Tpphys 10 2loi newton2008, Exercices de Chemistry. france
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simos.si8 December 2015

Tpphys 10 2loi newton2008, Exercices de Chemistry. france

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Microsoft Word - TP phys 10 2 loi de Newton 2008.doc

TP DE PHYSIQUE N°10 TS 1/4 LA DEUXIEME LOI DE NEWTON

TP de physique N°10

La Deuxième loi de Newton Activité introductrice Dans son ouvrage principes mathématiques de la philosophie naturelle, Isaac NEWTON écrit : « Les changements qui arrivent dans le mouvement sont proportionnels à la force motrice et se font dans la ligne droite dans laquelle cette force a été imprimée. En langage actuel, l’expression « changement de mouvement » concerne les

variations GV Δ du vecteur vitesse du centre d’inertie G d’un système matériel et

la « force motrice » évoquée par Newton, désigne la résultante sextérieureF Σ des forces extérieures au système. Questions 1. Reformuler, en langage actuel, la phrase de Newton, connue sous le nom de « deuxième loi de NEWTON. 2. NEWTON ne précise pas le référentiel. Quel qualificatif donne-t-on aux référentiels dans lesquels la deuxième loi de Newton est valable ?

Objectifs Savoir tracer des vecteurs vitesses instantanées et des vecteurs variation de vitesse. Découvrir la deuxième loi de Newton sur l’étude du cas particulier du mouvement d’un autoporteur à

coussin d’air rappelé vers un point fixe par un ressort.

Prérequis Référentiel ; trajectoire ; vecteur vitesse instantanée ; forces ; forces intérieures, extérieures à un système ; principe d’inertie, ou première loi de NEWTON, principe des actions réciproques ou troisième loi de NEWTON.

Matériel ( salle informatique ) 1 table à coussin d’air ; webcam placée à au moins 1,50 m au-dessus de la table.

1. Enregistrement du mouvement d’un autoporteur à coussin d’air rappelé par un ressort vers un point fixe Montage d’étude Un autoporteur à coussin d’air, relié à un coin O du ring d’une table horizontale, par l’intermédiaire d’un ressort et d’un fil de fer, est lancé sur cette table. Des données utiles au problème sont portées sur le schéma du montage: longueur à vide lo =7,5 cm, allongement xdu ressort, données concernant le ressort (xo,Fo)masse mde l’autoporteur ; distance dde l’extrémité B dufil de fer au centre A de l’autoporteur, largeurL = 45 cmde la feuille de format A2 sur laquelle va se déplacer l’autoporteur. L’allongement x du ressort dépend de la position de l’autoporteur sur la table.

ressort qui subit un allongementxo= 0,12 m sous

l’action d’une force de valeur Fo = 0,98 N

O

A

Feuille format A2

ring

autoporteur de masse

m = 712,4 g Y

X

trajectoire de A

L = 45 cm d =15 cm

allongement x

longueur à videdu ressort

lo = 7,5 cm

fil de fer

B

TP DE PHYSIQUE N°10 TS 2/4 LA DEUXIEME LOI DE NEWTON

Réalisation d’un clip vidéo du mouvement de l’autoporteur A l’aide d’une webcam, réglée sur une vitesse de défilement de 20 images par seconde, on réalise, sur GENERIS5+, l’acquisition du mouvement de l’autoporteur lancé sur la table. Sur l’option Montage, on réalise un découpage du film et on nomme 2ième loiNEWTON.avi , le fichier vidéo réalisé.

Pointage des positions de l’autoporteur Ouvir GENERIS 5+ ; aller sur Affichage-Vidéo; clicker sur l’Onglet Traitement manuel, puis dans Choix du fichier, aller sur Disque D, ouvrir le dossier TS, puis le fichier vidéo 2ième loiNEWTON.avi. La première photo du clip doit apparaître.

Etalonnage - Positionner le centre du curseur sur l’origine O des coordonnées, c’est à dire sur le coin du ring où est attaché le ressort, puis effectuer un click gauche à l’aide de la souris: un système d’axes orthogonaux (OX, OY) apparaît : par défaut, OY vers le haut et OX vers la droite. - Inverser le sens de l’ axe OY de façon à ce que les coordonnées du centre A de l’autoporteur soient toutes les deux positives pour toute position de A ( pour inverser le sens d’un axe : double click gauche sur la pointe de la flèche de l’axe ). - Dans le sens de la flèche de l’axe OY, effectuer un cliquer-déplacer ( click-gauche) sur toute la largeur de la feuille A2 ( L = 0,45 m ) : dans le cadre Etalonnage vertical qui apparaît, taper : 0.45, puis cocher, si nécessaire, Abscisses croissantes vers la droite ;clicker sur OK. - Dans l’onglet Affichage, cocher Avance automatique ; Affichage des points ; Affichage du repère.

Pointage - Clicker sur le drapeau à damier pour démarrer le pointage ( le disque gris devient rouge ). - Pointer avec soin les positions successives du centre A de l’autoporteur jusqu’à la position 11, le dernier pointé devant êtreobligatoirementle point O origine des coordonnées. - Clicker sur le disque rouge pour arrêter le pointage.

Affichage des positions - Clicker sur l’onglet Graphique de la fenêtre de droite. - Sur l’axe horizontal sélectionner X seulement et sur l’axe vertical sélectionner Y seulement. - Choisir pour les points une couleur noire et une épaisseur moyenne.

Impression avec axes orthonormés : pour cela, click droit sur le graphique ; sélectionner Représentation cocher Automatique et Orthonormal ; fermer la fenêtre. Imprimer.

