Physique Labo La vitesse d une voiture jouet. Contexte :

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1 Physique Labo La vitesse d une voiture jouet Contexte : Un graphique position-temps peut montrer la vitesse d un objet. Si on représente graphiquement la position d un objet enregistrée à des intervalles de temps réguliers, on peut étudier le mouvement de cet objet en examinant la forme du graphique et en la comparant à celle des graphiques obtenus pour d autres objets semblables. Pour ce labo, tu utiliseras plusieurs voitures jouets et tu devras évaluer la vitesse moyenne de chacune. Des voitures jouets achetées au «magasin à un dollar» feront très bien l affaire, mais tu peux aussi apporter des voitures jouets équipées d un moteur électrique si tu en as à la maison. Plus il y a de véhicules différents, plus l interprétation des graphiques est intéressante et stimulante. En effet, ces jouets ont souvent des comportements étranges qui rendent ce labo un peu plus exigeant. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 1

2 Problème : Quelle est l allure du mouvement d une petite voiture sur un graphique position-temps? Les mouvements de véhicules différents sont-ils semblables? Variables : Les variables de cette expérience sont la position, le temps et le type de véhicule. Détermine les variables manipulées, les variables répondantes et les variables contrôlées. Matériel : un capteur de déplacement un câble USB différentes voitures jouets un ordinateur muni du logiciel DataStudio Marche à suivre : Étape n o 1 : Relie le capteur de déplacement à l ordinateur à l aide du câble USB ou de toute autre interface que tu utilises. Étape n o 2 : Configure ton logiciel d acquisition de données pour générer un graphique position-temps. Étape n o 3 : Place une voiture jouet devant le capteur de déplacement. Démarre l acquisition de données, puis mets le véhicule en mouvement. Recueille des données jusqu à ce que le véhicule s arrête ou soit hors de portée du capteur. Si tu n as pas recueilli assez de données, ajuste l orientation du capteur et recommence l essai. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 2

3 Étape n o 4 : Répète l étape n o 3 avec différentes voitures. Pour cela, échange tes véhicules contre ceux d autres élèves. Étape n o 5 : Lorsque tu auras recueilli des données pour plusieurs voitures différentes, règle les échelles du graphique pour l adapter aux données, puis imprime-le. Voici un exemple de graphique position-temps pour trois voitures jouets : Analyse et interprétation : 1. Indique sur le graphique à quel type de véhicule chaque courbe correspond. 2. Sur chaque courbe, ajoute des symboles afin d indiquer les portions où il n y a pas de mouvement, où la vitesse est constante, où l accélération est positive et où elle est négative. 3. Justifie tes choix au point 2. En quoi la forme de ces courbes indique-t-elle la nature du mouvement? 4. Comment les mouvements des voitures se comparent-ils? Quelle voiture jouet avait la plus grande vitesse constante? Laquelle avait la plus grande accélération? Conclusion : 5. Quelle est l allure du mouvement d une voiture jouet sur un graphique positiontemps? Les mouvements de véhicules différents sont-ils semblables? Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 3

4 Physique Labo Régler son mouvement sur un graphique Contexte : Il est plus facile de décrire le mouvement d un objet si l on peut enregistrer précisément sa position à intervalles de temps réguliers. C est la fonction d un capteur de déplacement. Le capteur de déplacement transmet les positions mesurées à un ordinateur. L ordinateur trace alors un graphique position-temps, qui indique la position de l objet à des instants régulièrement espacés. La forme du graphique obtenu nous renseigne sur la nature du mouvement de l objet. Alors, comment peut-on interpréter la forme d un graphique position-temps? Il peut être utile d essayer de régler un mouvement sur un graphique préexistant. Dans cette activité, tu seras l objet et tu tenteras de régler ton mouvement sur un graphique position-temps préexistant. Problème : Quelle est la relation entre le mouvement d un objet toi et un graphique position-temps de ce mouvement? Variables : Les variables de cette expérience sont la position et le temps. Détermine les variables manipulées, les variables répondantes et les variables contrôlées. Matériel : un capteur de déplacement un câble USB un support muni d une tige un ordinateur muni du logiciel DataStudio Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 1

5 Marche à suivre : Étape n o 1 : Raccorde le capteur de déplacement au câble USB (qui est relié à l ordinateur). Ouvre le fichier DataStudio «P01 Temps et position.ds» qui se trouve dans le dossier Bibliothèque d expériences de DataStudio. Si la bibliothèque d expériences n est pas installée, tu peux la télécharger. Étape n o 2 : Ouvre le fichier DataStudio. Un graphique position-temps semblable à celui-ci s affichera : La courbe rouge sur le graphique représente les données qui ont déjà été entrées. Note bien la valeur minimale de la position sur le graphique. Dans l exemple ci-dessus, cette valeur est de 0,40 m. Elle indique la distance minimale à laquelle tu dois te tenir du capteur de déplacement lorsqu il commence à mesurer ta position. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 2

