- enseignement Catholique

HPT
Formation scientifique
UAA15
AUTEURS : J.-B. Schuermans, et Ph. Godts
Fiche d’expérience 1
Conservation de l’énergie mécanique
Objectifs d’apprentissages
Mettre en évidence l’influence de la vitesse sur l’énergie cinétique du véhicule, dissipée entièrement
lors d’un choc frontal.
Traduire l’énergie cinétique en énergie potentielle équivalente, c’est-à-dire en hauteur de chute.
Enoncé de la situation
On dit qu’un choc frontal à 90 km/h en voiture équivaut à une chute d’une hauteur de onze étages.
Pourquoi ?
Expérience 1
Description générale
L’énergie potentielle gravifique d’un wagon est transformée en énergie cinétique quand il descend le
long d’un rail incliné.
Matériel
Rail incliné souple ou rigide, statif, mobile, fourche optique, mètre, balance de laboratoire
Procédure
1.
2.
3.
Placer la fourche optique sur le rail, et
mettre celle-ci en attente.1
Placer la partie soulevable du rail à sa
position la plus haute, déposer le wagon en
haut du rail, demander à un assistant de
mesurer sa hauteur hi (centre du wagon)
par rapport à la table, lâcher le wagon
(demander à l’assistant de le rattraper en
fin de course), mesurer la hauteur hf du
centre du wagon par rapport à la table,
noter les valeurs de la hauteur (h = hi – hf)
et de la vitesse dans un tableau et remettre
la fourche optique en attente.
Recommencer la procédure décrite au point 3 pour différentes hauteurs.
Fourche
optique
L’illustration et les exemples de mesure ont été obtenus avec l’ensemble « NRJMECA » et la fourche optique « BEESPI » de
la firme Narika (commercialisé par Sordalab), ainsi qu’avec un wagon Märklin (écartement HO).
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Exemples de résultats
h
(cm)
v
(m/s)
5,1
0,69
v/h
(u)
0,135
v2/h
(u’)
0,093
8,7
1,11
0,127
0,142
13
1,41
0,108
0,153
17,5
1,65
0,094
0,156
22,5
1,87
0,083
0,155
27,2
2,07
0,076
0,158
L’énergie cinétique acquise par le wagon (mv2/2) est
idéalement égale à son énergie potentielle initiale
(mgh). En égalant leurs expressions mathématiques,
on trouve que le rapport v2/h doit être normalement
constant. L’examen des résultats montre que ce n’est
pas tout à fait le cas dans la pratique. La raison en est
qu’une partie de l’énergie cinétique acquise dans la
descente est dissipée sous forme de frottements ; ces
frottements sont proportionnellement plus importants à
basse vitesse.
Remarques pour le professeur
Pour aller plus loin, on peut calculer les valeurs des énergies potentielles et cinétiques (ce qui
nécessite de connaître la masse du wagon). Comme le montrent les exemples de résultats cidessous, l’énergie cinétique finale est inférieure à l’énergie potentielle initiale. La différence
correspond à l’énergie dissipée par frottement.
Masse du wagon : m = 42 g
120.0
100.0
Epot
(mJ)
v
(m/s)
Ecin
(mJ)
Ediss
(mJ)
5,1
21,0
0,69
10,0
11,0
8,7
35,8
1,11
25,9
10,0
13
53,6
1,41
41,8
11,8
20.0
17,5
72,1
1,65
57,2
14,9
0.0
22,5
92,7
1,87
73,4
19,3
27,2 112,1 2,07
90,0
22,1
Energie (mJ)
h
(cm)
80.0
60.0
Energie potentielle
gravifique
40.0
Energie cinétique
1
2
3
4
5
6
Essai
Expérience 2
Description générale
Dans cette expérience, l’utilisation d’un pendule permet de réduire fortement les pertes par frottement.
Matériel



Pendule, statif
Capteur de vitesse
Règle graduée
Procédure
1.
2.
3.
4.
Au moyen d’un statif, suspendre le pendule à quelques centimètres du plan de travail. Mesurer la
distance d1 séparant le plan de travail et la base de la masse du pendule au repos.
Placer le capteur de vitesse sur la trajectoire du pendule (à l’aplomb du point de fixation).
Ecarter le pendule de sa position d’équilibre, mesurer la distance d2 séparant le plan de travail et
la base de la masse du pendule dans cette position écartée.
Mettre le capteur en attente ; lâcher le pendule ; noter la vitesse mesurée.
Remarque pour le professeur
Les dissipations d’énergie sont minimes pour un pendule ; on vérifie donc avec une bonne précision
l’égalité des énergies potentielle et cinétique (𝑚𝑔ℎ =
donc inutile de mesurer la masse du pendule.
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𝑚𝑣²
2
), qui se traduit ici par : v2 = 2g(d2- d1). Il est
2
Expérience 3
Description générale
Dans cette expérience, l’énergie potentielle est celle d’une bouteille contenant de l’eau et qui transmet
son énergie à un skate-board en le mettant en mouvement sur une table. La mesure de la vitesse
finale du skate-board est calculée à partir de la mesure de la durée qu’il met pour parcourir une
certaine distance à vitesse constante.
Matériel






