Mouvement, vitesse et forces!

Transcription

1 Travaux pratiques n 1 Mouvement, vitesse et forces! Seconde La pratique du sport Objectif : établir un lien entre le d un objet et les forces auxquelles il est soumis. A. Dans quelles conditions le d un bille peut-il être «perpétuel»? Voici un extrait du Dialogue sur les deux grands systèmes du monde de alilée publié en 1632, dans lequel Salviati représente un personnage aux idées novatrices et Simplicio un personnage aux idées plus traditionnelles de l époque. Salviati : [ ] Dites-moi : supposez une surface plane, polie comme un miroir, faite d un matériau dur comme l acier, et qui ne soit pas parallèle { l horizon, mais légèrement inclinée ; vous posez dessus une bille parfaitement sphérique, d un matériau lourd et très dur, en bronze par exemple ; si vous abandonnez la bille à elle-même, que croyez-vous qu elle fasse? Ne croyez-vous pas, comme moi, qu elle va rester immobile? [ ] Simplicio : Je ne crois pas qu elle resterait immobile ; je suis certain au contraire que spontanément elle irait dans le sens de la pente. [ ] Salviati : [ ] Pendant combien de temps continuerait-elle à se mouvoir et à quelle vitesse? Faites bien attention : j ai parlé d une bille parfaitement ronde et d un plan soigneusement poli, afin d écarter tous les obstacles extérieurs et accidentels ; je veux aussi que vous fassiez abstraction de l obstacle de l air et de la résistance qu il oppose { se laisser ouvrir [ ]. Simplicio : J ai bien compris ; à votre question je réponds que la bille continuerait à se mouvoir { l infini, du moins tant que durerait l inclinaison du plan ; son serait continuellement accéléré [ ]. Salviati : Supposons maintenant que, sur la même surface, on veuille que la bille aille vers le haut : croyez-vous qu elle le puisse? Simplicio : Pas spontanément ; elle ira vers le haut que si on tire ou la lance violemment. [ ] Salviati : Jusqu { présent vous me paraissez avoir expliqué ce qui arrive { un mobile qui roule sur deux plans différents : sur le plan descendant, le corps lourd en descend spontanément en accélérant continuellement et, pour le tenir en repos, il faut recourir à une force ; mais sur le plan ascendant, il faut une force pour le faire avancer, et même pour le retenir, et le qui lui a été imprimé diminue continuellement jusqu { s annihiler finalement. [ ] Mais ditesmoi ce qui arriverait à un mobile sur une surface qui ne monterait ni ne descendrait. Simplicio : Il me faut ici réfléchir un peu. Puisqu il n y a pas de pente vers le bas, il ne peut y avoir inclination naturelle au, et, puisqu il n y a pas de pente vers le haut, il ne peut y avoir non plus de résistance au ; le mobile se trouverait donc indifférent entre la propension et la résistance au : il me semble par conséquent qu il devrait naturellement resté arrêté. [ ]. Salviati : Je suis d accord, pourvu que la bille soit posée { l arrêt sur le plan ; mais si on lui donnait de l élan dans une certaine direction, que se produirait-il? Simplicio : Elle irait dans cette direction. Salviati : Mais avec quelle sorte de? Avec un continuellement accéléré, comme sur le plan descendant, ou bien avec un de plus en plus retardé comme sur le plan montant? Simplicio : Je n arrive pas { trouver de cause ni d accélération ni de ralentissement, puisqu il n y a ni montée ni descente. Salviati : Oui. Mais s il n y a pas de cause de ralentissement, encore moins devrait-il y avoir de cause de repos : combien de temps, à votre avis, durerait son? Simplicio : Aussi longtemps que durerait la longueur de la surface, sans monter ni descendre. Salviati : Si donc l on supposait cet espace sans fin, le sur cet espace serait également sans fin, c est-à-dire perpétuel? Simplicio : Il me semble que oui, pourvu que le mobile soit d un matériau qui puisse durer. Quelle est le système d étude? Dans quel référentiel raisonnent les personnages? Réaliser les diverses expériences proposées par alilée avec le matériel à votre disposition. Comment vérifier avec précision les informations données par Salviati sur la vitesse de la bille dans les différents cas? Pour les différents cas, identifier les forces qui s exercent, donner leurs caractéristiques, les schématiser et préciser les caractéristiques du de la bille (nature de la trajectoire et évolution de la vitesse). Consigner vos réponses dans un tableau. Existe-t-il un lien entre les forces qui s exercent et son? On rappelle que dire que des forces se compensent signifie que leur somme vectorielle est égale au vecteur nul. B. La masse de la bille a-t-elle une influence sur le? Dans la partie précédente nous avons étudier le lien entre les forces qui s exercent et la nature de son en utilisant la même bille. Mais est-ce que la masse de la bille a une influence sur sa mise en ou sur la modification de son? Balles En utilisant le dispositif ci-contre, souffler simultanément un bref instant dans Polystyrène les deux pailles. Noter vos observations. Paille Lancer une boule puis souffler dessus avec la paille dans une direction perpendiculaire au pour la faire dévier. Recommencer avec l autre boule en soufflant de la même façon. Noter vos observations. Conclure en répondant { la question de l introduction de cette partie. On dit que la masse d un corps caractérise son inertie, c est-à-dire la propriété d un corps à résister à une modification de son état de. Quelle est la boule qui a la plus grande inertie?

