Physique L’énergie mécanique d’un système en mouvement

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01/03/2019 P08_Travail_energie_mecanique2.doc 1/3

TS Thème : Lois et Modèles TP n°20

Physique L’énergie mécanique d’un système en mouvement Chap.8

Barème et Note

NOM : ... Prénom : ... Classe : TS …

Compétences Analyser Réaliser Valider Communiquer

NOTE

Critère A-B-C-D A-B-C-D A-B-C-D A-B-C-D

.../20

Coefficient 2 4 4 2

But du TP :

 Etudier les transferts énergétiques au cours du mouvement d’un objet.

 Analyser l’évolution des énergies cinétique, potentielle et mécanique d’un oscillateur.

I. Mouvement d’un pendule simple

 On souhaite décrire le mouvement d’un pendule de masse m = 160 g en étudiant les transferts d’énergie liés au travail des forces qui s’exercent sur lui.

1. Protocole expérimental (Réaliser)

 Ouvrir le logiciel Regressi puis le logiciel OrphyLab et connecter, si besoin, le pendule à la carte d’acquisition U3.

 Paramétrer le logiciel en suivant les indications ci-dessous :

Durée : 5 s ; Nombre de points : 500 ; Echantillonnage : 10 ms ; Déclenchement : Barre d’espace (loupe auto).

1.1. Choisir une longueur de pendule L proche de 50 cm (déplacer la masse pesante). Mesurer L à 0,1cm près.

L = ……… cm

 Le pendule étant à l’équilibre, vérifier que l’angle est nul puis appuyer sur le bouton 0° du module angle.

1.2. Lâcher le pendule avec un angle θ0 < 20° et réaliser l’acquisition (barre d’espace).

Faire vérifier votre acquisition par le professeur.

 Basculer les valeurs expérimentales sous Regressi.

Réaliser : A-B-C-D

Montage Module angle Orphylab

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2. Longueur exacte du pendule (Valider)

 Données : m = 160 g ; g = 9,81 m.s^-2

 Dans Regressi, dans le menu options puis onglet Calcul, décocher, si besoin, angle en degré.

 Modéliser la courbe U3 = f(t) par une sinusoïde (Modèle onglet Oscillations) 2.1. Noter la valeur de T en s avec son incertitude.

T = ……… ± ….

2.2. A partir de l’expression de la période d’un pendule pour les petites oscillations T = 2π L

g, déterminer la longueur exacte L du pendule.

………..

2.3. La valeur expérimentale de L est-elle compatible avec la valeur théorique ? Justifier votre réponse.

………..

 Dans le menu Grandeurs ajouter Y+ les paramètres expérimentaux m (en kg), L (en m) et g (en m.s^-2). Indiquer leur valeur respective.

3. Etude énergétique

 Convertir la tension U3 en angle θ : Pour cela, il faut modéliser le graphe de la tension U3 = f(t) à l’aide du modèle oscillations amorties (période).

3.1. (Réaliser) Noter les valeurs de la valeur moyenne a et de la période T avec le modèle : U3 = a + b×cos(2π×t/T + φ)×exp(-t/τ).

 Faire calculer Y+ les valeurs ou fonctions suivantes :

 L’angle θ, exprimé en radian (rad) : θ = 

180 ×(U3 - a) ;

 La dérivée de l’angle θ par rapport au temps der = d

dt ; La vitesse du pendule avec v = L × d

dt

 L’énergie cinétique EC (en J) avec l’expression EC = 1

2  m  v².

 L’énergie potentielle de pesanteur Epp (en J) pour chaque position : Epp = m × g × L × (1 - cos θ).

Dans ce cas, l’énergie potentielle de pesanteur de référence est telle qu’à l’équilibre, Epp(équilibre) = 0.

 L’énergie mécanique EM avec l’expression EM = EC + Epp.

3.2. (Réaliser) Sur le même graphique, visualiser les courbes EC = f(t), Epp = g(t) et EM = h(t). Les identifier.

3.3. (Réaliser) Modéliser l’énergie mécanique par une fonction affine.

Puis, imprimer le graphe après accord du professeur. Réaliser (2) : A-B-C-D 3.4. (Analyser) Comment évolue chaque type d’énergie ? Quelle transformation d’énergie est mise en évidence

(comparer l’évolution de EC avec Epp) ?

………..

3.5. (Analyser) L’énergie mécanique EM se conserve-t-elle ? Justifier d’après le graphe.

………..

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II. Mouvement d’un savon mouillé

 Le doc ci-dessous représente la chronophotographie d’un savon mouillé de masse m = 0,22 kg glissant sur un plan en faïence, incliné d’un angle α = 15° par rapport à l’horizontale. Il est lâché sans vitesse initiale.

1. Protocole expérimental (Réaliser)

1.1. Sous Regressi, faire Fichier/Nouveau/Clavier et entrer les variables expérimentales t, x et z avec leur unité S.I.

1.2. Pour chaque date t, mesurer les positions x et z. Entrer les valeurs dans le tableau.

2. Exploitation

2.1. (Réaliser) Entrer les paramètres expérimentaux m (en kg) et g (en N/kg) avec leur valeur respective.

Faire calculer les coordonnées de la vitesse (vx et vz), puis les énergies Ec, Epp = m×g×z et Em du savon.

2.2. (Réaliser) Sur le même graphique, visualiser les courbes Ec = f(t), Epp = g(t) et Em = h(t). Les identifier, puis imprimer le graphe après accord du professeur. Réaliser (2) : A-B-C-D 2.3. (Analyser) Comment évolue chaque énergie ? Quelle transformation d’énergie est mise en évidence ?

………..

L’énergie mécanique se conserve-t-elle ? Justifier.

………..

2.4. (Valider) Problème : Déterminer la valeur de travail des forces de frottements s’exerçant sur le savon puis calculer la norme f des forces de frottement ^f . Expliquer votre démarche et détailler vos calculs.

………..

Chronophotographie du savon mouillé