- enseignement Catholique

HGT - SCG
Physique – UAA3
AUTEURS : Philippe Capelle et Philippe Godts
Fiche d’expérience 5bis
Influence de la vitesse sur l’énergie cinétique1
Objectif d’apprentissage
Montrer comment varie l’énergie cinétique d’un chariot en fonction de la vitesse qu’il acquiert, à partir
de l’analyse des marques laissées par un marqueur de temps sur une bandelette.
Matériel

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

Rail (longueur environ 1 m) muni en son extrémité d’une poulie, chariot (avec charge pour
obtenir une masse totale d’environ 100 g) ;
Fil souple (fil à coudre ou fil de pèche), lests de l’ordre de quelques grammes ;
Marqueur de temps, alimentation électrique et bandelette ;
Supports (cahiers) pour ajuster la pente du rail, papier collant, mètre, balance (à 0,1 g près).
Procédure
1. Réaliser le montage
selon la figure ci-contre,
et brancher le marqueur
de temps à l’alimentation
électrique.
2. Placer le chariot sur le rail
et y accrocher la
bandelette enregistreuse.
3. Placer le chariot près du
marqueur de temps et le
lancer de manière
modérée sur le rail.
4. A l’aide des supports,
régler l’inclinaison du rail
pour faire en sorte que le
chariot lancé se déplace
à vitesse constante.
5. Réaliser une boucle à l’extrémité d’une longueur de fil de pêche (environ 2 m) et y suspendre un
lest de quelques grammes : le poids de ce lest correspond à la force de traction.
6. Poser le chariot sur le rail à 50 cm du marqueur de temps (voir figure ci-dessus). Faire passer le
fil par la poulie et, au moyen d’un papier collant, en fixer une extrémité au chariot quand le lest
1
Avec le marqueur de temps sur bandelette PHYWE 11607-00. La procédure décrite peut aussi être adaptée au marqueur de
temps sur bandelette Leybold 588 813
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touche tout juste le sol. Le but est que le chariot ne soit soumis à la force de traction que quand il
est à moins de 50 cm du marqueur de temps.
Placer le chariot à 40 cm du marqueur de temps, enclencher ce dernier2 et lâcher le chariot.
Celui-ci accélère sur une distance de d = 10 cm, puis se déplace à vitesse constante. Arrêter le
chariot en bout de piste, arrêter le marqueur de temps, enlever la bande enregistreuse.
Réaliser les mesures sur la bande enregistreuse.
 Repérer le point zéro, premier point isolé sur la bande enregistreuse.
 Marquer le point final E de l’accélération (fin de l’action de la force de traction), ici 10 cm
après le point zéro.
 Marquer le 10e point après le point E3. Mesurer la distance s.
 Calculer la vitesse du chariot après le point E.
Déterminer la masse du chariot, la masse du lest et la masse totale.
Calculer l’énergie cinétique communiquée au chariot : elle correspond au travail de la force de
traction.
Noter dans un tableau les valeurs de l’énergie cinétique et de la vitesse.
Reprendre les points 7 à 11 pour des distances d’accélération d = 20, 30 puis 40 cm.
Exemples de résultats4
Masse du chariot : mchariot = 100 g
d
Ecin
v
Ecin/v²
(cm)
(mJ)
(m/s)
(u)
Masse accélératrice : mlest = 4 g
10
4
0,28
51
Masse totale : m = 104 g
20
8
0,39
53
30
12
0,48
52
40
16
0,57
49
Traitement des résultats
1. Découvrir la relation entre l’énergie cinétique et la vitesse (calculer des constantes, tracer des
graphiques …).
2. Identifier à quelle grandeur correspond la constante trouvée.
Remarques pour le professeur



Des frottements variés apparaissent dans cette expérience. Il importe de les minimiser en
utilisant un fin fil de pêche et des pièces mobiles (chariot, poulie) présentant un minimum de
frottement. Les frottements résiduels devront être compensés en donnant une légère
inclinaison au rail, ce qui pourra être discuté avec les élèves, dans la perspective de l’étude des
frottements.
En réalité, la force de traction exercée sur le chariot ne correspond pas exactement au poids
du lest. En toute rigueur, il faudrait réaliser une étude dynamique du mouvement du système
formé par le chariot et le poids. Toutefois, cette approximation est justifiée quand le lest est
beaucoup plus léger que le chariot.
La méthode proposée pour déterminer la vitesse permet d’éviter de devoir mesurer une vitesse
instantanée, dont le concept ne sera mis en place qu’au cours de 5 ème. Dans ce cas, il faut
donc produire une bandelette pour chaque valeur de la distance d. On pourrait aussi laisser le
chariot accélérer sur une distance d’environ 50 cm, et tenter de relever des vitesses
instantanées tous les dix centimètres sur la bandelette, mais cette méthode donne des résultats
moins précis.
Développements attendus principalement visés
A2, A3, T1
La fréquence des marques est d’office réglée sur 50 Hz (50 marques par seconde, donc 0,02 s entre deux marques) pour le
matériel Phywe. Par contre, pour le matériel Leybold, on a le choix entre 10 et 50 Hz : nous conseillons une fréquence de 10 Hz
dans le cas de cette expérience.
2
3
Dans le cas du marqueur de temps de Leybold réglé sur 10 Hz, on pourra se contenter du 5ème point après E.
4
Ici, la valeur de g a été arrondie à 10 N/kg.
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