2 C. Conclusions. Une force s exerçant sur un corps peut modifier la valeur de... et... de son. Si un corps (ou un système) est... par rapport au référentiel d étude, les forces qui s exercent sur lui... Si un corps est en... et... par rapport au référentiel d étude, les forces qui s exercent sur lui... Si un corps n est pas en... et... par rapport au référentiel d étude, les forces qui s exercent sur lui... La. d un corps caractérise son..., c est-à-dire la propriété du corps à.. { une.. de son état de. L effet d une..... sur le d un corps est d autant plus.. que la... du corps est D. Énoncer du principe d inertie. Les conclusions précédentes se synthétisent sous la forme d un principe, appelé principe d inertie. Compléter la formulation de ce principe : Tout corps persévère dans son état de... ou de... et... (..) si les forces qui s exercent sur lui... E. Application du principe d inertie. Commenter les remarques de arfield en utilisant le principe d inertie. Les forces se compensent-elles? Dans chacune des situations décrites on s intéresse au de translation d un objet ou d un personnage supposé indéformable dans le référentiel terrestre. D après chaque description du vous devez pouvoir dire si l objet ou le personnage sont soumis ou non à un ensemble de forces qui se compensent : un skieur descend une piste rectiligne, sa vitesse augmente de 2 m/s toutes les secondes, un skieur remonte une piste grâce au «tire-fesse» qui le tracte rectiligne ment à vitesse constante, un palet de hockey sur glace décrit une trajectoire rectiligne à vitesse constante. une fusée décolle, une voiture décrit un virage à la vitesse de 80 km/h, Tintin et le principe d inertie Voici quelques scènes extraite de " on a marché sur la Lune" d Hergé (1964). La fusée se déplace à vitesse constante, loin de tout astre. 1. Quel est le du Capitaine Haddock par rapport au lecteur (référentiel supposé fixe dans l espace) avant de se jeter hors de la fusée? 2. Une fois jeté dans l espace, est-il soumis à des forces? 3. Quel doit être alors son d après le principe d inertie? 4. Quelle phrase confirme votre conclusion?

3 La bille est au repos ou immobile sur la plan horizontal est sur la plan horizontal avec une certaine vitesse initiale Point d application Direction Sens Valeur Trajectoire Mouvement

4 La bille descend le plan incliné remonte le plan incliné Point d application Direction Sens Valeur Trajectoire Mouvement

