TP 2° loi de Newton
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TP: Deuxième loi de Newton But du TP : Vérifier la deuxième loi de Newton dans quelques cas simples. Dans un référentiel galiléen, la deuxième loi de Newton fait le lien entre la variation du vecteur vitesse du centre d’inertie d’un solide et les forces extérieures agissant sur celui-ci entre deux dates très proches. I) La chute libre 1) Définition La chute libre est le mouvement d’un solide soumis à la seule action de son poids. 2) Expérience du tube de Newton Le tube de Newton est un tube de verre qui contient une plume et une bille. Le tube est vide d’air : les deux objets ont-ils le même mouvement de chute ? Le tube est plein d’air : les deux objets ont-ils le même mouvement de chute ? A quelles forces est soumis chaque objet ? La masse a-t-elle une influence sur la vitesse de chute ? Qui est responsable des différences observées lors de la première expérience ? 3) Traitement d'une vidéo de la chute libre d’une balle sans vitesse initiale Ouvrir la vidéo "chute verticale". La vidéo a été faite dans l’air et pourtant on étudie la chute libre. Pourquoi ? Capture des points à l’aide du logiciel Aviméca Ouvrir le logiciel Aviméca. Dans le menu Fichiers, choisir ouvrir un clip vidéo puis sélectionner le clip "chute verticale". Dans la partie droite, cliquer sur Etalonnage, cocher origine et sens des axes et sélectionner les axes comme indiqué ci-contre. Pointer alors l'origine des axes sur la croix centrale du repère. Pour plus de précision, on utilisera l'outil "loupe". Cocher ensuite Echelle et suivre les instructions. La distance entre deux points du repère est 0,5 m. Retourner sur Mesures, se placer sur la première cellule et vérifier que la durée entre deux prises de vue est bien de 40 ms. Si ce n'est pas le cas, modifier la valeur dans Propriétés du clip. On peut alors cliquer sur la position de la bille pour la première image (garder l'outil "loupe"). Le clip passe alors automatiquement à l'image suivante. On clique à nouveau sur la position de la bille et ainsi de suite. Arrivé à la dernière image, sélectionner toutes les valeurs et les copier dans le presse papier. Ouvrir alors Excel et coller les valeurs. Exploitation Dans la cellule D2, écrire "Vx". dans la cellule D3, écrire "m/s". Faire la même chose dans la colonne E avec Vy. Peut on déterminer Vx et Vy pour t = 0 et t = 0,48 s? Dans la cellule D5, entrer la formule permettant de calculer Vx. Copier cette formule jusqu'à E15. Dans la cellule F2, écrire V2 puis son unité dans la cellule en dessous. Entrer dans la cellule F5 la formule permettant de calculer V et copier celle ci jusqu'en F15. Sélectionner les valeurs de y et de V2 en utilisant la touche ctrl puis tracer le graphe V2 = f(y). Ajouter une courbe de tendance et afficher l'équation sur le graphique. Obtient-on une droite passant par l'origine ? Conclusion: Le carré de la vitesse V 2 est-il proportionnel à la hauteur de la chute ? Noter la valeur du coefficient directeur et diviser celle ci par 2. Quelle est la signification physique de cette grandeur ? En déduire la relation entre la vitesse d'un corps en chute libre et la hauteur de chute H. Dans la colonne G, calculer ΔV Vn1 Vn1 de G6 à G14. Que constate-t-on? Quelles sont les caractéristiques de ΔVG ,variation du vecteur vitesse du centre d’inertie de la balle ? Descente d’un mobile autoporteur sur une table inclinée II) 1) Étude du mouvement Le document 1 correspond à l'enregistrement du mouvement du centre d'inertie d'un mobile autoporteur lâché sans vitesse initiale sur un plan incliné. Décrire la trajectoire du centre d’inertie du mobile autoporteur. Décrire le mouvement du mobile autoporteur. Le mouvement du mobile autoporteur sur la table inclinée est-il une chute libre ? 2) Étude des forces Faire l’inventaire des forces s’exerçant sur le mobile. Sur un schéma, représenter les forces extérieures s’exerçant sur le mobile. Dessiner en rouge la résultante des forces extérieures. Quels sont sa direction et son sens ? 3) Étude des vitesses Représenter les vecteurs vitesses aux dates figurant dans le tableau. (Échelle : 2 cm pour 0,1 m.s 1 .) t6 t13 t15 t4 Date V ( m.s 1 ) Tracer les variations des vecteurs vitesse V5 V6 V4 au point 5 et V14 V15 V13 au point 14. Comparer la direction et le sens de la variation de vitesse et ceux de la résultante des forces. III) Mouvement d’un mobile autoporteur lancé vers le haut sur une table inclinée 1) Étude du mouvement Même travail qu’au II 1 sur le document n°2. 2) Étude des forces Même travail qu’au II 2. 3) Étude des vitesses Représenter les vecteurs vitesses aux dates figurant dans le tableau. (Échelle : 1 cm pour 0,1 m.s 1 .) t 16 t7 t9 t 20 t2 t4 t 14 Date 1 V ( m.s ) Tracer les variations des vecteurs vitesse V3 V4 V2 au point 3, V8 V9 V7 au point 8, V15 V16 V14 au point 15 et V21 V22 V20 au point 21. Comparer la direction et le sens de la variation de vitesse et ceux de la résultante des forces. IV) Mouvement circulaire uniforme Le mobile est relié par un pivot inextensible à un point fixe et est lancé sur une table horizontale. On obtient le document 3. 1) Étude du mouvement Décrire la trajectoire du centre d’inertie du mobile autoporteur. Décrire le mouvement du mobile autoporteur. Retrouver le centre du cercle et déterminer R, le rayon du cercle. t 22 2) Étude des forces Même travail qu’au II 2. 3) Étude des vitesses Représenter les vecteurs vitesses aux dates figurant dans le tableau. (Échelle : 2 cm pour 0,1 m.s 1 .) t 10 t 13 t8 t4 t2 Date V ( m.s 1 ) Tracer les variations des vecteurs vitesse V3 V4 V2 au point 3, V9 V10 V8 au point 9 et V14 V15 V13 au point 14. Comparer la direction et le sens de la variation de vitesse et ceux de la résultante des forces. t 15
