TP10 La physique des chutes

PARTIE 2 : Temps, mouvement et évolution
TP10
La physique des chutes
Objectif : Mettre en œuvre une démarche expérimentale pour étudier un mouvement.
Document 1 : Une séquence expérimentale
Étape 1 du protocole :
La burette graduée est remplie de permanganate de potassium, le zéro est fait. L’expérimentateur ouvre
le robinet de la burette et compte 20 gouttes avant de le refermer. Le niveau du liquide dans la burette
correspond à la graduation 1,0 mL.
Étape 2 du protocole :
L’utilisation de la vidéo est très pratique pour étudier un mouvement. On souhaite filmer
une goutte de permanganate de potassium en chute dans de l’huile.
On place une caméra visant perpendiculairement à une éprouvette graduée remplie
d’huile. Ce réglage est important pour ne pas avoir de problèmes de parallaxe lors de
l’exploitation de la vidéo.
On place la burette graduée juste au-dessus de l’éprouvette d’huile. On laisse couler une
goutte et on filme sa chute dans l’huile.
Prise de vue non
Vous disposez de la séquence vidéo obtenue :
orthogonale au
TP10_chute_goutte_KMnO4_0,05mL_ds_huile_15,8cm_entre_70_et_230mL.avi
sujet filmé
Document 2 : Masses volumiques
Masse volumique de l’huile : ρ Huile = 0,916 g·cm-3 (à 20 C)
Masse volumique du permanganate de potassium en solution est la même que celle de l’eau:
ρ permanganate de potassium = 1,00 g·cm-3 (à 20 C)
Document 3 : La poussée d’Archimède
Un solide, en mouvement ou non, totalement immergé dans un fluide (liquide ou gaz), subit de la part
de ce fluide des forces pressantes : ce sont des forces de contact qui s'exercent sur toute la surface du
solide. Elles sont perpendiculaires à cette surface en chacun de ses points, et dirigées vers le solide.
Leur résultante FA ou π n'est pas nulle: c'est la poussée d'Archimède.
Théorème d'Archimède: la poussée d'Archimède FA s'exerçant sur un objet de volume Vobjet totalement
immergé dans un fluide est l'opposée du poids du volume du fluide déplacé :
FA = −ρfluide ⋅ Vobjet ⋅ g
Document 4 : Les lois de Newton
Première loi de Newton ou principe d'inertie :
Lorsqu'un système matériel est pseudo isolé (soumis à des forces qui se compensent) ou isolé
(soumis à aucune force) par rapport à un référentiel galiléen alors soit :
- il est au repos
- le mouvement de son centre d'inertie est rectiligne uniforme. Son vecteur vitesse est
alors constant.
La réciproque est vraie d’où la traduction mathématique de cette loi : ∑ F ext = O ⇔ v G est constant
Deuxième loi de Newton ou principe fondamentale de la dynamique :
Dans un référentiel galiléen, la somme vectorielle des forces extérieures appliquée à un système
matériel est égale à la dérivée par rapport au temps de sa quantité de mouvement :
dp d(m.v)
∑ Fext = dt = dt
Dans le cas particulier ou le système conserve une masse constante, la seconde loi devient :
dp d(m.v)
d(.v)
F
=
=
=
m.
= m.a
∑ ext dt dt
dt
Troisième loi de Newton ou principe des actions réciproques :
Lorsqu'un système matériel A exerce une force FA /B sur un système matériel B alors celui-ci exerce
sur le système matériel A une force opposée FB / A .
Ces 2 vecteurs forces sont opposés (même direction et norme mais sens opposé) : FA /B = −FB / A
PARTIE 1 : ÉTUDE DE LA CHUTE D’UNE GOUTTE DANS L’HUILE
ANALYSER : 10 min conseillées
1. Élaborer la suite du protocole décrit dans le document 1 pour caractériser le mouvement de la
goutte de permanganate de potassium lors de sa chute dans l’huile.