Table de plus de 150 cm de long,
Skate-board,
Bouteille en plastique à moitié remplie d’eau,
Fil de nylon,
Obstacles assez solides à poser sur la table et au
sol,
Mètre, balance de ménage, pèse-personne,
chronomètre (GSM).
Procédure
1.
Le skate-board, placé en bout de table (position
A sur le schéma ci-contre), est relié à une
bouteille par l’intermédiaire d’un fil de nylon.
Comme la bouteille est suspendue, le fil transmet
au skate-board une force de traction
correspondant au poids de la bouteille.
2.
Une fois le skate-board lâché, il est accéléré
jusqu’à la position B. A ce moment, la bouteille
est arrêtée par un obstacle posé au sol (un
carton ou un tabouret), et le skate-board continue
son mouvement pratiquement à vitesse
constante jusqu’à la position C où il est arrêté par
un obstacle posé sur la table (une boîte assez
lourde, par exemple). La bouteille doit être
suspendue bien verticalement, et ne peut pas se
coucher lorsqu’elle touche l’obstacle. De plus,
elle ne peut pas être trop lourde.
Exemples de résultats
mskate = 3,2 kg ; x = 86 cm
1°) d variable; F = mlest.g = 0,18.9,81 = 1,8 N
2°) F variable ; d = 0,30 m
d(m)
Epot (J) t(s)
v(m/s)
Ecin (J)
mlest (kg) Epot (J) t(s)
v(m/s) Ecin (J)
0,51
0,91
1,6
0,54
0,49
0,18
0,54
2,1
0,41 0,28
0,30
0,54
2,1
0,41
0,28
0,28
0,82
1,7
0,51 0,45
0,24
0,44
2,4
0,36
0,22
0,34
1,0
1,6
0,54 0,52
Remarques pour le professeur


Comme il apparaît dans les résultats ci-dessus, l’énergie cinétique finale est presque toujours
deux fois plus faible que l’énergie potentielle initiale. Cela s’explique par les nombreux
frottements (dans les roues du skate-board, dans le frottement de roulement sur la table, dans
le fil de nylon sur le coin de la table. Pour tenter de limiter ces frottements, on peut
légèrement incliner la table et veiller à ce que son bord soit bien arrondi et lisse.
L’intérêt de cette expérience réside surtout dans la simplicité du matériel, et dans le fait que le
skate-board perde son énergie cinétique finale dans le choc contre l’obstacle posé sur la
table, ce qui illustre la situation d’une collision.
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Expérience 4
Description générale
Dans cette dernière expérience, on s’affranchit presque complètement des frottements en étudiant la
vitesse acquise par un objet en chute libre.
Matériel




Capteur de mouvement et dispositif de fixation (statif…)
Ordinateur avec logiciel
Balle de tennis ou balle de volley
Balance de ménage (facultatif)
Procédure
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Au moyen d’un statif, suspendre le capteur à une hauteur d’environ 2 mètres du sol.
Paramétrer le logiciel pour des mesures de position et de vitesse.
Tenir la balle à deux mains, environ 20 cm sous le capteur.
Lancer la mesure et lâcher la balle.
Relever la dernière position mesurée par le capteur et soustraire toutes les positions
intermédiaires de cette position finale, de manière à obtenir les hauteurs de la balle.
Relever les valeurs des hauteurs tous les 10 cm environ, ainsi que les vitesses correspondantes,
et les porter dans un tableau indiquant la vitesse atteinte pour des hauteurs de chute croissantes.
Observer comment à quelle hauteur de chute correspond une vitesse double, triple, …
Eventuellement, peser la balle et calculer les valeurs de l’énergie potentielle et de l’énergie
cinétique en différents points de la trajectoire. Observer leur évolution et les valeurs de l’énergie
totale.
Remarques pour le professeur


Les dissipations d’énergie sont ici dues uniquement aux forces de frottement visqueux dans l’air,
et restent négligeables.
Pour doubler la vitesse, il faut une hauteur de chute quatre fois plus grande. L’énergie cinétique
du mobile à une certaine hauteur (ou l’énergie potentielle initiale moins l’énergie potentielle à cette
hauteur) varie comme le carré de la vitesse.
Développements attendus principalement visées
Décrire une situation concrète illustrant le principe de conservation de l’énergie mécanique (C1).
Identifier les variations d’énergie (cinétique et potentielle) dans un mouvement simple (A1).
Identifier le type d’énergie (cinétique ou potentielle) dans une situation simple (C2).
Dans une situation simple (telle que le mouvement d’un pendule), l'élève utilise un critère pour distinguer l’énergie
cinétique de l’énergie potentielle. Après avoir analysé les variations de ces énergies, il met le principe de
conservation de l'énergie mécanique en évidence.
Proposer et tester une méthode permettant d’estimer l’ordre de grandeur d’une vitesse dans une situation
concrète ou expérimentale (A3).
/
Sur base de documents fournis, avancer une réponse argumentée permettant d’expliquer une situation de la vie
courante (T1).
L’élève explique, par exemple,

les différents dégâts occasionnés lors d’une collision axiale entre deux véhicules,

une affirmation de la sécurité routière du type : « une collision d’une voiture à 90 km/h contre un mur
correspond à la chute de cette même voiture d’une hauteur de onze étages ».
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