TP De la première à la deuxième loi de Newton. Vecteur

TP
De la première à la deuxième loi de Newton.
1. Vecteur accélération
1.1. Première enregistrement : on lance un mobile autoporteur sur une table à coussin d’air
horizontale dont le système de soufflerie permet de négliger les frottements s’exerçant
sur le mobile.
G
On enregistre les positions successivement occupées par le centre d’inertie G du mobile.
G1
G17
a) Qualifier le mouvement du centre d’inertie du mobile en insistant sur le référentiel d’étude.
b) Faire le bilan des forces extérieures s’exerçant sur le mobile.
c) Représenter sans souci d’échelle au point G les forces s’exerçant sur le mobile en
respectant leurs directions, leurs sens et leurs intensités respectives. Que peut-on dire de
ces forces ? Justifier très précisément.
1.2. Deuxième enregistrement
Δ
La table a été inclinée d’un angle  par
rapport à l’horizontale. Le mobile a été
abandonné sans vitesse initiale. On obtient
l’enregistrement ci-dessous.
Qualifier le mouvement du centre d’inertie du
mobile en insistant sur le référentiel d’étude.
Justifier très précisément ce mouvement en
représentant les forces s’exerçant sur le
mobile en G en respectant leur direction et
leur sens.
G
L’intervalle de temps entre deux positions vaut  = 60 ms. Échelle 1/2
Doc 1
Doc 2
1.2.1. Vecteur vitesse
a) Calculer les valeurs des vitesses v2 et v4 en m.s-1. Comparer v2 et v4.
b) Tracer sur le doc1 les vecteurs vitesses v2 (en G2)et v4 (en G4) avec l'échelle: 1 cm → 0,2 m.s-1.
1.2.2. Vecteur accélération a3 au point G3
a) Reporter sur le doc 2 au point G3 les vecteurs -v2 et v4
b) Construire très soigneusement au point G3, le vecteur Δv3= v4 - v2
Laisser les traits de construction.
c) En utilisant l'échelle des vitesses, déterminer la valeur de Δv3 en m.s-1.
Par définition le vecteur accélération a3=
et sa valeur vaut
a3=
d) Calculer a3 =
e) Représenter sur le doc 2 le vecteur a3 avec l'échelle des accélérations: 1 cm → 1 m.s-2.
f) Réitérer toutes les opérations précédentes pour tracer au point G8 les vecteurs -v7, v9, Δv8 puis a8
avec les mêmes échelles que précédemment. Comparer les vecteurs accélération a3 et a8
2. Deuxième loi de Newton.
1. Saut d’une grenouille
Pour atteindre un nénuphar, une
grenouille doit effectuer un saut. Le
saut est filmé par une caméra.
L'analyse des clichés à l'aide d'un
logiciel informatique, permet
d'obtenir l'enregistrement des
positions successives du centre
d'inertie de la grenouille
(cf annexes)
a) En détaillant soigneusement votre méthode, calculer la valeur a10 de l'accélération du
centre d’inertie de la grenouille au point G10 et tracer le vecteur accélération a10.
Données:
- échelle des vitesses:
- échelle des accélérations:
1,0 cm → 0,50 m.s-1
1,0 cm → 5,0 m.s-2.
b) Réitérer cette méthode pour calculer la valeur a4 de l'accélération du centre d’inertie de la
grenouille au point G4 et tracer le vecteur accélération a4.
c) Comparer les vecteurs accélération a10 et a4
d) Définir le système étudié et le référentiel d'étude.
e) En négligeant l’action de l’air sur la grenouille, à quelle(s) force(s) est soumise la grenouille
au cours de son saut ? Donner les caractéristiques de cette (ces) force(s).
f) Tracer le vecteur le vecteur champ de pesanteur g (on donne : g = 9,8 m.s-2) en un point
quelconque du document. Comparer les vecteurs a3 et a10 de l’enregistrement avec g.
La deuxième loi de Newton stipule que dans un référentiel galiléen, la somme vectorielle des forces
extérieures s’exerçant sur le système est égale à la masse m du système multipliée par le vecteur
accélération du centre d’inertie du système.
F
ext =
m. a
F
ext =
m. a
g) Vérifier que l’étude précédente est en accord avec la deuxième loi de Newton.
2. Etude expérimentale d’un mouvement circulaire uniforme.
On lance un mobile de masse m= 620g retenu par un fil tendu fixé en O sur une table à coussin d'air
horizontale et on enregistre le mouvement de son centre d'inertie G. On obtient l'enregistrement en
annexes. La durée séparant deux marques consécutives est constante:  = 40 ms.
a) Définir le système étudié et le référentiel d'étude.
b) Réaliser le bilan des forces extérieures s’appliquant au système.
c) Sans soucis d’échelle, tracer au point d’application la somme vectorielle des forces
extérieures s’appliquant au système au point G3.
d) En détaillant soigneusement votre méthode, calculer la valeur a3 de l'accélération du
centre d’inertie du mobile autoporteur au point G3 et tracer le vecteur accélération a3.
Vérifier que la direction de ce vecteur est suivant un rayon de la trajectoire.
Données:
- échelle des vitesses: 1,0 cm → 0,20 m.s-1
- échelle des accélérations: 1,0 cm → 1,0 m.s-2.
e) Enoncer la deuxième loi de Newton.
f) En déduire la valeur de toutes les forces extérieures s’appliquant au système d’étude.
Donnée : g = 9,8 m.s-2 = 9,8 N.kg-1
Annexe : saut de grenouille
Echelle 1 / 2,15
ms
Annexe : mouvement circulaire uniforme
Echelle ½
=40ms