. Enoncer le principe de linertie. Est-il vérifié ? Pourquoi ?
4-Mouvement curviligne
Matériel :
Mobile autoporteur, dispositif denregistrement, axe vertical sur son support et ressort.
Manipulation:
Mettre en place le dispositif schématisé, lancer le mobile autoporteur et procéder à lenregistrement.
Exploitation:
Tracer EMBED Equation.3 et calculer (v ( pour deux dates différentes.)
Procéder de la même manière quà lexploitation précèdente.
Reprendre les mêmes questions.Schéma du dispositif.
Travail dune force
Travail dune force
Partant dexemples concrets de la vie quotidienne, on constate que des objets soumis à une force dont le point dapplication se déplace peuvent :
( être mis en mouvement (chariot, wagon, brique glissant sur une table, etc.)
( changer daltitude (bagage que lon monte à létage)
( voir leur température sélever
( se déformer temporairement ou définitivement
Dans tous ces cas, on dira que la force travaille.
Travail dune force constante
On définit le travail EMBED Equation.3 dune force constante EMBED Equation.3 pour un déplacement EMBED Equation.3 de son point dapplication par la relation :
EMBED Equation.3
Le travail peut être négatif (travail résistant) ou positif (travail moteur).
Travail du poids
Si l'on reste assez proche de la surface de la Terre, le poids d'un corps peut être considéré comme une force constante. Le travail du poids, au cours d'un déplacement du centre de gravité G, d'une position A vers une position B sécrit :
EMBED Equation.3
Le travail du poids est indépendant du chemin parcouru. Il ne dépend que de la différence daltitude entre les points darrivée h B et de départ h A de G : (h = h B - h A.
Travail dune force de frottement
La résultante vectorielle EMBED Equation.3 , supposée constante, des forces de frottement est tangente au support (et donc au déplacement) mais de sens opposé au glissement des deux surfaces au contact.
EMBED Equation.3
s est labscisse curviligne correspondant au trajet pour aller du point A au point B. Le travail des forces de frottement est résistant.
Travail dune force de réaction normale
La réaction normale EMBED Equation.3 , supposée constante, est toujours normale au support. Son travail est nul.
EMBED Equation.3
Puissance
Puissance moyenne
Puissance du travail dune ou plusieurs forces
On définit la puissance P d'une force EMBED Equation.3 par la relation : EMBED Equation.3
Pour un déplacement EMBED Equation.3 du point de application de EMBED Equation.3 à la vitesse EMBED Equation.3 , on a :
EMBED Equation.3
Cette relation reste valable même si EMBED Equation.3 et EMBED Equation.3 varient au cours du temps.
Puissance instantanée
P=f.v
TP Travail dune force
Etude expérimentale.
Observer le dispositif expérimental et faire un schéma.
Représenter toutes les forces appliquées ; définir les système mécanique de la façon la plus simple possible.
Des mesures de position et de temps sont faites au cours du mouvement. Récupérer le fichier donnant le temps et les positions sur le logiciel RegressI.
Le travail
Définir, dans Regressi les constantes M, g.
Observer, rapidement les graphes, v(t) et d(t) ; que dire du mouvement ?
Est-ce que sur votre système plusieurs forces travaillent ?
Définir, dans Regressi, la variable, W, travail dune force.
Observer les graphes W=f(t) puis W=f(d) où d est la distance parcourue. Conclusion.
Energie
Quel a été le rôle du travail dans cette expérience ?
Rechercher le lien entre le travail et la vitesse. Chercher un modèle mathématique pour ce lien et en définir tous les paramètres.
Conclusion ? Auriez vous trouvé une grandeur nouvelle et physiquement importante ?
TP Travail dune force
1) Etude expérimentale.
Observer le dispositif expérimental et faire un schéma.
Représenter toutes les forces appliquées ; définir les système mécanique de la façon la plus simple possible.
Des mesures de position et de temps sont faites au cours du mouvement. Récupérer le fichier donnant le temps et les positions sur le logiciel RegressI.
Le travail
Définir, dans Regressi les constantes M, g.
Observer, rapidement les graphes, v(t) et d(t) ; que dire du mouvement ?
Est-ce que sur votre système plusieurs forces travaillent ?
Définir, dans Regressi, la variable, W, travail dune force.
Observer les graphes W=f(t) puis W=f(d) où d est la distance parcourue. Conclusion.
Energie
Quel a été le rôle du travail dans cette expérience ?
Rechercher le lien entre le travail et la vitesse. Chercher un modèle mathématique pour ce lien et en définir tous les paramètres.
Conclusion ? Auriez vous trouvé une grandeur nouvelle et physiquement importante ?
Lénergie
Cours
Recherche
Un objet est en chute libre. On observe lévolution de son altitude et celle de sa vitesse.
