1ère S Thème : Lois et modèles TP n°21
Physique Conservation de l’énergie mécanique Chap.16
Objectifs :
Connaître et utiliser l’expression de l’énergie cinétique d’un solide en translation et de l’énergie potentielle de pesanteur d’un solide au voisinage de la Terre.
Exploiter un enregistrement pour étudier l’évolution de l’énergie cinétique, de l’énergie potentielle et de l’énergie mécanique d’un système au cours d’un
mouvement.
Lors d’un orage violent, on peut observer la formation de grêlons qui viennent frapper le sol en provoquant de
nombreux dégâts. Pour comprendre ce phénomène, il faut comprendre que ces dégâts sont dus à l’énergie cinétique que possèdent ces grêlons.
Comment évolue l’énergie d’un objet en chute dans un fluide ? Définitions
L’énergie cinétique, en joules (J), de la balle à l’instant t, notée Ec, est définie par :
L’énergie potentielle de pesanteur, en joules (J), de la balle à l’instant t, notée Epp, est définie par : On choisit ici : Epp = 0 pour z = 0 (altitude de référence des énergies potentielles de pesanteur).
L’énergie mécanique, en joules (J), de la balle dans le champ de pesanteur terrestre est définie par : EM = EC + Epp
I. Etude du mouvement de chute libre Protocole expérimental
On souhaite étudier les diverses formes d’énergie que possède une balle de masse m = 45 g, lâchée verticalement. La vidéo se nomme chute libre.
Suivre le protocole acquisition du mouvement au dos de cette feuille pour obtenir les mesures de t, x et y.
Calculs préliminaires
Calcul des vitesses instantanées
1. Aller dans Grandeurs, onglet Expressions.
2. Définir la composante horizontale de la vitesse vx, de la composante verticale de la vitesse vy et la norme v de la vitesse grâce aux expressions ci-contre.
3. Toutes ces grandeurs sont en m/s.
4. Cliquer sur Mise à jour et vérifier que dans l’onglet Tableau les 3 variables apparaissent avec les unités.
Calcul de l’énergie cinétique E C
5. Cliquer sur l’onglet Paramètres. Cliquer sur l’icône Y+ . Les paramètres expérimentaux sont m (en kg) et g (en N/kg).
Entrer leur valeur respective (avec g = 9,81 N/kg à Rennes).
6. Cliquer sur l’onglet Tableau. Ensuite, faire calculer Y+
l’énergie cinétique EC (en J) avec l’expression : Ec = 1/2 * m * v^2.
Calcul de l’énergie potentielle de pesanteur E pp.
7. L’origine du repère est définie comme énergie potentielle de pesanteur de référence Epp(sol) = 0.
8. Faire calculer Y+ l’énergie potentielle de pesanteur Epp (en J) pour chaque position : Epp = m * g * y.
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Exploitation
1) Dans le référentiel terrestre, quel est le mouvement de la balle ?
Visualiser les graphes EC = f(t) et Epp = f(t).
2) Comment évolue chaque énergie ?
3) Quelle transformation d’énergie est mise en évidence ?
Faire calculer Y+ l’énergie mécanique EM avec la formule : EM = EC + Epp.
Ajouter le graphe EM = f(t) aux deux précédents. Identifier les courbes.
4) Comment évolue l’énergie mécanique ?
5) Parmi ces trois types d’énergie, laquelle se conserve ?
6) En déduire le nom des forces s’exerçant sur la balle au cours de son mouvement, et celle(s) qu’on peut négliger.
Lorsqu’il y a conservation de l’énergie mécanique au cours du temps, les forces de frottement s’exerçant sur l’objet d’étude sont considérées comme négligeables devant les autres forces. Dans ce cas, on dit que l’objet est en chute libre.
II. Etude du mouvement de chute avec frottements Protocole expérimental
Une bille en acier de masse m = 12,0 g est lâchée dans une éprouvette remplie de gazole.
Cliquer dans Regressi sur Acquisition puis refaire le travail précédent à partir de la vidéo bille gazole. Remarque : utiliser les repères ci-contre pour l’étalonnage.
Exploitation
1) D’après la courbe v = f(t), peut-on dire que le mouvement reste rectiligne et accéléré ?
2) Superposer les trois graphes EC = f(t), Epp = f(t) et EM = f(t).
3) Comment évoluent les énergies EC et Epp de la bille au cours du temps ?
4) L’énergie mécanique EM de la bille se conserve-t-elle ? En déduire si elle est en chute libre.
5) Faire l’inventaire des forces qui s’exercent sur la bille. Expliquer pourquoi le mouvement devient uniforme.
III. Problème
Considérons cette fois un lancer oblique d’une balle de tennis de masse m = 56,4 g. Le mouvement de la balle est parabolique.
Le mouvement de la balle s’effectue-t-il avec ou sans frottements ?
Acquisition du mouvement
Lancer le logiciel Regressi puis faire Fichier Nouveau Vidéo.
La barre de menus est ci-dessous :
Cliquer sur Ouvrir 1 et charger le fichier vidéo désiré dans le répertoire de votre classe..
Faire défiler la vidéo 2 puis revenir sur la 1ère image 3.
Eventuellement, faire un zoom de 2 (bouton 4) pour agrandir l’image.
Cliquer sur Origine 5 puis placer l’origine sur le centre de la balle. Les axes doivent être orientés positivement vers le haut et vers la droite. Voir la forme de l’icône 6.
Cliquer sur Echelles 6 puis, avec précision, en haut et en bas de la règle graduée ; indiquer la distance entre les deux points (en m), c’est-à-dire 1 pour cette image.
Cliquer sur Mesures 7 puis cliquer sur la balle sur la 1ère image avec précision ; l’image suivante s’affiche et ainsi de suite à des intervalles de temps égaux.
Cliquer sur Traiter 8 pour exporter vos données dans Regressi.
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3 9
1
2
5 6
4
8 7
1 m
Sauvegarder votre fichier à intervalles de temps réguliers.
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