Physique 11-12 Labo Percevoir l accélération Contexte : Selon la première loi de Newton, un objet accélère seulement lorsque la force résultante qui s exerce sur lui est non nulle. Il est facile de constater si un objet se déplace ou non, mais il n est pas toujours facile de voir s il accélère. Dans ce labo, tu utiliseras un accéléromètre afin d observer les variations du mouvement d un chariot lorsqu une force est exercée sur lui. Comme exercice préalable à l étude des lois de Newton, tu feras varier la masse du chariot pour en déterminer l influence sur l accélération lorsqu une force résultante est exercée. Problème : L accélération est-elle facilement perceptible lorsqu une force est exercée sur un objet? Comment l accélération varie-t-elle selon la masse? Variables : Les variables de cette expérience sont la masse du chariot, la force résultante exercée sur le chariot et l accélération du chariot. Détemine les variables manipulées, les variables répondantes et les variables contrôlées. Matériel : un accéléromètre avec afficheur un chariot de dynamique un câble USB un ordinateur muni du logiciel DataStudio des masses de 250 g pour chariot une piste de dynamique un lanceur de chariot une règle Marche à suivre : Étape n o 1 : Branche l accéléromètre au câble USB (relié à l ordinateur). Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 1
La plage de mesure de l accéléromètre est réglable. Sélectionne la plage de mesure de 20 m/s 2 (réglage manuel). Tu pourrais aussi éventuellement essayer une plage inférieure, selon la force de ton lanceur de chariot. Le nombre de voyants allumés sera proportionnel à la composante horizontale de l accélération mesurée. Chaque voyant représente un cinquième de la plage de mesure. Le bouton noir au centre des deux échelles permet d allumer l accéléromètre et de le remettre à zéro. Configure le logiciel DataStudio pour afficher un graphique accélération-temps. Étape n o 2 : Attache l accéléromètre sur le chariot dynamique, puis fixe le lanceur de chariot à l extrémité de la piste. Place l accéléromètre et le chariot dynamique contre le lanceur. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 2
Étape n o 3 : Règle le lanceur pour que la force de lancement soit faible. Clique sur «Démarrer» dans l application DataStudio pour commencer à recueillir des données. Surveille l axe du temps et déclenche le lancement du chariot le plus près possible de l instant t = 5 s. Une fois le chariot lancé, note ce que l accéléromètre affiche. Aussitôt que le chariot a été propulsé, arrête la collecte de données. Étape n o 4 : Refais l étape n o 3, mais augmente d abord légèrement la force de lancement du chariot. Refais l étape n o 3 plusieurs fois, en augmentant chaque fois la force du lanceur. Après avoir réalisé plusieurs fois l étape n o 3, choisis des échelles appropriées pour ton graphique et imprime-le. Nous l appellerons plus loin «graphique 1». Efface ensuite les données que tu as enregistrées jusqu à présent. Étape n o 5 : Règle le lanceur exactement comme à l étape n o 3. Clique sur «Démarrer» dans le logiciel DataStudio pour commencer à recueillir des données. Surveille l axe du temps et déclenche le lancement du chariot le plus près possible de l instant t = 5 s. Une fois le chariot lancé, note ce que l accéléromètre affiche. Aussitôt que le chariot a été propulsé, arrête la collecte de données. Étape n o 6 : Refais l étape n o 5, mais ajoute d abord une masse de 250 g sur l accéléromètre et le chariot. Refais plusieurs fois l étape n o 5, en augmentant chaque fois la masse sur l accéléromètre et le chariot. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 3
