Expérience La deuxième loi de Newton : Masse constante

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Eloi Soucy
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1 Expérience La deuxième loi de Newton : Masse constante BUT Le but de cette expérience est de déterminer ce qui arrive à l accélération d un objet lorsque la force nette appliquée sur l objet augmente mais la masse du système est constante. THÉORIE La première loi de Newton déclare que si aucune force nette n agit sur un objet, la vitesse de l objet demeure constante. La deuxième loi de Newton s applique aux situations où il y a une force nette qui agit sur un objet. Cette deuxième loi décrit le comportement de tout objet dont le mouvement est affecté par une force nette de la trajectoire d une balle de baseball au mouvement d une planète. Lorsqu une force nette agit sur un objet, la vitesse de l objet change dit autrement, l objet accélère. Une plus grande force cause une plus grande accélération. La deuxième loi de Newton déclare que l accélération est directement proportionnelle à la force nette qui agit sur l objet et dans la même direction que la force nette. Figure 1 : Newton ( ) La deuxième loi de Newton déclare aussi que l accélération est inversement proportionnelle à la masse de l objet. a F net a 1 m a F net m ÉQUIPEMENT Quantité Équipement et matériaux Numéro de pièce 1 Xplorer GLX de PASPORT PS Capteur de mouvement PASPORT PS Piste PASCO de 1,2 m 1 Voiturette avec poids ME Balance SE Poulie avec clampe ME-9448A 1 m Fils à poulie SE Ensemble de poids à crochet SE-8759

2 PRÉCAUTIONS DE SÉCURITÉ Suivre les directives pour l utilisation de l équipement. APERÇU Utilise le capteur de mouvement pour mesurer le mouvement d une voiturette qui est accélérée par une force nette. Utilise le Xplorer GLX pour enregistrer et analyser la vitesse de la voiturette quand la force nette est augmentée mais la masse du système demeure constante. DÉMARCHES Avant de commencer les démarches, réponds aux questions de la section PRÉDICTIONS dans le rapport de laboratoire. Montage du GLX 1. Démarre le GLX. Si les batteries ne sont pas chargées, branche l adaptateur AC. 2. Branche le capteur de mouvement à un des ports de capteurs sur le haut du GLX. Place le commutateur de distance à la position «près» (la voiturette). Ceci ouvrira un graphique de position (m) en fonction du temps (s). Figure 2 : Commutateur de distance à la position «près». Montage de l équipement 1. Ajoute plusieurs poids à la voiturette : 500 g, 50 g, 20 g et 10 g. Mesure et note la masse de la voiturette avec les poids. 2. Mets une voiturette sur la piste pour t aider à mettre la piste au niveau. Il est important que la piste soit au niveau afin d obtenir les meilleurs résultats possibles. 3. Fixe le capteur de mouvement à un bout de la piste. Mets la voiturette à environ 15 cm du capteur de mouvement. Ajuste l angle du capteur pour qu il vise la voiturette. 4. Fixe la poulie avec clampe à l autre bout de la piste. Place un arrêt fixe devant la poulie pour empêcher la voiturette de frapper la poulie. 5. Coupe un morceau de fils à poulie qui mesure 20 cm de plus que la distance entre le sol et le haut de la poulie. Attache un bout du fils à la voiturette et place le fils par-dessus de la poulie. Fais un nœud avec l autre bout du fils où tu pourras placer le crochet des poids. 6. Mesure et note la masse d un poids à 20g et pends-le sur le noeud au bout du fils.

3 Figure 3 : Schéma du montage de l équipement. 7. Ajuste le fils (au besoin) pour que lorsque la voiturette est à la poulie, la masse au bout du fils ne touche pas le sol. Enregistrement de données Note : La procédure est plus facile si une personne manipule la voiturette et une deuxième personne contrôle le Xplorer GLX. Partie 1 : Aucun transfert de masse 20 g qui pend. 1. Tire la voiturette pour que la masse soit juste en dessous de la poulie. Assure-toi que la voiturette est à au moins 15 cm du capteur de mouvement. 2. Appuie sur le pour commencer l enregistrement. Laisse aller la voiturette pour qu elle se déplace vers la poulie. 3. Appuie sur le pour arrêter l enregistrement juste avant que la voiturette se rende à l arrêt fixe. Partie 2 : Premier transfert de masse 40 g qui pend 1. Pour le deuxième essai transfert 20 g de la voiturette au poids qui pend. Mesure et note la masse totale des poids qui pendent. 2. Appuie sur le pour commencer l enregistrement. Laisse aller la voiturette pour qu elle se déplace vers la poulie. Figure 4 : Schéma du montage de l équipement avec 40 g qui pend. 3. Appuie sur le pour arrêter l enregistrement juste avant que la voiturette se rende à l arrêt fixe.