6 Étape n o 3 : Installe le détecteur de mouvement sur la tige du support. Il doit être dirigé vers ton thorax lorsque tu te tiens devant le détecteur. L espace derrière toi doit être libre pour que tu puisses t éloigner d au moins 2 mètres du capteur. Étape n o 4 : Lorsque tu es prête ou prêt, place-toi devant le capteur de déplacement. Demande à une ou un camarade de cliquer sur le bouton «Démarrer». L enregistrement des données commence après un compte à rebours de trois secondes. Le «curseur» sur l axe vertical du graphique se déplace vers le bas ou vers le haut selon que tu te rapproches ou que tu t éloignes du capteur. Sers-toi de la rétroaction du «curseur» pour déterminer la meilleure position de départ. Observe le tracé de ton mouvement sur le graphique et essaie de te déplacer pour le faire coïncider avec le tracé position-temps déjà présent. Étape n o 5 : Fais une deuxième puis une troisième collecte de données. Essaie autant que possible de faire coïncider le tracé de ton mouvement avec le tracé déjà présent sur le graphique. Analyse et interprétation : 1. Étudie la forme du tracé qui représente ton mouvement. Comment décris-tu ce mouvement? (Par exemple : «Vitesse constante pendant 2 secondes, puis 3 secondes d immobilité, etc.») 2. Clique sur le bouton «Régression» au-dessus du graphique pour réaliser une régression linéaire de la section médiane de ton meilleur tracé position-temps. Tu peux redimensionner le graphique pour l adapter aux données. La pente de cette section médiane correspond à la vitesse du mouvement pendant cet intervalle de temps. Quelle est la pente de la droite de régression pour la section médiane de ton tracé? Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 3

7 Conclusion : 3. Que signifierait une pente plus élevée? 4. Quelle est la relation entre le mouvement d un objet toi et un graphique positiontemps de ce mouvement? Approfondissement : Refais l expérience. Toutefois, au lieu de régler ton mouvement sur des données préexistantes, essaie de le régler sur le graphique du mouvement d une ou d un autre élève. Échange ton tracé contre le sien et essaie de régler ton mouvement sur le sien. Réponds ensuite à la question n o 1 sous «Analyse et interprétation» à partir de ces tracés. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 4

8 Physique Labo La mesure de l accélération gravitationnelle Contexte : Tous les objets sur la Terre sont soumis à un champ gravitationnel. Ce champ accélère le mouvement d objets en chute libre. Il est parfois difficile de mesurer l accélération d un objet en chute libre. Dans ce labo, tu mesureras l accélération gravitationnelle au moyen d une mince lame de plastique transparent avec des barres opaques régulièrement espacées. Cette lame offre très peu de résistance à l air. Lorsqu on la laisse tomber à travers une porte photoélectrique, le senseur détecte les barres opaques au passage, ce qui permet de calculer l accélération gravitationnelle. Problème : Quelle est la grandeur de l accélération gravitationnelle? Variables : Les variables de cette expérience sont l accélération gravitationnelle, la vitesse vectorielle et le temps. Détermine les variables manipulées, les variables répondantes et les variables contrôlées. Matériel : une porte photoélectrique une interface de connexion pour porte photoélectrique un câble USB une lame de plastique transparente qui porte des barres opaques un support de laboratoire un ordinateur muni du logiciel DataStudio Marche à suivre : Étape n o 1 : Fixe la porte photoélectrique au support de laboratoire. Relie l interface de connexion à ton ordinateur à l aide du câble USB (ou l équivalent). Branche ensuite la porte photoélectrique dans l entrée 1 de l interface. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 1

9 Porte photoélectrique et support Étape n o 2 : Le logiciel DataStudio te demandera la distance entre le milieu de deux barres opaques successives. Si tu utilises le grand modèle (picket fence) de Pasco (ME-9377A), les barres sont placées tous les 0,03 m. Cependant, tu peux fabriquer ta propre lame avec du plastique transparent et du ruban adhésif noir. Quel que soit l espacement des barres sur ta lame, assure-toi d entrer la bonne valeur dans DataStudio. Grand modèle Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 2

10 Étape n o 3 : Configure le logiciel DataStudio pour générer un graphique vitesse vectorielle-temps ainsi qu un tableau de l accélération. Étape n o 4 : Tiens la lame de plastique à la verticale au-dessus de la porte photoélectrique. Clique sur «Démarrer» dans DataStudio, puis laisse tomber la lame à travers la porte photoélectrique. Clique sur «Arrêter». Étape n o 5 : Réalise les étapes de la section «Analyse et interprétation» ci-dessous, puis recommence l ensemble du processus à partir de l étape n o 4. Effectue au moins quatre essais qui te fournissent des mesures précises. Analyse et interprétation : 1. Effectue une régression linéaire sur le graphique vitesse vectorielle-temps. La pente de la droite obtenue correspond à la valeur de l accélération de la lame. Note cette valeur. 2. Affiche le tableau de l accélération et clique sur le bouton «Statistiques». La moyenne des valeurs apparaîtra en bas du tableau. Note cette valeur de l accélération de la lame. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 3

11 Conclusion : 3. La pente de ton graphique vitesse vectorielle-temps et la valeur couramment admise de l accélération gravitationnelle sur la Terre (9,81 m/s 2 ) sont-elles semblables? Calcule l écart en pourcentage entre ta valeur expérimentale et la valeur couramment admise. 4. La moyenne des valeurs du tableau de l accélération et la valeur couramment admise de l accélération gravitationnelle sur la Terre (9,81 m/s 2 ) sont-elles semblables? Calcule l écart en pourcentage entre ta valeur expérimentale et la valeur couramment admise. 5. Certains des écarts en pourcentage sont-ils importants? Explique tout écart entre les valeurs mesurées et la valeur couramment admise de l accélération gravitationnelle. Application et extrapolation : 6. La NASA a souvent réalisé des expériences simples de physique à bord de la navette spatiale. Imagine qu on réalise l expérience précédente à bord de la navette spatiale. Les résultats seraient-ils semblables à ceux obtenus sur la Terre? Explique ta réponse. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 4