Après avoir répété deux fois l étape n o 5 (en ajoutant une masse chaque fois), choisis des échelles appropriées pour ton graphique et imprime-le. Nous l appellerons plus loin «graphique 2». Analyse et interprétation : 1. Note et encercle les maximums du graphique 1. À l aide de l échelle de l accélération et d une règle, détermine la valeur de l accélération pour chacun des maximums (sinon, utilise le «curseur intelligent» de l application DataStudio). 2. Note et encercle les maximums du graphique 2. À l aide de l échelle de l accélération et d une règle, détermine la valeur de l accélération pour chacun des maximums (sinon, utilise le «curseur intelligent» de l application DataStudio.) Conclusion : 3. Quels voyants de l accéléromètre se sont allumés lorsque tu as lancé le chariot? Qu est-ce que ceci indique sur la force exercée sur l objet? 4. Étudie les résultats du graphique 1. Comment l accélération varie-t-elle lorsque la force exercée sur le chariot augmente? 5. Étudie les résultats du graphique 2. Comment l accélération varie-t-elle lorsque la masse du chariot augmente? 6. Examine la proportionnalité entre la force, la masse et l accélération. Application et extrapolation : Donne une explication pour chacune des situations suivantes en tenant compte des enseignements de ce laboratoire. 7. Les voitures de course comme les Formule Un sont conçues pour avoir la plus petite masse possible. 8. Le «reverse bungee» est une attraction produisant des sensations fortes dans laquelle les participants sont attachés à deux élastiques, tirés vers le sol, puis lâchés et propulsés dans les airs comme par un lance-pierre. Plus les élastiques sont étirés, plus les sensations sont fortes. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 4
Approfondissement : 9. La force est mesurée en newtons. Dans ce labo, l intensité de la force produite par le lanceur de chariot n a pas été mesurée. Refais l expérience en étalonnant d abord le lanceur pour que l intensité de la force de lancement en newtons soit connue. Lorsque tu auras terminé la collecte de données pour ton graphique, utilise l intensité de la force du lanceur et les valeurs maximales de l accélération pour créer un graphique de l accélération en fonction de la force. Discute de tes résultats. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 5
Physique 11-12 Labo Mesurer une force Contexte : La force est mesurée en newtons, mais que représente un newton concrètement? Combien de newtons faut-il pour s acquitter des tâches quotidiennes? Un dynamomètre t aidera à répondre à ces questions. Dans cette activité, tu utiliseras un dynamomètre pour mesurer la force nécessaire à l accomplissement de certaines tâches quotidiennes. Problème : Quelle force faut-il pour s acquitter de tâches quotidiennes? Variables : Les variables de cette expérience sont des tâches exigeant de la force et la force mesurée. Détermine les variables manipulées, les variables répondantes et les variables contrôlées. Matériel : un dynamomètre muni d un crochet un dispositif mobile d acquisition de données, tel que Xplorer ou GLX (tu peux aussi brancher le dynamomètre directement à un ordinateur, mais toutes les tâches doivent alors être effectuées à proximité de l ordinateur) un jeu de masses à suspendre Marche à suivre : Étape n o 1 : Branche le dynamomètre au dispositif mobile d acquisition de données (tel que Xplorer ou GLX.) Dynamomètre Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 1
Tu peux aussi raccorder le dynamomètre directement à un ordinateur à l aide d un câble USB, mais tu ne pourras pas t éloigner beaucoup de l ordinateur. Si tu choisis d utiliser le câble USB, configure le logiciel d acquisition de données pour qu il affiche numériquement la mesure de la force. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 2
Étape n o 2 : Crée un tableau de trois colonnes pour les données : masse suspendue ou tâche, force prédite en newtons et force réelle en newtons. Suspends tour à tour chacune des masses à l extrémité du dynamomètre (masses recommandées : 10, 20, 50, 100, 250, 500 et 1000 g). Ne bouge pas le dynamomètre pendant que tu enregistres la mesure. Pour chaque masse, note l intensité de la force mesurée dans la colonne «Force réelle en newtons» de ton tableau. Étape n o 3 : Mesure la force nécessaire pour effectuer certaines tâches. Pour cela, accroche le dynamomètre à des objets ou appuie le crochet contre des objets et pousse dessus. N excède pas la force maximale du dynamomètre, tu pourrais l endommager. Si tu ne peux pas fixer directement un objet au crochet, essaie en utilisant de la ficelle. Avant de mesurer la force nécessaire pour effectuer une tâche, n oublie pas de la prédire. S il est difficile d obtenir une mesure stable de la force, répète la tâche plusieurs fois, puis conserve la moyenne des mesures. Voici quelques suggestions de tâches : Étape n o 4 : déplacer ton bureau déplacer ta chaise pousser ton cartable de l autre côté de la table ouvrir une porte ouvrir un tiroir soulever différents objets Note dans ton tableau l intensité en newtons des forces mesurées par le dynamomètre. Analyse et interprétation : 1. Crée un graphique à barres afin de comparer les forces nécessaires pour soulever les masses que tu as utilisés et pour exécuter les tâches choisies. Conclusion : 2. Quelle tâche a demandé le plus de force? Pourquoi? Laquelle en a demandé le moins? Pourquoi? Discute des mesures de force illustrées par ton graphique. 