TP 2 Physique :
Forces, Travail
et Energie.
Le référentiel d’étude est un référentiel terrestre lié à la salle de classe.
A. Interactions et forces
1. Les interactions
Deux objets A et B sont en interaction quand A exerce une action mécanique (dite aussi force) sur B et B exerce une action
mécanique sur A.
Il existe 2 types d'interactions :
• les interactions de contact :
quand il y a contact entre le "donneur" et le "receveur" de la force.
le point d'application de la force est au point de contact.
• les interactions à distance :
qui regroupent les interactions gravitationnelles et les interactions électromagnétiques.
le point d'application de la force est au centre de gravité
2. Comment faire un bilan d’interactions ?
Un élève veut déterminer les forces s’exerçant sur un objet (appelé aussi système). Afin d’identifier toutes les interactions et par
conséquent les forces, il s’aide du diagramme objets/interactions (DOI). Il se construit en 3 étapes :
- faire l'inventaire de tous les objets concernés par l'étude et les
schématiser :
- faire l'inventaire de toutes les interactions entre objets :
interaction de contact :
interaction à distance :
-
entourer le système :
3. Du doi au bilan des forces s’exerçant sur un système .
•
Faire de DOI dans chacune des 4 situations suivantes.
Situation 1
Un objet est posé sur
le sol horizontal, il est
en équilibre.
Situation 2
Un objet pesant
est suspendu à
une corde.
Situation 3
Un objet est posé sur un plan
incliné, il est accroché à un
ressort et est en équilibre.
Situation 4
Deux personnes tirent sur une corde tendue.
Dans le DOI, choisir un objet en l’entourant permet d’établir facilement le bilan des forces qui s’exercent sur lui. Une fois choisi,
l’objet est appelé système étudié. À chaque interaction correspond une force.
•
Faire le bilan des forces s’exerçant sur les systèmes suivants :
Situation 1 :
système {seau}
situation 3 :
système {objet}
situation 4 :
système {A}
B. Principe de fonctionnement d’un dynamomètre a ressort
.
1. Réflexions préliminaires
a. Faire le DOI du dispositif expérimental.
b. Faire le bilan des forces pour le système {masse marquée}. Les
représenter. On néglige l’action de l’air devant toutes les autres
forces.
c. Appliquer le principe de l’inertie et en déduire une relation entre
des forces.
l0
l
m
2. Protocole expérimental
Suspendre le ressort à la potence. Positionner soigneusement la règle de manière à aligner son zéro avec l’index du
ressort.
Accrocher une masse marquée « m » à son autre extrémité
Mesurer la longueur l du ressort quand la masse est immobile.
Répéter l'opération avec plusieurs masses marquées.
Compléter le tableau de mesures ci-dessous en indiquant la valeur P du poids de la masse marquée, la longueur l et
l'allongement ∆l = l − l 0 du ressort. On prendra g = 9,8 N.kg −1 .
m (kg)
P (N)
∆l = l − l 0
(m)
T (N)
3. Exploitation
a. Tracer le graphe représentant les variations de la tension T du ressort en fonction de l'allongement ∆l = l − l 0 .
b. Modéliser la courbe obtenue et déterminer son équation.
c. En déduire la loi de Hooke c'est-à-dire la relation entre T et ∆l = l − l 0 .
4.
Conclusion
Expliquer le principe de fonctionnement d'un dynamomètre à ressort.
C. la Poussée d’Archimède
1. Réflexions préliminaires
Un solide S est suspendu au ressort précédent. On immerge complètement ce solide
dans une éprouvette remplie d’eau.
a. Faire le DOI du dispositif expérimental.
b. Faire le bilan des forces pour le système {solide}. Les représenter
c. Appliquer le principe de l’inertie et en déduire une relation entre des forces.
2. Protocole expérimental
•
•
•
•
•
•
•
Suspendre le ressort au support. Positionner soigneusement la règle de manière à aligner son zéro avec l’index
du ressort.
Déterminer à l’aide de la balance la masse du solide S
Accrocher le solide au ressort.
Placer de l’eau dans une éprouvette graduée et relever son volume V0
Introduire totalement le solide S dans l’éprouvette. Que remarquez vous ?
Relever l’allongement ∆l du ressort.
Noter le volume V1 dans l’éprouvette. En déduire le volume V d’eau déplacé.
3. Exploitation des résultats
1.
2.
3.
4.
Calculer la valeur du poids P de la masse marquée.
Calculer la valeur de la tension T du ressort lorsque le solide est immergé.
En déduire la valeur de la poussée d’Archimède Π, c’est à dire l’action de l’eau sur le solide
Calculer le poids du volume d’eau déplacé lors de l’immersion. Conclure
4.Applications
1. Pourquoi une balle de ping-pong remonte-t-elle à la surface lorsqu’elle est immergé sous l’eau.
2. Un ballon gonflé à l’hélium a une masse m = 8, 0 g et un volume V = 7, 7 L . Que se passe-t-il lorsqu’il est lâché.
On donne ρair = 1, 3kg.m −3 .
D. Pour aller plus loin
Faire le bilan des actions mécaniques puis le bilan des forces subies par le système indiqué. Indiquer la direction et le sens
lorsque cela est possible et représenter les forces sans considération d’échelle.
1°/
2°/
3°/
plafond
fil
fil
clou
fil
aimant
+
+ +
lampe
Système : le clou
sphère
Système : la sphère
Système : la lampe
4°/
bâton de verre
+ +
+
++
5°/
6°/
luge
ressort
Système : la luge
solide
Système : le bateau
Système : le solide
7°/
8°/
mur
9°/
solide
fil
pomme qui
tombe de
l'arbre
ressort
tableau
accroché
Système : le ressort
Système : la pomme
Système : le tableau
10°/
11°/
12°/
ressort
livre de physique
lancé en l'air
par un élève
excédé
(il est en train
de monter)
solide
Système : le solide
Système : le parachutiste
Système : le livre
13°/
14°/
15°/
caravane
solide
ressort
voiture
ressort
sphère
main
Système : le solide
Système : la caravane
fil
Système : la sphère