4 Partie 3 : Deuxième transfert de masse 60 g qui pend 1. Pour le troisième essai mets les deux poids de 20 g sur la voiturette et transfert un poids de 50 g et un poids de 10 g au bout du fils (pour un total d environ 60 g). Mesure et note la masse totale des poids qui pendent. 2. Enregistre le mouvement de la voiturette tel que dans les parties 1 et 2. Partie 4 : Troisième transfert de masse 80 g qui pend 1. Pour le quatrième essai transfert un poids de 20 g aux poids qui pendent au bout du fils (pour un total de 80 g). Mesure et note la masse totale des poids qui pendent. 2. Enregistre le mouvement de la voiturette tel que dans les parties 1 et 2. ANALYSE Utilise l écran Graphique pour analyser la vitesse de la voiturette pour chaque essai. Détermine la pente du graphique de la vitesse en fonction du temps pour obtenir l accélération à chaque essai. 1. Pour changer le graphique afin de voir les données de différents essais, appuie sur le pour activer le menu de l axe vertical. Utilise les flèches pour sélectionner «Exécutez». Appuie sur le pour ouvrir le menu, sélectionne l essai voulu et appuie sur le pour activer ton choix. 2. Pour changer le graphique pour qu il représente la vitesse (m/s) en fonction du temps appuie sur le pour activer le menu de l axe vertical. Appuie sur le pour ouvrir le menu. Sélectionne «Plus», appuie le pour ouvrir le sous-menu, et sélectionne «Vitesse». Appuie sur le pour activer ton choix. 3. Pour déterminer la pente du graphique de la vitesse, appuie sur F3 pour ouvrir le menu «Outils», sélectionne «Régression linéaire», et appuie sur le pour activer ton choix. 4. Si nécessaire, ajuste la région du graphique qui est sélectionnée pour que la droite de la «Régression linéaire» soit pour seulement le mouvement de la voiturette. Appuie sur F3 et choisi «Changer outil». Ceci te permet de déplacer le deuxième curseur. Note : La pente de la droite de «Régression linéaire» est l accélération moyenne de la voiturette. 5. Note la valeur de la pente dans la section «Rapport de laboratoire». 6. Répète les étapes 1 à 5 pour les autres essais.

5 Nom : Date : Expérience La deuxième loi de Newton : Masse constante Rapport de laboratoire PRÉDICTIONS 1. Quel sera l effet d appliquer une force nette sur un objet? 2. Quel sera l effet de changer la force nette qui agit sur un objet lorsque la masse demeure constante? DONNÉES Fais une esquisse des données du capteur de mouvement pour la position en fonction du temps et pour la vitesse en fonction du temps (un essai seulement). Identifie tes axes correctement (avec les unités).

6 Tableau 1 Item Essai 1 : Masse initiale de la voiturette avec poids (mvoiturette) Essai 1 : Masse initiale des poids pendus (mpendue) Essai 2 : Masse totale des poids pendus (0,02 kg +0,02 kg) Essai 3 : Masse totale des poids pendus (0,05 kg + 0,01 kg) Essai 4 : Masse totale des poids pendus (0,05 kg + 0,02 kg + 0,01 kg) Masse (kg) Tableau 2 : Accélération expérimentale Essais Accélération (m/s 2 )

7 Tableau 3 Fnet (force nette) = masse de poids pendus x 9,8 N/kg Essai Masse de poids pendus Fnet (N) Acc. théorique (m/s 2 ) Acc. exp. (m/s 2 ) % différence CALCULS 1. Calcule la valeur théorique de l accélération et note tes valeurs dans le tableau 3. - L accélération théorique est le rapport entre la force nette et la masse totale. a = mpendueg. mvoiturette + mpendue - Pour les essais 2, 3 et 4, la masse totale du système (masse de la voiturette plus la masse pendue) est constante et la force nette (masse pendue x 9.8) augmente. - Si on ne prend pas en considération la friction, la force nette est le poids de la masse pendue (masse x 9.8 N/kg). 2. Calcule le pourcentage de différence entre l accélération théorique et l accélération expérimentale pour chaque essai. Note la valeur dans le tableau 3. Pourcentage de différence = valeur théorique valeur expérimentale x 100% valeur théorique QUESTIONS 1. Pourquoi est-ce que la pente de la vitesse en fonction du temps a changé pour chaque essai?

8 2. Quel est l effet sur la pente de la régression linéaire de l augmentation de la force nette? 3. Quel et l effet de l augmentation de la force nette sur l accélération d un objet (masse totale est constante)?

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