3. Dans les cas où tu as tiré ou poussé un objet, quelle force opposait une résistance au mouvement? 4. Dans quel cas ta prédiction était-elle la plus éloignée de la valeur réelle mesurée en newtons? Pourquoi t es-tu trompé? Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 3
Application et extrapolation : Explique cette situation en te servant des connaissances acquises dans ce labo. 5. Les ascenseurs ne peuvent transporter sans risques qu une certaine masse ou un certain nombre de personnes. Approfondissement : 6. Trace un diagramme des forces pour chacune des tâches que tu as effectuées à l étape n o 3. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 4
Physique 11-12 Labo La deuxième loi de Newton : la force exercée sur un chariot muni d un ventilateur Contexte : On fait souvent référence aux lois de Newton pour expliquer le mouvement des objets, mais que dit exactement la deuxième loi de Newton? En exerçant une force sur un objet, on peut le mettre en mouvement, mais quelle est la relation entre la force et le mouvement de l objet? Problème : Quelle est la relation entre la force résultante qui s exerce sur un objet et son accélération? Variables : Les variables de cette expérience sont la force qui s exerce sur un chariot muni d un ventilateur, l accélération du chariot et sa masse. Détermine les variables manipulées, les variables répondantes et les variables contrôlées. Matériel : un dynamomètre muni d un crochet un capteur de déplacement un chariot dynamique une piste dynamique de la ficelle un câble USB un ordinateur muni du logiciel DataStudio un ventilateur pour chariot avec des cylindres de remplacement des piles un support de laboratoire une balance Marche à suivre : Étape n o 1 : Fixe le ventilateur sur le chariot dynamique. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 1
Mesure et note la masse totale du chariot et du ventilateur. Rappelle-toi que certaines des piles du ventilateur peuvent être remplacées par les cylindres pour réduire la vitesse du ventilateur. Au moment de déterminer la masse du chariot avec le ventilateur, assure-toi qu il n y a pas plus de quatre piles ou cylindres. Étape n o 2 : Fixe le dynamomètre sur la tige du support de laboratoire. Branche le dynamomètre à l ordinateur à l aide du câble USB (ou branche-le à un dispositif portatif d acquisition de données). Place l extrémité de la piste dynamique devant le dynamomètre. Place ensuite le chariot, muni du ventilateur, sur la piste et attache-le au crochet du dynamomètre avec la ficelle. Éloigne délicatement le chariot du dynamomètre afin qu il y ait très peu de mou dans la ficelle. Insère une pile et trois cylindres dans le ventilateur. Étape n o 3 : Prépare un tableau à trois colonnes et à quatre lignes. Dans les deux dernières colonnes, tu inscriras les mesures de force et d accélération obtenues lors des quatre scénarios suivants : Étape n o 4 : 1 pile et 3 cylindres 2 piles et 2 cylindres 3 piles et 1 cylindre 4 piles et 0 cylindre Configure l application DataStudio pour qu elle affiche la force mesurée dans un graphique. Allume le ventilateur et lâche le chariot. Celui-ci tirera sur la ficelle attachée au dynamomètre. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 2
