TP 14 Le principe d’inertie Le principe d’inertie
Objectifs
Objectifs de la séance :de la séance :
- Énoncer et utiliser le principe d’inertie pour interpréter des mouvements ; - Étudier l’influence de la masse d’un objet sur son mouvement ;
- Réaliser une chronophotographie en utilisant un logiciel de pointage de vidéo ; - Représenter une force.
Le jeu de curling consiste à faire glisser, sur la glace, des pierres de granite (d’une masse maximale de 19,96 kg, d’une circonférence de 91,44 cm et d’une hauteur d'au moins 11,43 cm) et de les placer le plus près possible d’une cible, appelée
« maison », dessinée sur la glace.
Pourquoi les joueurs « balayent-t-ils » devant la pierre de curling ?
1. 1. Étude préliminaire Étude préliminaire : : pierre de curling au repos pierre de curling au repos
Questions
Questions : : (Répondre sur la fiche réponse) Q1. Rappeler les caractéristiques du poids Q1.
P
d’un objet. A quelle action mécanique correspond-t-il ?
Q2. À partir de la photographie ci-contre, faire le bilan des actionsQ2.
mécaniques s’exerçant sur la pierre de curling.
Q3. En déduire le bilan des forces qui agissent sur la pierre de curlingQ3.
lorsqu’elle est immobile.
2. 2. Pierre de curling en mouvement Pierre de curling en mouvement
Ouvrir la vidéo « Le curling.avi » Questions
Questions :: (Répondre sur la fiche réponse)
Q4. Quel référentiel allons-nous choisir pour étudier le mouvement de la pierre de curling ?Q4.
Q5. Faire le bilan des actions mécaniques s’exerçant sur la pierre de curling dans ce référentiel.Q5.
Q6. En déduire le bilan des forces qui agissent sur la pierre de curling lorsqu’elle est en mouvement (voir, en particulier, la fin deQ6.
la vidéo).
Ouvrir le fichier vidéo
« Séquence 1.avi » à l’aide du logiciel Latis-Pro et suivre les indications du professeur pour réaliser la
chronophotog raphie de la
pierre de
curling.
Questions
Questions :: (Répondre sur la fiche réponse) Q7.
Q7. Quelle est la nature du mouvement du centre de la pierre decurling dans le référentiel choisi question Q4 ? Q8.
Q8. Pourquoi les 2 coéquipiers balaient-ils (frottent) la glace devant le palet de curling en mouvement ? Q9.
Q9. Quel est alors le mouvement de la pierre de curling dans le référentiel choisi à la question Q4 ?
3. 3. Exploitation des résultats Exploitation des résultats
Cas n°1 : pierre de curling au repos (voir fiche réponse)
Q10. Modéliser les actions mécaniques s’exerçant sur la pierre de curling au repos par les forces correspondantes (voir partie 1),Q10.
en respectant les conventions de notation (voir activité « les actions mécaniques »).
Q11. Que peut-on dire de ces différentes forces (actions mécaniques) les unes par rapport aux autres ?Q11.
Q12.
Q12. Quel(s) lien(s) peut-on faire entre le bilan des forces (ou des actions mécaniques) s’exerçant sur la pierre de curling et son état (repos) ?
Cas n°2 : pierre de curling en mouvement (voir fiche réponse)
Q13. Modéliser les actions mécaniques s’exerçant sur la pierre de curling en mouvement par les forces correspondantes (voirQ13.
partie 1), en respectant les conventions de notation (voir activité « les actions mécaniques »).
Q14.
Q14. Que peut-on dire de ces différentes forces (actions mécaniques) les unes par rapport aux autres ? Q15.
Q15. Sur quelle caractéristique les « balayeurs » agissent-ils ? Que devient alors le mouvement de la pierre de curling ? Q16.
Q16. Quel(s) lien(s) peut-on faire entre le bilan des forces (ou des actions mécaniques) s’exerçant sur la pierre de curling et son mouvement ?