5 Correction A. Dans quelles conditions le d un bille peut-il être «perpétuel»? Le système d étude est la bille. Les personnages raisonnent dans le référentiel terrestre (ou du laboratoire). On peut vérifier avec précision les informations données par Salviati sur la vitesse de la bille dans les différents cas { l aide d acquisitions vidéos, puis pat traitement des vidéos par un logiciel spécifique comme énéris5+. Voir le tableau page suivante. Oui il existe un lien entre les forces qui s exercent et son, d après le tableau précédent : si les forces se compensent la bille est immobile ou en rectiligne à vitesse constante ; sinon le est accéléré ou ralenti. B. La masse de la bille a-t-elle une influence sur le? La balle de ping-pong est mis en plus rapidement que la balle plastique. La trajectoire de la balle de ping-pong est plus modifiée que celle de la balle plastique. Oui la masse de la bille a une influence sur sa mise en ou sur la modification de son. En effet plus la masse de la balle est importante, plus on a du mal à la mettre en ou à modifier son. La boule qui a la plus grande inertie est celle qui à la plus grande masse, donc la balle plastique. C. Conclusions. Une force s exerçant sur un corps peut modifier la valeur de sa vitesse et modifier de son. Si un corps (ou un système) est immobile par rapport au référentiel d étude, les forces qui s exercent sur lui se compensent. Si un corps est en rectiligne et uniforme par rapport au référentiel d étude, les forces qui s exercent sur lui se compensent. Si un corps n est pas en rectiligne et uniforme par rapport au référentiel d étude, les forces qui s exercent sur lui ne se compensent pas. La masse d un corps caractérise son inertie, c est-à-dire la propriété du corps à s opposer à une modification de son état de. L effet d une force sur le d un corps est d autant plus important que la masse du corps est faible. D. Énoncer du principe d inertie (ou première loi de Newton). Tout corps persévère dans son état de repos ou de rectiligne et uniforme (MRU) si les forces qui s exercent sur lui se compensent. E. Application du principe d inertie. Commenter les remarques de arfield en utilisant le principe d inertie. arfield fait un raccourci : c est la première loi de Newton et non la première loi de la physique. D autre part effectivement si un corps est au repos les forces qui s exercent sur lui se compensent et restera au repos tant qu il ne subira pas d autre force. Les forces se compensent-elles? Un skieur descend une piste rectiligne, sa vitesse augmente de 2 m/s toutes les secondes : non car la vitesse n est pas uniforme (ou constante). Un skieur remonte une piste grâce au «tire-fesse» qui le tracte rectiligne ment à vitesse constante : oui car il est en MRU. Un palet de hockey sur glace décrit une trajectoire rectiligne à vitesse constante : oui car il est en MRU. Une fusée décolle : non car elle accélère, même si sa trajectoire est une droite. Une voiture décrit un virage à la vitesse de 80 km/h : non car sa trajectoire n est pas une droite. Tintin et le principe d inertie 1. Avant de se jeter hors de la fusée le Capitaine Haddock a un MRU par rapport au lecteur. 2. Une fois jeté dans l espace, il est soumis à aucune force. 3. D après le principe d inertie il doit être en MRU. 4. La phrase qui confirme la conclusion est : «He s floating about ten yards from the rocket, going at the same speed as ourselves».

6 La bille est au repos ou immobile sur la plan horizontal est sur la plan horizontal avec une certaine vitesse initiale La Terre agit. Cette Le plan agit. Cette action action est représentée par une force appelée le poids de la bille et est représentée par une force appelé la réaction du plan et noté : Le poids de la bille :. La réaction du plan :. noté :. R. Point d application Le centre de la bille appelé centre de gravité ou d inertie Le centre de la bille appelé centre de gravité ou d inertie Le point Le point Direction La verticale passant par La verticale passant par La verticale passant par La verticale passant par Sens De haut en bas De bas en haut De haut en bas De bas en haut Valeur,,,,,, 1 cm représente 0,05 N 1 cm représente 0,05 N Trajectoire Un point Une droite Pas d évolution La vitesse reste constante Mouvement Aucun Mouvement rectiligne uniforme

7 La bille descend le plan incliné remonte le plan incliné Le poids de la bille :. La réaction du plan :. Le poids de la bille :. La réaction du plan :. Point d application Le point Le point Le point Le point Direction La verticale passant par La droite passant par et perpendiculaire au plan incliné La verticale passant par La droite passant par et perpendiculaire au plan incliné Sens De haut en bas Du plan vers De haut en bas Du plan vers Valeur,, 1 cm représente 0,05 N 1 cm représente 0,05 N Trajectoire Une droite Une droite La vitesse augmente régulièrement La vitesse diminue régulièrement Mouvement Mouvement rectiligne accéléré Mouvement rectiligne ralenti