2. Exploitation But de l’exploitation

Montrer, à l’aide de tracés de vecteurs vitesses instantanées et d’un vecteur variation de vitesse GV Δ du

centre d’inertie de l’autoporteurpendant un intervalle de temps Δt:

que sextérieureF Σ est colinéaire et de même sens que GV Δ ;

qu’il existe une relation mathématique simple entre sextérieureF Σ et le rapportt GV

Δ

Δ ( expression très

voisine de celle de la deuxième loi de Newton ).

2.1. Tracé de deux vecteurs vitesse Numéroter les positions successives, A1, A2, A11 du centre d’inertie G de l’autoporteur. Chaque groupe choisit un point An de travailpour 3 n 9 Tracer, au crayon, à l’aide de la règle et de l’équerre, à l’échelle 5 cm pour 1 m.s-1, les vecteurs vitesse

instantanées 1 -nV et 1 +nV du centre d’inertie G, respectivement aux dates tn-1 et tn+1 des positions An-1 et An+1.

On rappelle la relation d’approximation permettant d’obtenir un vecteur vitesse instantanée iV de G à une date ti :

TP DE PHYSIQUE N°10 TS 3/4 LA DEUXIEME LOI DE NEWTON

iV τ +=

+

+ 2

1iA1-iA

1-it - 1it 1iA1-iA

où τ est l’intervalle de temps entre deux positions consécutives du point A.

Aide au tracé des vecteurs 1 -nV et 1 +nV

1. Que vaut τ? τ = …………… s 2. Etablir l’échelle du graphe imprimé:

…………….. cm sur le graphe correspond à 0,40 m en grandeur réelle 3. Compléter le tableau ci-après pour votre point de travail. Expression des vecteurs

vitesse 1 -nV et 1 +nV

Distances en cm à mesurer sur le

cliché

Distances réelles en m

1 ou 1 +nV-nV

( en m.s-1 )

Longueur de la flèche

de 1 -nV et 1 +nV

2.2. Tracé d’un vecteur variation de vitesse GV Δ du centre d’inertie de l’autoporteur

1. Tracer, avec le plus grand soin, à l’aide de la règle et de l’équerre, le vecteur variation de vitesse

nV Δ = 1 - 1 −+ nVnV d’origine An, du centre d’inertie G de l’autoporteur pendant l’intervalle de temps Δ t = tn+1- tn-1 en utilisant la règle du triangle ( vecteurs d’une somme géométrique mis bout à bout ).

2. Comparer la direction de nV Δ et celle de la droite (OAn.) qui matérialise l’axe du ressort à la date tn.

3. Calculer la valeur de nV Δ en m.s-1 :

5 cm correspond à 1 m.s-1

…… cm correspond à Δ nV en m.s-1

Δ nV = …………………… m.s-1

4. Calculer t

nV Δ

Δ

5. Quelles sont la direction et le sens du vecteur t GV

Δ

Δ = t

nV

Δ

Δ ( faire intervenir le point G ).

6. Construire ce vecteur d’origine An, à l’échelle 1 cm pour 1 m.s-2.

2.3. Détermination de sextérieureF Σ

1. Enoncer le principe d’inertie ( ou première loi de Newton ) vue en Seconde sous forme d’une équivalence

logique faisant intervenir sextérieureF Σ et GV . Dans quels types de référentiels le principe d’inertie est-il valable ?

TP DE PHYSIQUE N°10 TS 4/4 LA DEUXIEME LOI DE NEWTON

2. Si l’on suppose valable le principe d’inertie dans le référentiel terrestre, dire pourquoi sextérieureF Σ ≠ 0 .

3. Bilan des forces extérieures sur le système S = { autoporteur + fil de fer } 3.1. Faire l’inventaire des forces extérieures exercées sur le système S. 3.2. Schématiser ces forces de façon pertinente sur le schéma ci-contre. 3.3. Deux des forces citées se compensent. Lesquelles ? Donner un

argument physique.

4. En déduire l’expression de sextérieureF Σ . Quelles sont la direction et le sens de ce vecteur ? Comment sont

donc les vecteurs sextérieureF Σ et t GV

Δ

Δ ?

5. Calcul de sextérieureFΣ

Lorsque le ressort utilisé subit une force F à l’une de ses extrémité, il s’allonge d’une longueur x telle que

F = k x , où la constante k, appelée constante de raideur du ressort, est exprimée en N.m-1.

5.1. Schématiser de façon pertinente, en rouge, sur le schéma ci-avant, la force F S/ressort exercée par le système S sur le ressort. Comparer à la force F ressort/fil ( invoquer une loi vue en 1ière S ). 5.2. Calculer k en s’aidant de la donnée sur le ressort figurant sur le schéma du montage. 5.3. Pour la position choisie An pour les calculs, déterminer l’allongement xn du ressort.

5.4. En déduire sextérieureFΣ pour la position An et représenter sextérieureF Σ à l’échelle 2 cm pour 1 N.

2.4. Mise en commun des résultats des groupes : relation entre sextérieureF Σ et t GV

Δ

Δ

1. Consigner les résultats de tous les groupes dans le tableau ci-après.

sextérieureFΣ en NA3 A3A4A5A6A7A8A9

t GV

Δ Δ

en m.s-2

sextérieureFΣ /

t GV

Δ Δ

2. Que représente le rapport calculé à la dernière ligne ? Conclure sur la relation entre les deux vecteurs.

G O

Système S

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