4.
4. Masse et inertie Masse et inertie
Ouvrir l’animation « Chariots.swf »
Deux chariots pouvant se déplacer parallèlement sur une table horizontale, sont accrochés à un fil, passant par un système de poulies, relié à un contrepoids qui peut tomber verticalement.
Les forces de frottements de contact entre la
table et les chariots sont considérées comme
nulles.
Réduire la fenêtre accélération (cliquer sur la flèche en haut à droite de la fenêtre), on peut aussi la déplacer ;
Cliquer sur « départ » et visualiser l’animation ;
Noter les indications sur la vitesse du centre de chacun des deux chariots quand ils atteignent l’extrémité de la table.
Effectuer les réglages nécessaires afin d’étudier l’effet de la masse des chariots sur leur mouvement
Noter de nouveau les indications données par les compteurs de vitesse.
On supposera (pour simplifier l’étude) que, pour chaque chariot, la valeur de la force exercée par le fil sur le chariot est égale à la valeur du poids du contrepoids correspondant.
Questions
Questions :: (Répondre sur la fiche réponse)
Q17. Quelles forces agissent sur chacun des chariots lorsqu’ils sont immobiles ? Lorsqu’ils sont en mouvement ?Q17.
Q18.
Q18. Comparer les vitesses atteintes par deux chariots de masses différentes, initialement immobiles et soumis à l’action d’une même force.
Q19. La masse d’un corps (objet) soumis à une force donnée a-t-elle une influence sur son mouvement ?Q19.
5. 5. Conclusion Conclusion
Saurez-vous énoncer la loi reliant le bilan des forces (ou des actions mécanique) s’exerçant sur un objet et la nature de son mouvement ? Cette loi s’appelle « le principe d’inertie » ou « 1ère loi de Newton ».
Que répondre alors à la question du début de l’activité ?
FICHE RÉPONSE FICHE RÉPONSE
1. Étude préliminaire Étude préliminaire : : pierre de curling au repos pierre de curling au repos
Les caractéristiques du poids d’un objet :
P
: :
: :
point d'application direction
sens intensité
Bilan des actions mécaniques s’exerçant sur la pierre :
Fig. 1 : Pierre de curling immobile
Bilan des forces qui agissent sur la pierre de curling (au repos) :
2. 2. Pierre de curling en mouvement Pierre de curling en mouvement
Bilan des actions mécaniques s’exerçant sur la pierre :
Fig. 2 : Pierre de curling en mouvement
Bilan des forces qui agissent sur la pierre de curling (en mouvement) :
Réponses aux questions Q4, Q7, Q8 et Q9 :
3. 3. Exploitation des résultats Exploitation des résultats
Cas n°1 : pierre de curling au repos Réponses aux questions Q11 et Q12 :
Cas n°2 : pierre de curling en mouvement Réponses aux questions Q14, Q15 et Q16 :
Sens du déplacement
4. Masse et inertie Masse et inertie
Réponses aux questions Q17, Q18 et Q19 :
5. 5. Conclusion Conclusion
Énoncé du principe d’inertie :
Sens du déplacement
CORRECTION CORRECTION
1. Étude préliminaire Étude préliminaire : : pierre de curling au repos pierre de curling au repos
Les caractéristiques du poids d’un objet :
Le poids modélise l’action (attraction) de la Terre sur l’objet : P F Terre/Objet
P
: :
:
:
1le centre de gravité de l’objet étudié la verticale du lieu considéré
vers le centre de la Terre
point d'application ;
direction ;
sens ;
intensité P = mg (g = 9,81 N.kg )
Bilan des actions mécaniques s’exerçant sur le palet : - Action de la Terre sur la pierre ;
- Action de la glace sur la pierre.