Recueille des données pendant seulement quelques secondes. À l aide du curseur, sélectionne la portion du graphique où la mesure de la force est constante. La valeur moyenne de la force apparaîtra dans une fenêtre sur le graphique. Note cette valeur dans ton tableau. Étape n o 5 : Raccorde le capteur de déplacement à l ordinateur à l aide du câble USB et configure l application DataStudio pour qu elle affiche un graphique vitesse vectorielle-temps. Détache la ficelle du chariot afin qu il ne soit plus relié au dynamomètre. Place ensuite le capteur de déplacement devant le dynamomètre. Allume le ventilateur et démarre la collecte de données. Lâche le chariot, laisse-le rouler sur environ 50 cm, puis arrête-le. Éteins le ventilateur et arrête la collecte de données. À l aide du bouton «Régression» au haut du graphique, réalise une régression linéaire sur la portion du graphique qui montre une variation linéaire de la vitesse. La pente de la droite indique l accélération du chariot. Note cette valeur de l accélération dans ton tableau, puis retire le capteur de déplacement de la piste dynamique. Étape n o 6 : Refais les étapes n os 4 et 5 pour chacune des trois autres combinaisons de piles et de cylindres dans le ventilateur. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 3
Analyse et interprétation : 1. Représente graphiquement les mesures de la force en fonction de celles de l accélération selon ton tableau. Trace la droite en passant le plus près possible de tous les points et détermine sa pente. Quelle est l unité de mesure de la pente? Conclusion : 2. Quelle est la relation entre la force et l accélération? 3. Quelle propriété physique la pente de ton graphique représente-t-elle? 4. Quelle différence y a-t-il entre cette pente et la valeur mesurée à l étape n o 1 de ce laboratoire? 5. Trace le diagramme des forces exercées sur le chariot lorsqu il est libre de rouler sur la piste et que le ventilateur est en marche. Que peut-on dire à propos de la somme des forces qui s exercent sur le chariot? Que peut-on dire à propos du mouvement du chariot? 6. Trace le diagramme des forces exercées sur le chariot lorsque le ventilateur est en marche et que le chariot est retenu au dynamomètre par la ficelle. Que peut-on dire au sujet de la somme des forces qui s exercent sur le chariot? Que peut-on dire au sujet du mouvement du chariot? Application et extrapolation : 7. Décris le mouvement et les forces exercées lorsqu une camionnette arrache finalement une souche après une longue tentative. Utilise un diagramme des forces pour décrire cette situation. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 4
Physique 11-12 Labo La deuxième loi de Newton : étude de l accélération Contexte : On fait souvent référence aux lois de Newton pour expliquer le mouvement des objets, mais que dit exactement la deuxième loi de Newton? En exerçant une force sur un objet, on peut le mettre en mouvement. Mais quelle est la relation entre la force et le mouvement de l objet? Dans ce laboratoire, un jeu de masses à suspendre fournira la force nécessaire pour faire accélérer un chariot sur une piste. La force gravitationnelle qui s exerce sur les masses fait accélérer à la fois les masses et le chariot sur la piste (le chariot porte un dynamomètre dont il faut aussi prendre en compte la masse). Selon la deuxième loi de Newton, l accélération est directement proportionnelle à la force résultante exercée, donc l accélération du chariot peut être décrite par l équation suivante : F rés m a 5 m 5 masse suspendue g (m chariot 1 m masse suspendue ) Problème : Quelle est la relation entre la force résultante exercée sur un objet et son accélération? Variables : Les variables de cette expérience sont la force exercée qui est causée par la gravité, l accélération et la masse du chariot. Détermine les variables manipulées, les variables répondantes et les variables contrôlées. Matériel : un dynamomètre avec crochet un capteur de déplacement un chariot dynamique une piste dynamique de la ficelle des câbles USB un ordinateur muni du logiciel DataStudio une poulie avec une pince de fixation un jeu de masses à suspendre une balance Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 1
Marche à suivre : Étape n o 1 : Attache le dynamomètre au chariot dynamique. Branche le dynamomètre et le capteur de déplacement à l ordinateur à l aide des câbles USB. Le capteur de déplacement doit faire face au chariot dans l axe de la piste dynamique. Le crochet du dynamomètre doit pointer dans la direction opposée au capteur de déplacement. Fixe la poulie à l extrémité de la piste. Attache le crochet au dynamomètre à l aide de la ficelle, de façon à ce que ce crochet se trouve au moins à 10 cm au-dessus du sol. Étape n o 2 : Prépare un tableau pour y noter les valeurs suivantes : Variable 1 2 3 4 Masse du chariot avec le dynamomètre Masse du crochet et des masses suspendues Force (mesurée par le dynamomètre) Accélération (mesurée par le capteur de déplacement) Force (valeur théorique calculée) Accélération (valeur théorique calculée) Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 2