Laltitude y décroît ; elle est initialement égale à 15m. une modélisation donne une évolution parabolique du style y=0.5 g t²+15
La vitesse croit en valeur absolue. La modélisation donne |v|=g*t
Nous recherchons un invariant dans le système, comme y est fonction de t² on peut chercher un terme du style y +v².
Après quelques essais on constate que la quantité : 0.5 v² + gh est constante dans le temps, cest un invariant.
Il faut donner du sens à ces termes. Pendant le mouvement, une seule force est appliquée, le poids, qui travaille :
W(p)= mgd si d est le déplacement sur la verticale. Le produit de la masse par g par une distance est une quantité qui se mesure en joule.
Revenons à notre invariant si lon multiplie tout par m, il reste invariant :
0.5 m v²+ mgh
Cette quantité se conserve pendant la chute du système, cest lénergie mécanique du système.
Elle contient deux termes différents
0.5 mv² qui est attaché à la vitesse on lappellera Energie Cinétique
mgy qui est attaché à laltitude on lappellera Energie potentielle.
Résumons
Lénergie cinétique
Définition
Cette énergie ne peut pas être stockée
Elle croît très vite avec la vitesse.
Exemple : Quelle vitesse doit avoir un cycliste m=90kg pour posséder la même énergie quun 38t roulant à 5km/h ?
Ecamion=36.7kJ
Vcycliste=28.5m/s=103km/h !
Un système possède de lénergie sil peut produire du travail, ie, permettre le déplacement dune force.
Lénergie potentielle
Définition provisoire : mgh
Elle peut être stockée
Elle se mesure en joule comme toutes les énergies
Lénergie mécanique
Em =Ec+ Ep=constante si conservatif
Elle est constante si le système ne subit pas de frottements, on dit que le système est conservatif sinon il est dissipatif !
Pendant lévolution du système, lénergie mécanique reste constante mais les énergies cinétiques et potentielle varient.
Lénergie dun système peut changer de forme, il y a des échanges entre énergie cinétique et énergie potentielle.
Activités
François est artisan boulanger ; son atelier est au premier étage, 3m au dessus de la chaussée où est livrée sa farine. Nous sommes en 1685 et le moteur électrique nexiste pas encore !
Le four à pain est au même étage, à 10 m du pétrin. Et la boulangerie au rdc.
La livraison a eu lieu. Y a-t-il un moyen de ranger le stock de farine sans fatigue ? de quoi dépend la fatigue de François ?
200kg de pain sont prêts à être enfournés, y a-t-il un moyen de réduire la fatigue pendant le transport ?
Activité préliminaire
Constituer un dossier sur les différentes formes dénergie de la région Rhône-Alpes.
Le dossier doit contenir :
- quatre pages maximum, notées sur 10 points ;
- des documents dorigines diverses (Internet, photocopies, coupures de presse, brochures...), notés sur 5 points ;
- une bibliographie, notée sur 5 points.
ACTIVITé 1 : objet tiré par un moteur alimenté par une pile
Faire lexpérience suivante :
( On alimente un moteur grâce à une pile. Sur larbre du moteur un fil senroule et entraîne un objet qui glisse sur un support horizontal (paillasse).
Travail en binôme.
a. Décrivez par écrit ce qu'il se passe. Proposez une interprétation à partir de ce que vous savez en sciences physiques ou dans la vie quotidienne. Faites un ou plusieurs schémas pour illustrer cette interprétation.
b. Pourrait-on répéter un grand nombre de fois cette expérience (en replaçant lobjet à sa position initiale à chaque fois) ?
c. Confronter vos schémas avec ceux des autres binômes.
d. Classez en quatre catégories, dans le tableau suivant, les différentes phrases (ou parties de phrases) de vos textes ainsi que vos schémas.
Objets et événements observables Interprétation à partir de ce que vous savez en sciences physiques,dans le domaine de lélectricitédans le domaine de la mécaniquedans un (ou plusieurs) autre(s) domaine(s)
(....)
Pour la suite des activités, se référer au Modèle de lénergie.
Activité 2 : Utilisation du modèle de lénergie
On représente la situation étudiée dans l'activité 1 lorsque la vitesse de lobjet augmente. Une chaîne énergétique possible est donnée ci-dessous. Elle est incomplète.
a. En vous référant au modèle de lénergie, compléter la chaîne en indiquant sous les rectangles le nom de chacun des systèmes (réservoirs ou transformateur) et en précisant les modes de chacun des transferts dénergie.
b. Pour chacun des réservoirs représentés, précisez comment varie lénergie stockée (on rappelle que lon sintéresse à la phase pendant laquelle la vitesse de lobjet augmente).
c. Quel événement néglige-t-on si on ne représente pas le transfert thermique 7 ? Même question pour les transferts 6 et 4.
d. Indiquer un moyen de diminuer la quantité dénergie transférée :
- par le transfert 3;
- par le transfert 5.
(....)
