11.TP1 : Mouvements d'une bille

Compétences mises en jeu

• Exploiter le principe d’inertie ou sa contraposée pour en déduire des informations soit sur la nature du mouvement d’un système modélisé par un point matériel, soit sur les forces.

• Relier la variation du vecteur vitesse d’un système modélisé par un point matériel à l’existence d’actions extérieures modélisées par des forces dont la somme est non nulle.

• Étude du mouvement de chute libre à une dimension (avec ou sans vitesse initiale).

Matériel :

Au bureau

☐ Feuilles blanches (pour l'impression)

Sur les paillasses des élèves

☐ 1 webcam fixée à une potence
Pour la chute libre :

☐ 1 écran blanc fixé à une potence
☐ 1 bille de couleur foncée
☐ 1 petit bac avec du sable

Pour le mouvement à proximité d'un aimant :

☐ 1 aimant droit
☐ 1 bille en fer
☐ 1 rampe de lancement pour bille

I - Mouvement d'une bille à proximité d'un aimant

1) Dispositif expérimental et manipulations

🖑 Mettre en place le dispositif avec la webcam.

🖑 Enregistre la vidéo du mouvement, puis créer la chronophotographie.

🖨 Imprimer la chronophotographie.

2) Exploitation de la chronophotographie

1 Numéroter les positions du centre de la bille et repérer les trois phases du mouvement.

2 Caractériser le mouvement du centre de la bille dans les phases 1 et 3.

3 Calculer la vitesse puis représenter le vecteur vitesse pour une position du centre de la bille dans les phases 1 et 3.

4 Lister les forces qui s'exercent sur la bille pour chacune des trois phases.

5 En vous appuyant sur le principe de l'inertie, proposer une analyse de chaque phase du mouvement.

Afficher la correction

Phase 1 : de 1 à 5

Phase 2 : de 5 à 8

Phase 3 : de 8 à 18

Phase 1 : le mouvement du centre de la bille est rectiligne (sa trajectoire est une droite) et uniforme (les distances entre les positions successives sont constantes pour des intervalles de temps égaux).

Phase 3 : le mouvement du centre de la bille est rectiligne (sa trajectoire est une droite) et uniforme (les distances entre les positions successives sont constantes pour des intervalles de temps égaux).

Pour la phase 1

On choisit de travailler entre les positions 1 et 5 (soit 4 intervalles).

Distance papier : \(\pu{123 pixels}\). Echelle : \(\pu{10 cm}\) pour \(\pu{130 pixels}\). Distance réelle : \(\dfrac{123×10}{130} = \pu{9,5 cm}\)

\(v_1 = \dfrac{d}{t}\). \(d = \pu{9,5 cm} = \pu{0,095 m}\). \(t = 4×Δt = 4×33,3 = \pu{133 ms} = \pu{0,133 s}\). \(v = \dfrac{0,095}{0,133} = \pu{0,71 m/s}\).

Pour la phase 3

On choisit de travailler entre les positions 9 et 17 (soit 8 intervalles).

Distance papier : \(\pu{213 pixels}\). Echelle : \(\pu{10 cm}\) pour \(\pu{130 pixels}\). Distance réelle : \(\dfrac{213×10}{130} = \pu{16,4 cm}\)

\(v_3 = \dfrac{d}{t}\). \(d = \pu{16,4 cm} = \pu{0,164 m}\). \(t = 8×Δt = 8×33,3 = \pu{267 ms} = \pu{0,267 s}\). \(v = \dfrac{0,164}{0,267} = \pu{0,61 m/s}\).

Pour toutes les phases, on fait l'hypothèse que l'on peut négliger les frottements.

Phase 1 : le poids \(\vec P\) et l'action du support \(\vec N\).

Phase 2 : le poids \(\vec P\), l'action du support \(\vec N\) et l'action de l'aimant \(\vec F\).

Phase 3 : le poids \(\vec P\) et l'action du support \(\vec N\).

Phase 1

D'une part les forces se compensent (frottements négligés)

D'autres part le mouvement est rectiligne uniforme.

=> Ce qui est cohérent avec le principe de l'inertie.

Phase 2

D'une part les forces ne se compensent pas. \(\vec P\) et \(\vec N\) se compensent, mais il reste \(\vec F\).

d'autres part le mouvement n'est rectiligne.

=> Ce qui est cohérent avec le principe de l'inertie.

Phase 3

D'une part les forces se compensent (frottements négligés)

D'autres part le mouvement est rectiligne uniforme.

=> Ce qui est cohérent avec le principe de l'inertie.

II - Mouvement d'une bille lâchée sans vitesse initiale

1) Dispositif et manipulations

🖑 Mettre en place le dispositif avec la webcam.

🖑 Enregistre la vidéo du mouvement, puis créer la chronophotographie.

🖨 Imprimer la chronophotographie.

2) Exploitation de la chronophotographie

1 Calculer la vitesse puis représenter le vecteur vitesse pour chaque position du centre de la bille.

2 Lister les forces qui s'exercent sur la bille pendant sa chute. Représenter ces forces sur un schéma.

3 En vous appuyant sur le principe de l'inertie, proposer une analyse du mouvement du centre de la bille.

Afficher la correction