Étape n o 3 : Accroche 20 grammes sur le crochet. Mesure la masse totale du crochet et de la masse qui y est accrochée et note-la dans ton tableau. Étape n o 4 : Configure l application DataStudio afin qu elle affiche un graphique vitesse vectorielle-temps pour le capteur de déplacement. Configure ensuite l application DataStudio afin qu elle affiche un tableau pour le dynamomètre. Clique sur le bouton «Statistiques» au haut du tableau et choisis «Moyenne». Étape n o 5 : Tire le chariot vers l extrémité gauche de la piste dynamique à proximité du capteur de déplacement : le crochet ne doit pas atteindre la poulie. Soulève les masses suspendues pour que la ficelle ne tire pas sur le dynamomètre et appuie sur le bouton d étalonnage du capteur de force afin de le remettre à zéro. Commence à acquérir des données, puis lâche le chariot. Arrête la collecte de données avant que le chariot n atteigne la poulie ; ne laisse pas le chariot entrer en collision avec la poulie. Étape n o 6 : Complète les étapes de la section «Analyse et interprétation» ci-dessous, puis refais l ensemble du processus à partir de l étape n o 3 et en suspendant 20 g de plus. Réalise ainsi quatre essais en tout, chacun avec des masses suspendues différentes. Analyse et interprétation : 1. Effectue une régression linéaire sur les données du capteur de déplacement qui montrent la variation de la vitesse vectorielle du chariot. La pente de la droite obtenue est la mesure de l accélération du chariot que tu dois inscrire dans ton tableau. 2. La valeur moyenne de la force est la mesure de la force que tu dois inscrire dans ton tableau. 3. À l aide de l équation fournie dans la section «Contexte», calcule la force résultante exercée sur le chariot ainsi que son accélération. N oublie pas d inclure la masse du dynamomètre dans la masse totale du chariot. 4. Calcule l écart en pourcentage entre la valeur mesurée et la valeur théorique de l accélération pour chaque essai. Rappelle-toi la formule de l écart en pourcentage : Écart en % 5 valeur mesurée 2 valeur théorique 3 100 % valeur théorique Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 3
Conclusion : 5. Quelle est la relation entre la force résultante et l accélération du chariot? 6. Y a-t-il des essais pour lesquels l écart en pourcentage de l accélération est important? Explique les écarts entre les valeurs mesurées et les valeurs théoriques (calculées) de l accélération. 7. Trace un diagramme décrivant les forces exercées sur le chariot et les masses suspendues. Application et extrapolation : 8. Lors de l exploration d un gouffre, un spéléologue descend un collègue au bout d une corde. Ce collègue étant trop lourd, il n arrive pas à le faire descendre progressivement. Par conséquent, la descente du spéléologue suspendu à la corde s accélère. Explique cette situation à l aide de la deuxième loi de Newton et trace un diagramme des forces pour l illustrer. Suggère une méthode qui permettra de descendre le spéléologue dans le gouffre à une vitesse régulière et sécuritaire. Trace ensuite un diagramme des forces pour illustrer ta suggestion. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 4
Physique 11-12 Labo La troisième loi de Newton : l action des ressorts Contexte : Selon la troisième loi de Newton, lorsque deux objets interagissent, les forces d action et de réaction sont égales. Si cela est vrai, deux élèves sur des planches à roulettes doivent exercer des forces égales l un sur l autre pour se repousser mutuellement. Cela doit être le cas quelle que soit la masse des élèves. L équation mathématique est la suivante : F 1 5 F 2 Si on applique la deuxième loi de Newton, l équation mathématique devient : m 1 a 1 5 m 2 a 2 Dans ce laboratoire, tu utiliseras deux chariots munis d un ressort pour étudier la troisième loi de Newton. Les forces d action et de réaction sont-elles vraiment égales? Problème : La force de réaction a-t-elle la même intensité que la force d action? Variables : Les variables de cette expérience sont la masse des chariots, l accélération des chariots et la force exercée sur les chariots. Détermine les variables manipulées, les variables répondantes et les variables contrôlées. Matériel : deux capteurs de déplacement deux chariots dynamiques munis d un ressort intégré une piste dynamique des câbles USB du ruban adhésif un ordinateur muni du logiciel DataStudio 2 masses de 250 g (des masses de 500 g peuvent aussi être utilisées) une balance Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 1
