Physique Labo L énergie lors d une collision. Contexte : Problème : Variables : Matériel : Marche à suivre :

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1 Physique Labo L énergie lors d une collision Contexte : Une voiture qui se déplace sur une route illustre bien ce qu est l énergie cinétique. Si cette voiture entre en collision avec une autre, qu adviendra-t-il de l énergie cinétique? Habituellement, lors d une telle collision, l énergie cinétique du système change à cause de forces non conservatrices ; l énergie cinétique n est donc pas conservée. Dans ce laboratoire, tu reproduiras une collision de voitures. Cette collision peut être décrite comme «non élastique» ; les deux voitures se colleront l une à l autre lors de l impact, puis s éloigneront ensemble après la collision. L analyse des vitesses vectorielles avant et après la collision te permettera de déterminer si l énergie cinétique a été conservée dans le système. Problème : L énergie cinétique est-elle conservée lors d une collision non élastique? Variables : Les variables de cette expérience sont la vitesse vectorielle avant la collision, la vitesse vectorielle après la collision et la masse des chariots. Détermine les variables manipulées, les variables répondantes et les variables contrôlées. Matériel : un capteur de déplacement des masses de 250 g un câble USB des chariots dynamiques munis de velcro aux extrémités un système dynamique (si tu n as pas de système dynamique, tu peux utiliser Marche à suivre : n importe quelle rampe lisse) Étape n o 1 : Branche le câble USB à l ordinateur et le capteur de déplacement au câble USB. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 1

2 Place le capteur de déplacement à l extrémité de la piste dynamique. Assure-toi qu il est réglé sur «chariot». Place ensuite un des chariots près du capteur et l autre plus loin sur la piste. Dispose les chariots de façon à ce que leurs velcros adhèrent l un à l autre lors de la collision. Étape n o 2 : Configure l application DataStudio afin d afficher un graphique position-temps pour le capteur de déplacement. Il s agit de l affichage par défaut pour ce capteur, donc Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 2

3 le graphique est peut-être déjà à l écran. Utilise la fenêtre de configuration de DataStudio pour augmenter la fréquence d échantillonnage du capteur à 40 Hz. Clique sur le bouton «Démarrer», puis projette le chariot le plus près du capteur vers l autre chariot. Garde la main près de la piste pour que le capteur détecte le mouvement du chariot et non celui de ta main. Une fois que les deux chariots sont entrés en collision et se sont éloigné, clique sur «Arrêter» dans DataStudio. Étape n o 3 : Dans le graphique position-temps, utilise l outil «Régression» pour effectuer deux régressions linéaires : l une sur les mesures avant la collision, et l autre sur les mesures après la collision. Ces deux zones, avant et après la collision, devraient être faciles à repérer sur le graphique ; recherche l endroit où la pente de la courbe subit un changement important. C est là que la collision s est produite. La pente de la première droite de régression indique la vitesse vectorielle du chariot avant la collision, et la pente de la seconde indique la vitesse vectorielle des deux chariots collés ensemble après la collision. Note ces valeurs dans un tableau approprié. Ensuite, mesure la masse des deux chariots, puis utilise ces masses et les vitesses vectorielles pour calculer l énergie cinétique initiale (avant) et l énergie cinétique finale (après). Calcule l écart en pourcentage entre les valeurs initiale et finale de l énergie cinétique. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 3

4 Essais Vitesse vectorielle initiale (m/s) Vitesse vectorielle finale (m/s) EC initiale (J) EC finale (J) Écart en % EC sans masse additionnelle 250 g de plus sur le deuxième chariot 500 g de plus sur le deuxième chariot 250 g de plus sur le premier chariot 250 g de plus sur le premier chariot Étape n o 4 : Répète les étapes n os 2 et 3 en ajoutant des masses sur les chariots. Tel qu il est indiqué dans le tableau ci-dessus, augmente la masse du premier chariot et celle du deuxième chariot de 250 g, puis de 500 g. Analyse et interprétation : 1. Quelle différence y a-t-il entre l énergie cinétique avant la collision et l énergie cinétique après la collision? Si tu constates une différence importante, propose une explication. 2. Quels effets l ajout de masses a-t-il eu? Justifie ta réponse. Conclusion : 3. Réponds par écrit à la question suivante : L énergie cinétique est-elle conservée lors d une collision non élastique? Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 4