APPEL N°1
Appeler le professeur pour lui présenter le protocole expérimental
ou en cas de difficulté
RÉALISER : 20 min conseillées
2. Mettre en œuvre ce protocole et caractériser le mouvement.
Résultats de modélisation :
APPEL N°2
Appeler le professeur pour lui présenter les résultats expérimentaux
ou en cas de difficulté
VALIDER : 30 min conseillées
3. La première loi de Newton s’applique-t-elle à ce mouvement ? Justifier.
4. Faire l’analyse des forces qui agissent sur le système étudié, les schématiser et calculer leur valeur
lorsque c’est possible.
5. Déterminer la valeur de la troisième force s’appliquant sur le système.
APPEL N°3
Appeler le professeur pour lui présenter vos conclusions
ou en cas de difficulté
POUR S’ÉVALUER…
A
B
S’approprier
coefficient 1
Réaliser
coefficient 2
Valider
coefficient 3 A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D
A
B
C
D
A
B
C
D
20 18 14 12 18 16 13 11 16 14 10 8 15 13 9 7 19 17 13 11 18 16 12 10 15 13 10 8 14 12 8 6
Note
C
D
S’approprier
coefficient 1
Réaliser
coefficient 2
Valider
coefficient 3 A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D
Note
A
B
C
D
A
B
C
D
18 16 12 10 16 15 11 9 14 12 8 6 13 11 7 5 17 15 11 10 16 14 10 8 13 11 8 6 12 10 6 5
PARTIE 2 : ÉTUDE D’UN PROJECTILE DANS UN CHAMP DE PESANTEUR UNIFORME
ANALYSER : 20 min conseillées
6. Vous disposez d’une séquence vidéo au cours de laquelle on observe une balle de golf initialement
lancée (TP10_lancer_balle_golf.avi). La règle jaune en arrière-plan mesure 1,14 m.
Élaborer un protocole permettant de caractériser le mouvement de la balle de golf lors de son
mouvement dans l’air.
APPEL N°4
Appeler le professeur pour lui présenter le protocole expérimental
ou en cas de difficulté
RÉALISER : 20 min conseillées
7. Mettre en œuvre ce protocole et étudier les coordonnées du vecteur vitesse.
Résultats de modélisation de la trajectoire :
Résultats de modélisation des coordonnées du vecteur vitesse :
APPEL N°5
Appeler le professeur pour lui présenter les résultats expérimentaux
ou en cas de difficulté
VALIDER : 20 min conseillées
8. L’équation de la trajectoire d’un projectile en chute libre lancé depuis l’origine d’un repère (O,i, j)
v
1 g
est :
y(x) = − 2 x 2 + 0 y x
2 v0x
v 0x
Peut-on qualifier ce mouvement de chute libre ?
9. Retrouver expérimentalement les caractéristiques de la vitesse initiale v 0
( ) par identification
V0 x
V0 y
entre l’expression théorique de la trajectoire et la modélisation de la courbe expérimentale.
10. L’expression théorique de la flèche de la trajectoire est : y s =
2
v oy
2g
La valeur expérimentale est-elle en accord avec cette expression ?
APPEL N°6
Appeler le professeur pour lui présenter vos conclusions
ou en cas de difficulté
POUR S’ÉVALUER…
A
B
Analyser
coefficient 2
Réaliser
coefficient 2
Valider
coefficient 2 A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D
A
B
C
D
A
B
C
D
20 18 16 15 18 17 15 13 16 15 12 11 15 13 11 10 18 17 15 13 17 16 13 12 15 13 11 10 13 12 10 8
Note
C
D
Analyser
coefficient 2
Réaliser
coefficient 2
Valider
coefficient 2 A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D
Note
A
B
C
D
A
B
C
D
16 15 12 11 15 13 11 10 12 11 8 7 11 10 7 6 15 13 11 10 13 12 10 8 11 10 7 6 10 8 6 5