Dans ce laboratoire, tu analyseras la force qui agit sur la masse du pendule pendant son oscillation, de façon à déterminer la force centripète.

Transcription

1 Physique Labo La force centripète Contexte : Lorsqu un pendule décrit un mouvement circulaire, une force centripète s exerce sur lui. La masse du pendule suit une trajectoire circulaire à cause de la tension de la ficelle. Lorsque la masse se trouve au point le plus bas de son oscillation, la force qui s exerce sur elle est une combinaison de la force gravitationnelle et de la tension générée par le mouvement circulaire. Dans ce laboratoire, tu analyseras la force qui agit sur la masse du pendule pendant son oscillation, de façon à déterminer la force centripète. Problème : Quelle est l intensité de la force centripète qui s exerce sur un pendule? Variables : Les variables de cette expérience sont la masse du pendule, la longueur de la ficelle, la fréquence du pendule et la force centripète. Détermine les variables manipulées, les variables répondantes et les variables contrôlées. Matériel : un dynamomètre deux câbles USB un support de laboratoire, une pince de fixation et une tige de support une ficelle une règle une masse à suspendre (50 g) une porte photoélectrique une interface pour porte photoélectrique Marche à suivre : Étape n o 1 : Branche le câble USB (qui est connecté à l ordinateur) au dynamomètre. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 1

2 Attache le dynamomètre à la tige de soutien fixée au support de laboratoire. Utilise l autre câble USB et l interface pour connecter la porte photoélectrique à l ordinateur. Attache un bout de la ficelle au crochet du dynamomètre et suspends la masse à l autre bout : la masse doit pouvoir se balancer entre les deux bras de la porte photoélectrique qui est orientée vers le haut. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 2

3 Étape n o 2 : Prépare l application DataStudio pour l acquisition de données. Tu dois effectuer une série d opérations avant de pouvoir recueillir les données. Premièrement, vérifie que la configuration de la porte photoélectrique est bien «porte photoélectrique et pendule». Deuxièmement, configure le dynamomètre pour obtenir un graphique de la force en fonction du temps. Comme il s agit du choix par défaut pour ce capteur, ce graphique est peut-être déjà à l écran. Déplace l icône de la vitesse de la fenêtre principale au graphique de la force en fonction du temps. Les graphiques de la force et de la vitesse seront alors l un au-dessus de l autre et utiliseront le même axe pour le temps. Troisièmement, régle les paramètres de la porte photoélectrique. Mesure la largeur de la masse de ton pendule et entre cette valeur dans la fenêtre de configuration de la porte photoélectrique. Tu dois également augmenter la fréquence d échantillonnage du dynamomètre à 100 Hz. Tu peux aussi effectuer ce changement à partir de la fenêtre de configuration du senseur en cliquant sur l icône du dynamomètre. Étape n o 3 : Appuie sur le bouton «Zéro» du dynamomètre pour l étalonner. Écarte la masse du pendule, puis laisse-la osciller librement dans la porte photoélectrique. Assure-toi que la masse ne heurte pas la porte. Si tu utilises une ficelle relativement longue, il est préférable Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 3

4 de remplacer la masse par un bouchon de caoutchouc pour éviter d endommager la porte photoélectrique si le pendule la heurte. Clique sur «Démarre r» dans l application DataStudio, puis laisse la masse osciller plusieurs fois. Clique ensuite sur «Arrêter» dans DataStudio. Les données obtenues devraient ressembler au graphique suivant (si tes données sont trop serrées, utilise la fonction de mise à l échelle automatique et les commandes de zoom pour mieux les visualiser). Étape n o 4 : Utilise l outil intelligent dans le graphique de la force pour placer le réticule sur le maximum d une des oscillations qui indique une force maximale. Comme le dynamomètre a été étalonné avec la masse suspendue, la force gravitationnelle est éliminée et la force mesurée est donc la force centripète. Utilise l outil intelligent dans le graphique de la vitesse pour aligner verticalement le réticule avec celui du graphique de la force. Note la force et la vitesse dans un tableau semblable à celui qui est montré ci-dessous. À l aide de l outil intelligent, détermine la force et la vitesse pour plusieurs autres maximums. Si tu ne l as pas déjà fait, mesure la masse du poids du pendule et la longueur du pendule. Essai # Masse (kg) Longueur du pendule (m) Vitesse vectorielle (m/s) Force mesurée (N) Force calculée (N) Écart en % force Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 4

5 Analyse et interprétation : 1. Utilise la masse, la longueur du pendule et la vitesse vectorielle mesurée pour calculer la force centripète. Inscris cette valeur dans la colonne «Force calculée» de ton tableau. Effectue ce calcul pour tous les essais. 2. Compare la force centripète mesurée à la force centripète calculée en déterminant l écart en pourcentage entre les deux valeurs. Ces deux valeurs sont-elles semblables? 3. S il y a une différence importante entre la force centripète mesurée et la force centripète calculée, propose quelques raisons qui pourraient expliquer cette différence. Application et extrapolation : 4. Tu veux accroître l intensité de la force centripète exercée sur la masse d un pendule. Décris et explique deux façons d y arriver. Conclusion : 5. Réponds par écrit aux questions suivantes : quelle est la force centripète exercée sur un pendule et comment peut-on la calculer? 6. On ajuste souvent un pendule en modifiant sa longueur et sa masse. Conçois et réalise une expérience pour mesurer la force centripète et étudier les effets de la modification de la longueur du pendule et de sa masse. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 5