5 Application et extrapolation : 4. De nombreux véhicules modernes sont munis de «zones déformables»; ce sont des parties du véhicule qui sont conçues pour se déformer lors d une collision. Par exemple, lors d un face-à-face, le compartiment moteur peut-être très endommagé tandis que le reste du véhicule demeure relativement intact. Des véhicules plus rigides seraient moins susceptibles d être endommagés lors d une collision. Pourquoi les concepteurs incluent-ils des zones déformables? Approfondissement : 5. Les chariots dynamiques sont souvent munis de ressorts ou d aimants pour faciliter les collisions élastiques. Conçois et réalise une expérience pour étudier la conservation de l énergie cinétique lors d une collision élastique. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 1

6 Physique 30 Labo La quantité de mouvement lors d une collision élastique Contexte : Le résultat d une collision entre deux véhicules ou deux objets peut être complexe. Qu il s agisse de chariots de magasinage ou de voitures qui roulent très vite sur l autoroute, la loi de la conservation de la quantité de mouvement aide à analyser ces collisions complexes. Dans ce laboratoire, tu utiliseras un capteur de déplacement pour étudier une collision élastique entre un chariot et un obstacle. Tu compareras la quantité de mouvement avant et après la collision. Problème : La quantité de mouvement est-elle conservée lors d une collision élastique? Variables : Les variables de cette expérience sont la quantité de mouvement avant la collision, la quantité de mouvement après la collision et la masse du chariot. Détermine les variables manipulée(s), répondante(s) et contrôlée(s). Matériel : un capteur de déplacement des masses de 250 g un câble USB une balance à triple fléau ou une balance électronique un chariot de dynamique muni d un aimant un système dynamique (si tu n en as pas, tu peux utiliser n importe quelle rampe lisse) une butée d arrêt magnétique pour piste dynamique Marche à suivre : Étape n o 1 : Branche le câble USB à l ordinateur, puis branche le capteur de déplacement au câble USB. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 1

7 Place le capteur environ aux deux tiers de la piste dynamique. Assure-toi que le capteur est réglé sur «chariot» et place le chariot près du capteur. Installe la butée d arrêt magnétique au bout de la piste, puis oriente le chariot de façon à ce qu il soit repoussé lorsqu il atteint la butée magnétique. Étape n o 2 : Configure l application DataStudio afin d afficher un graphique position-temps des données du capteur de déplacement. Comme c est l affichage par défaut pour ce capteur, ce graphique est peut-être déjà à l écran. Ouvre la fenêtre de configuration dans DataStudio et augmente la fréquence d échantillonnage du capteur à 40 Hz. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 2

8 Clique sur «Démarrer» dans DataStudio, puis lance le chariot en direction de la butée d arrêt magnétique. Tiens ta main hors du champ du capteur, afin qu il détecte le chariot mais pas ta main. Lorsque que le chariot revient vers le capteur après être entré en collision avec la butée d arrêt, clique sur «Arrêter» dans DataStudio. Arrête le chariot avant qu il ne heurte le capteur pour éviter de l endommager. Étape n o 3 : Dans le graphique position-temps, utilise l outil «Régression» pour effectuer deux régressions linéaires : l une sur les mesures avant la collision et l autre sur les mesures après la collision. Ces deux zones, avant et après la collision, devraient être faciles à repérer sur le graphique ; recherche un endroit où la pente de la courbe subit un changement important. C est là que la collision s est produite. La pente formée par la première régression indique la vitesse vectorielle du chariot avant la collision ; la pente formée par la seconde régression indique la vitesse vectorielle du chariot après la collision. Note ces valeurs dans un tableau approprié. Mesure la masse du chariot, puis utilise la masse et la vitesse vectorielle pour calculer la quantité de mouvement initiale (avant la collision) et la quantité de mouvement finale (après la collision). Calcule l écart en pourcentage entre les quantités de mouvement initiale et finale. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 3

9 Essais Vitesse vectorielle initiale (m/s) Vitesse vectorielle finale (m/s) Quantité de mouvement initiale (N/s) Quantité de mouvement finale (N/s) Écart en % entre les quantités de mouvement Aucune masse ajoutée 250 g de plus sur le chariot 500 g de plus sur le chariot Étape n o 4 : Répète les étapes n os 2 et 3 en ajoutant des masses sur le chariot. Tel qu il est indiqué dans le tableau ci-dessus, augmente la masse du chariot de 250 g, puis de 500 g. Analyse et interprétation : 1. Quelle différence y a-t-il entre les quantités de mouvement initiale et finale? Si tu constates une différence importante, propose une explication. 2. Quel effet l augmentation de la masse du chariot a-t-elle eu? Explique ta réponse. Conclusion : 3. Réponds par écrit à la question suivante : La quantité de mouvement est-elle conservée lors d une collision élastique? Application et extrapolation : 4. Conçois et réalise une expérience pour produire une collision élastique entre deux chariots dynamiques. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 4