Le poids de la pierre est P 190 N (m = 19 kg)
Bilan des forces qui agissent sur la pierre de curling (au repos) : - Le poids :
⃗ P
;- La réaction de la glace (ou du sol) :
⃗ R
.2. 2. Pierre de curling en mouvement Pierre de curling en mouvement
Bilan des actions mécaniques s’exerçant sur la pierre : - Action de la Terre sur la pierre ;
- Action de la glace sur la pierre (frottements) qui s’oppose au déplacement ;
- Action de la glace sur la pierre (réaction du sol) qui s’oppose à l’attraction de la Terre.
Terre/Pierre
F P
Glace/Pierre
F R
100 N
Bilan des forces qui agissent sur la pierre de curling (en mouvement) : - Le poids :
⃗ P
;- La réaction de la glace (ou du sol) :
⃗ R
;- Les frottements de la glace :
⃗ f
.Réponses aux questions :
Q4. On choisira de préférence le référentiel terrestre : c'est le référentiel constitué par la Terre (ou par tout ce qui est fixe parQ4.
rapport à la Terre).
Q7. La trajectoire est rectiligne : le mouvement est donc rectiligne mais pas uniforme car la pierre s’arrête en fin de piste.Q7.
Q8.
Q8. Pour que la pierre de curling aille plus loin.
Q9.
Q9. Le mouvement de la pierre est moins ralenti.
3. 3. Exploitation des résultats Exploitation des résultats
Cas n°1 : pierre de curling au repos Q11. Les deux forces se compensent.Q11.
Q12. Lorsqu’un objet est soumis à des forces qui se compensent, il reste au repos.Q12.
Cas n°2 : pierre de curling en mouvement
Q14. Seules deux forces sur les trois se compensent mutuellement : le poids et la réaction de la table sur la pierre de curling.Q14.
Rien ne compense la force de frottement.
Q15. En balayant la glace, les « balayeurs » diminuent l’influence de la force de frottements de la glace sur la pierre faisantQ15.
fondre une petite épaisseur de glace pour lisser la surface de la piste. Le mouvement du centre de la pierre se rapproche alors d’un mouvement rectiligne uniforme.
Q16. Lorsque les forces ne se compensent pas, le mouvement est ralenti mais si elles se compensent alors le mouvement estQ16.
rectiligne et uniforme.
4. 4. Masse et inertie Masse et inertie
Q17. Il s’agit de leur poids, de la réaction du support et de la force exercée par le fil. Quand les corps sont en mouvement,Q17.
aucune force supplémentaire ne s’exerce sur eux car les forces de frottements sont considérées comme nulles.
Q18.
Q18. Plus la masse d’un corps est élevée, plus la vitesse acquise par ce corps au bout d’une durée déterminée est faible.
Q19. Deux corps de masses différentes atteignent des vitesses différentes au bout d’une même durée.Q19.
5. 5. Conclusion Conclusion
Énoncé du principe d’inertie :
Tout corps persévère dans son état de repos ou de mouvement rectiligne uniforme s’il n’est soumis à aucune action mécanique ou si les actions mécaniques qui s’exercent sur lui se compensent.
Les joueurs balayent devant la pierre pour lui donner un mouvement le plus rectiligne uniforme en essayant de diminuer la force de frottement qu’exerce la glace sur la pierre.
Terre/Pierre
F P
1 Glace/Pierre
F R
100 N
2 Glace/Pierre
F
FICHE TP FICHE TP
Situation problème :
- Vidéo sécurité routière : Sécurité routière.flv Ou
- Étude : Vidéo curling
http://www.sitedesciencesphysiques.fr/le-curling/
http://blog.idphys.fr/2010/pierre-qui-tourne-n-amasse-que-doute/
http://www.sitedesciencesphysiques.fr/physique/physique/quel-est-leffet-dune-force-sur-le-mouvement/
Sources de l’activité Sources de l’activité
Activité n°4 p131 (BORDAS 2nd, Collection E.S.P.A.C.E Lycée) Activité n°2 p172 (BELIN 2nd, Collection Parisi 2010)
