Énergie mécanique : étude énergétique de la - Physique
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Thème 2 : Comprendre Chapitre 6 TP - Énergie mécanique : étude énergétique de la chute d'une balle de golf I - Énergies cinétique, potentielle et mécanique d'un système I-1- Énergie cinétique d'un système 1- L'énergie cinétique d'un système de masse m en mouvement à la vitesse v vaut 2- Dans cette relation □ Ec mv □ m est en g □ m s'exprime en kg 1 □ Ec mv 2 1 □ Ec mv 2 2 □ v est en km/h □ v s'exprime en m.s-1 □ Ec s'exprime en eV □ Ec mv 2 □ Ec s'exprime en J 3- Pour estimer la vitesse au point M3, notée v(M3) à partir d'une chronophotographie on réalise le calcul 4- Sur la chronophotographie présentée à la question précédente, l'énergie cinétique du système M3M2 t3 □ augmente au cours du mouvement. □ v(M3 ) M4M2 t3 □ diminue au cours du mouvement. □ v(M3 ) M4M2 t 4 t2 Justification : □ v(M3 ) M3M1 t 3 t1 □ v(M3 ) □ reste constante au cours du mouvement. I-2- Énergie potentielle de pesanteur d'un système 1- L'énergie potentielle de pesanteur d'un système de masse m en mouvement à la vitesse v et situé à une altitude z vaut 2- Dans cette relation □ Ep mgv □ m est en g 1 □ Ep gz 2 □ m s'exprime en kg □ v s'exprime en m.s-1 □ Ep mgz □ z s'exprime en km □ Ep vgz □ Ep s'exprime en eV 3- Pour estimer l'énergie potentielle de l'objet au point M4 en utilisant la formule de la question 1- 4- Sur la chronophotographie présentée à la question précédente, l'énergie potentielle de pesanteur du système □ Il faut définir un axe des altitudes verticale orienté vers le haut. □ augmente au cours du mouvement. □ Il faut définir un axe des altitudes verticale orienté vers le bas. □ reste constante au cours du mouvement. □ diminue au cours du mouvement. Justification : □ On choisit généralement l'origine de l'axe vertical permettant de repérer l'altitude. □ Il est indispensable d'estimer la vitesse de l'objet au point M4. 1 I-3- Énergie mécanique d'un système Expression de l'énergie mécanique d'un système de masse m, se déplaçant avec une vitesse v, et situé à une altitude z : Unité de Em : II - Étude énergétique de la chute d'une balle de golf : relevé des positions du centre de gravité de la balle au cours du mouvement 1. Lancement du logiciel Lancer le logiciel Avimeca : Ouvrir le fichier CHGOLF.AVI : Fichier > Ouvrir un clip vidéo Regarder dans répertoire : Usager E15 > 1S2 > CHGOLF.AVI Le film est un enregistrement du mouvement d'une balle de golf. L'intervalle de temps entre deux images consécutives est de 40 ms. 2. 3. Étalonnage Cliquer sur l'onglet étalonnage. Définir un système d'axes : cliquer sur le type d'axes que vous souhaitez définir puis faire glisser les axes sur l'image. Positionner l'origine de l'axe des y au niveau du sol. Définir une échelle de taille : La distance entre un point p1 situé au niveau du sol et un point p2 situé à la verticale de p1 au niveau de la base du siège sur lequel est assise la personne vaut 1,80 m. Relevé des positions de la balle au cours du temps Cliquer sur l'onglet Mesures, juste à côté d'Étalonnage. C'est ici que s'afficheront les coordonnées de vos points de mesures. Pointer la position de la balle avec le curseur. Dès l'instant où vous aurez cliqué, Aviméca vous affichera l'image suivante. NB : - Pour faciliter le pointage utiliser la loupe : NB : - Ne pas prendre de points lorsque la balle remonte. Une fois que vous avez terminé le pointage, enregistrer le fichier en cliquant sur . Choisir ensuite « Regressi Windows » puis faire OK. Enregistrer votre fichier dans le dossier Usager E15 > 1S2 >fichiers regressi chute libre. Ouvrir ensuite Regressi (icône sur le bureau). Faire Fichier / Ouvrir, puis sélectionner votre fichier. III - Étude énergétique de la chute d'une balle de golf : calcul des différentes énergies avec Regressi 1. Définition des paramètres de l'expérience et des variables étudiées Pour exploiter l'enregistrement, on va avoir besoin de deux paramètres : m, la masse de la balle : m = 0,010 kg g, l'intensité du champ de pesanteur : g = 9,81 N/kg Pour cela, cliquer sur l'onglet paramètres puis sur Y+ et définir les paramètres m, puis g. 2 Énergie cinétique Définition des variables vitesse : vy et énergie cinétique : Ec Pour définir une nouvelle variable : cliquer sur l'onglet expressions puis cliquer sur Y+ 1. Définir la variable vitesse suivant l'axe vertical en entrant la formule : vy = (y[i+1]-y[i-1])/(t[i+1]-t[i-1]) Expliquer la formule de la vitesse, vy = (y[i+1]-y[i-1])/(t[i+1]-t[i-1]). Définir la variable énergie cinétique : Ec = 0,5*m*vy^2 Énergie potentielle de pesanteur de la balle 2. Rappeler la formule donnant la valeur de l'énergie potentielle de pesanteur d'un objet de masse m et situé à une hauteur altitude z. Ep = Définir la variable Ep (onglet expression / clic sur Y+) : Expression entrée pour Ep : Énergie mécanique du système Définir une dernière variable Em pour l'énergie mécanique. Expression entrée pour Em : 2. Tracé et exploitation des courbes représentant les différentes énergies en fonction du temps Pour tracer un graphique cliquer sur Graphe : Par défaut, Regressi affiche le graphique représentant la 2ème variable du tableau en fonction de la première variable. Pour modifier les variables tracées et ajouter des courbes cliquer sur Coordonnées : Tracer : o Ep = f(t) o Ec = f(t) o Em = f(t) Choisir des points comme option de représentation. Imprimer le graphique obtenu ; repasser avec trois couleurs différentes les courbes obtenues. 4. Décrire l'évolution de l’énergie cinétique de la balle, de l’énergie potentielle de pesanteur de la balle et de l'énergie mécanique de la balle au cours de sa chute dans l’air. 5. Mettre en relation les variations de l'énergie potentielle de pesanteur du système au cours du mouvement avec les variations de l'énergie cinétique du système au cours du mouvement. 3 6. 7. L'allure du graphique obtenu lorsque l’on fait exactement la même étude mais que la balle chute dans de l’huile est présenté ci-dessous. Que peut-on dire de l’énergie mécanique dans ce cas ? Proposer une explication. Conclure : dans quel cas l’énergie mécanique se conserve-t-elle ? 4