10 Physique 30 Labo La quantité de mouvement lors d une collision non élastique Contexte : Le résultat d une collision entre deux véhicules ou deux objets peut être complexe. Qu il s agisse de chariots de magasinage ou de voitures qui roulent très vite sur l autoroute, la loi de la conservation de la quantité de mouvement aide à analyser ces collisions complexes. Dans ce laboratoire, tu utiliseras un capteur de déplacement pour étudier une collision non élastique entre deux chariots. Tu compareras la quantité de mouvement avant et après la collision. Problème : La quantité de mouvement est-elle conservée lors d une collision non élastique? Variables : Les variables de cette expérience sont la quantité de mouvement avant la collision, la quantité de mouvement après la collision et la masse des chariots. Détermine les variables manipulée(s), répondante(s) et contrôlée(s). Matériel : un capteur de déplacement des masses de 250 g un câble USB une balance à triple fléau ou une balance électronique deux chariots de dynamique munis de velcro aux extrémités un système dynamique (si tu n en as pas, tu peux utiliser n importe quelle rampe lisse) Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 1

11 Marche à suivre : Étape n o 1 : Branche le câble USB à l ordinateur, puis branche le capteur de déplacement au câble USB. Place le capteur à un bout de la piste dynamique. Assure-toi qu il est est réglé sur «chariot», puis place un des chariots près du capteur et l autre plus loin sur la piste. Dispose les chariots de façon à ce que leurs attaches velcro adhèrent l une à l autre lors de la collision. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 2

12 Étape n o 2 : Configure l application DataStudio afin d afficher un graphique position-temps des données du capteur de déplacement. Comme c est l affichage par défaut pour ce capteur, ce graphique est peut-être déjà à l écran. Ouvre la fenêtre de configuration dans DataStudio et augmente la fréquence d échantillonnage du capteur à 40 Hz. Clique sur «Démarrer» dans DataStudio, puis lance le chariot le plus proche du capteur en direction de l autre chariot. Tiens ta main hors du champ du capteur, afin qu il détecte le chariot mais pas ta main. Après que les chariots se soient heurtés et qu ils aient atteint le bout de la piste, clique sur «Arrêter» dans DataStudio. Étape n o 3 : Dans le graphique position-temps, utilise l outil «Régression» pour effectuer deux régressions linéaires : l une sur les mesures avant la collision et l autre sur les mesures après la collision. Ces deux zones, avant et après la collision, devraient être faciles à repérer sur le graphique ; recherche un endroit où la pente de la courbe subit un changement important. C est là que la collision s est produite. La pente de la première régression indique la vitesse vectorielle du premier chariot avant la collision et la pente de la seconde régression indique la vitesse vectorielle des deux chariots collés ensemble après la collision. Note ces valeurs dans un tableau approprié. Mesure la masse des deux chariots, puis utilise la masse et la vitesse vectorielle pour calculer la quantité de mouvement initiale (avant la collision) et la quantité de mouvement finale (après la collision). Calcule l écart en pourcentage entre les quantités de mouvement initiale et finale. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 3

13 Essais Vitesse vectorielle initiale (m/s) Vitesse vectorielle finale (m/s) Quantité de mouvement initiale (N/s) Quantité de mouvement finale (N/s) Écart en % entre les quantités de mouvement Sans masse additionnelle 250 g de plus sur le second chariot 500 g de plus sur le second chariot 250 g de plus sur le premier chariot 500 g de plus sur le premier chariot Étape n o 4 : Répète les étapes n os 2 et 3 en ajoutant des masses sur les chariots. Tel qu il est indiqué dans le tableau ci-dessus, augmente la masse du premier chariot et du deuxième chariot, de 250 g, puis de 500 g. Analyse et interprétation : 1. Quelle différence y a-t-il entre la quantité de mouvement avant la collision et la quantité de mouvement après la collision? Si tu constates une différence importante, propose une explication. 2. Quel effet l augmentation de la masse des chariots a-t-elle eu? Explique ta réponse. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 4

14 Conclusion : 3. Réponds par écrit à la question suivante : La quantité de mouvement est-elle conservée lors d une collision non élastique? Application et extrapolation : 4. Les chariots dynamiques sont souvent munis d un piston qui permet de les propulser. Conçois et réalise une expérience pour étudier la conservation de la quantité de mouvement lors d une «explosion» qui écarte deux chariots l un de l autre. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 5