Marche à suivre : Étape n o 1 : Mesure et note la masse des chariots dynamiques. Place les deux chariots dynamiques face à face sur une piste dynamique horizontale. Dispose-les de façon à ce que le piston de l un des chariots soit face à l extrémité sans piston de l autre chariot. Pousse le piston dans le chariot afin qu il soit prêt à être libéré. S il y a du velcro aux extrémités des chariots pour les attacher l un à l autre (ce qui nuirait aux résultats), recouvre-le avec du ruban adhésif. Étape n o 2 : Branche les deux capteurs de déplacement à un ordinateur à l aide des câbles USB et placeles aux extrémités de la piste dynamique, face aux chariots. Aligne bien les capteurs de déplacement dans l axe de la piste. Configure l application DataStudio afin qu elle affiche un graphique vitesse vectorielletemps pour chaque capteur de déplacement. Avant de commencer la collecte de données, règle la fréquence d échantillonnage des capteurs au maximum (l expérience se déroule très rapidement, donc il est préférable que les capteurs acquièrent autant de mesures par seconde que possible). Il suffit de double-cliquer sur l image du capteur de déplacement dans l application, puis d ajuster la fréquence d échantillonnage. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 2
Étape n o 3 : Prépare un tableau pour noter les valeurs suivantes : Caractéristiques des chariots 1 2 3 4 Masse du chariot n o 1 Accélération du chariot n o 1 Masse du chariot n o 2 Accélération du chariot n o 2 Étape n o 4 : Commence à recueillir des données en cliquant sur «Démarrer» dans l application DataStudio. Ensuite, libère le piston du chariot. Assure-toi d arrêter les chariots avant qu ils ne heurtent les capteurs de déplacement. Étape n o 5 : Choisis des échelles appropriées pour les graphiques vitesse vectorielle-temps produits par les deux capteurs et effectue une régression linéaire sur les portions de chaque graphique qui montre une variation linéaire de la vitesse. Chaque régression fournira une mesure de la pente. Inscris ces valeurs de l accélération des chariots n os 1 et 2 dans les cases appropriées de ton tableau. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 3
Étape n o 6 : Répète les étapes n os 4 et 5 trois fois, en ajoutant chaque fois une masse de 250 g au chariot n o 1. Analyse et interprétation : 1. Calcule la force exercée sur chaque chariot lors de chaque essai, en utilisant les valeurs de la masse et de l accélération que tu as obtenues. 2. Crée un tableau pour comparer les intensités des forces exercées sur les chariots pour chaque essai. Conclusion : 3. Quelle est la relation entre les forces exercées sur chacun des chariots? 4. Comment les accélérations des chariots n os 1 et 2 ont-elles varié lorsque tu as augmenté la masse du chariot n o 1? Quelle est la relation entre la masse et l accélération d un chariot? 5. Trace un diagramme pour décrire les forces exercées sur les chariots à chacun des essais. Application et extrapolation : 6. Sue Nattrass est une tireuse d Edmonton, en Alberta, qui a représenté le Canada aux Jeux olympiques à plusieurs reprises. L épreuve de la fosse olympique consiste à tirer sur des cibles d argiles avec un fusil de chasse. Le recul du fusil est important et exerce une force puissante sur l épaule du tireur au moment du tir. Réfléchis au problème du recul à l aide de la troisième loi de Newton. Comment pourrais-tu réduire l effet du recul sur l épaule des tireurs si tu étais une conceptrice ou un concepteur de fusils? Approfondissement : 7. Refais l expérience en déclenchant les pistons des deux chariots en même temps. Note, analyse et présente tes résultats. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 4