Exercice
Se référer au paragraphe « le transfert par mode travail » du modèle de lénergie pour répondre.
1. Décrivez linteraction en jeu pour chacun des transferts par mode travail n ° 2 et 3 :
- en nommant pour chaque transfert les deux systèmes qui interagissent ;
- en représentant sur un schéma les forces représentant linteraction et en les nommant.
Indication : pour le transfert 2, on considérera que le fil fait partie du moteur.
2. Quest-ce qui est en mouvement dans le transfert 1 ?
Activité 3 : Comparaison de points de vue concernant les différentes formes dénergie.
Les adjectifs attribués à l'énergie dans les documents consultés pour réaliser les dossiers sur lénergie dans la Région Rhône alpes relèvent plutôt de domaines technologiques et économiques. Historiquement, en se développant, la physique et la chimie ont élaboré leur propre classification de l'énergie. Par exemple, les physiciens utilisent :
l'énergie cinétique : elle augmente avec la masse et la vitesse du système ;
l'énergie potentielle : c'est l'énergie stockée même si les systèmes en présence sont immobiles, le mot "potentielle" exprimant la potentialité d'un mouvement ultérieur.
Au niveau macroscopique, les formes d'énergie sont nombreuses, elles sont liées aux phénomènes et aux grandeurs physiques macroscopiques qui les décrivent.
En revanche au niveau microscopique, "il n'y a finalement que deux formes d'énergie, cinétique et potentielle, quelles que soient les diverses interactions fondamentales que l'on est amené à distinguer". Par exemple, l'énergie thermique s'interprète comme de l'énergie cinétique désordonnée des particules qui composent un système.
a. A partir du dossier réalisé et en vous appuyant sur le texte précédent ainsi que sur ce que vous avez déjà appris en physique, remplir le diagramme ci-dessous. Certains adjectifs appartiennent à plusieurs domaines.
b. Proposer un ou deux adjectifs qualifiant lénergie stockée (avant transformation) selon les trois points de vue précédents pour les différents sites ou dispositifs suivants :
Sites ou dispositifsVie de tous les joursPoint de vue macroscopiquePoint de vue microscopiquePile
Eolienne (partie en amont de lalternateur)Barrage (partie en amont de la turbine)Centrale au charbon (partie en amont de lalternateur)Centrale nucléaire (partie en amont de lalternateur) Exercices relatifs à la partie 3
1. On donne ci-dessous la chaîne énergétique dune pile faisant fonctionner une ampoule. Complétez la chaîne en nommant chacun des systèmes et en précisant chaque mode de transfert.
2. On donne ci-contre la chaîne énergétique dune situation de chauffage dune quantité deau contenue dans un récipient à laide dun thermoplongeur.
a. Nommez chaque système et précisez le mode de chacun des transferts.
b. Que faudrait-il modifier dans la chaîne ci-contre si on chauffait leau à laide dun réchaud électrique ?
Transferts dénergie par travail
Travail et énergie cinétique
Dans lexpérience de la chute libre, la vitesse et donc lénergie cinétique du solide augmente pendant que le travail du poids augmente aussi.
Le poids fait un travail moteur, cest lui qui permet laugmentation de Ec. Il y a transfert de travail en Ec
Mais ceci est réciproque le solide peut remonter une pente sur son élan, le poids fait alors un travail résistant et Ec diminue et W(p) diminue aussi.
En général, si le poids est seul appliqué, les variations de Ec et de W(p) sont égales.
Que se passe-t-il si une autre force est appliquée ??
Les résultats précédents sont applicables, cest le th de lénergie cinétique.
Enoncé du th.
L'expérience montre que lors dune chute libre dun point A vers un point B, la vitesse de translation du solide est donnée par la relation :
Théorème de lénergie cinétique (TEC)
Entre deux positions, dans un référentiel galiléen , la variation de lénergie cinétique dun solide en translation est égale à la somme des travaux des forces extérieures.
EMBED Equation.3
En résumé, le travail du poids ou dune autre force augmente lénergie cinétique.
Travail et énergie potentielle de pesanteur
Ep est lénergie de pesanteur elle est dautant plus grande que le solide est à une altitude plus grande et elle diminue quand il descend. Il y a un lien direct entre lénergie potentielle de pesanteur et le poids.
Lorsque W(p)>0, le solide descend et le réservoir se vide, Ep diminue
On voit bien que laltitude nécessite une convention dorigine pour être mesurée, de la même façon lénergie potentielle est définie à une constante près. On doit choisir un lieu où elle est nulle, cest arbitraire comme la définition du 0 daltitude.
Dans la majorité des cas, on choisit lorigine de lénergie potentielle sur le sol, daltitude nulle. lorsque W(p)*B*UmHnHph3ffuh½VºmHnHuhªa-h½Vº0J*mHnHu$jhªa-h½Vº0J*UmHnHuh½Vºjh½VºU$h0ø589B*
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