Physique 11-12 Labo Le coefficient de frottement Contexte : Lorsque deux surfaces glissent l une sur l autre, il se produit un frottement. L intensité du frottement dépend de la nature des surfaces en contact. Elle peut être exprimée à l aide d un coefficient. Plus ce coefficient est élevé, plus la force de frottement est intense. Dans ce laboratoire, tu détermineras le coefficient de frottement d un bloc qui glisse sur un plan incliné. Problème : Quel est le coefficient de frottement d un objet qui glisse sur un plan incliné? Variables : Les variables de cette expérience sont la nature des surfaces, l angle de la rampe, la masse du bloc, sa vitesse vectorielle et le coefficient de frottement. Détermine les variables manipulées, les variables répondantes et les variables contrôlées. Matériel : un capteur de déplacement un bloc rectangulaire avec des pièces de feutre collées sur deux côtés un câble USB un support de laboratoire muni d une tige (on peut aussi utiliser des livres pour soutenir le plan incliné) une rampe métallique lisse un rapporteur d angle un ordinateur muni du logiciel DataStudio Marche à suivre : Étape n o 1 : Branche le câble USB (ou l équivalent) à l ordinateur, puis raccorde le capteur de déplacement au câble USB et assure-toi qu il est réglé sur «chariot». Tu dois ensuite fixer le capteur de déplacement au haut d un plan incliné. Crée un plan incliné en appuyant la rampe sur le support de laboratoire ou simplement sur une pile de livres. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 1
Étape n o 2 : Mesure la masse du bloc rectangulaire et note-la. Ensuite, place le bloc sur le plan incliné, la plus grande face en bois contre la rampe métallique. Étape n o 3 : En procédant par essais et erreurs, ajuste l inclinaison de la rampe pour que le bloc glisse à vitesse constante. Tu devras donner une légère poussée au bloc pour qu il commence à glisser. S il ne glisse pas, augmente l inclinaison de la rampe. S il accélère pendant sa descente, réduit l inclinaison de la rampe. Étape n o 4 : Lorsque tu crois que le bloc descend à une vitesse constante, vérifie-le à l aide du capteur de déplacement. Configure l application DataStudio (ou l équivalent) pour qu elle affiche Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 2
un graphique position-temps. Clique sur le bouton «Démarrer» dans l application DataStudio et fais glisser le bloc. Clique sur «Arrêter» juste avant que le bloc n atteigne le bas de la rampe. Si le graphique position-temps montre une droite, cela signifie que la vitesse vectorielle du bloc est constante. Si le tracé n est pas rectiligne, le bloc a accéléré et il faut réduire l inclinaison de la rampe pour remédier au problème. Utilise le capteur de déplacement autant de fois que nécessaire pour obtenir une descente à vitesse constante. Étape n o 5 : Lorsque tu as vérifié que la vitesse de descente est effectivement constante, mesure et note l inclinaison de la rampe dans un tableau approprié. Essai Inclinaison (degrés) Grande face en bois Petite face en bois Grande face feutrée Petite face feutrée Analyse et interprétation : 1. Trace quatre diagrammes des forces représentant le bloc qui glisse sur le plan incliné, un pour chaque orientation du bloc. 2. Calcule le coefficient de frottement pour chaque orientation du bloc. Conclusion : 3. Touche la grande et la petite face en bois avec ta main. Perçois-tu une différence? Existe-il une différence importante entre les coefficients calculés pour les deux faces en bois? Explique ta réponse. 4. Touche la grande et la petite face recouvertes de feutre avec ta main. Perçois-tu une différence? Existe-il une différence importante entre les coefficients calculés pour les deux faces recouvertes de feutre? Explique ta réponse. 5. Le coefficient de frottement dépend-il de l aire des surfaces en contact? Explique ta réponse. Application et extrapolation : 6. Une toute petite surface relie un véhicule à la route, puisque seule la base des pneus est en contact avec la chaussée et produit le frottement qui empêche le véhicule de déraper. Que doit-on considérer en premier pour maximiser le frottement latéral qui maintient un véhicule sur la route : la largeur du pneu ou le type de bande de roulement? Explique ta réponse. Reproduction autorisée Chenelière Éducation inc. 3