Évolution des énergies lors d`une chute, suite à un lancer.

Chapitre 9. Activités expérimentales 1re S
Évolution des énergies lors d'une chute, suite à un lancer.
Compétences, capacités et attitudes à mettre en œuvre :
Réaliser le dispositif expérimental correspondant au protocole.
Travailler en autonomie.
Maîtriser certains gestes techniques, matériels ou logiciels.
Observer et décrire les phénomènes.
Extraire des informations des données expérimentales et les exploiter.
Formuler une hypothèse et proposer une méthode pour la valider.
Élaborer, choisir et utiliser un modèle adapté.
Plus l'altitude d'un corps est importante et plus il a accumulé de l'énergie qu'il pourra potentiellement restituer
en redescendant.
Cette énergie liée à l'altitude est appelée énergie potentielle de pesanteur
E
pp (en J) et a pour expression :
pp ..
m g zE
avec
m
la masse du corps (en kg),
g
l'intensité du champ de pesanteur (en N.kg-1) et
z
l'altitude de son centre
d'inertie (en m) en considérant comme référence que cette énergie est nulle pour une altitude nulle.
Plus la vitesse d'un corps est importante et plus il a accumulé de l'énergie.
Cette énergie liée à la vitesse est appelée énergie cinétique
E
c (en J) et a pour expression :
2
c
1.
2
mvE
avec
m
la masse du corps (en kg) et
v
la vitesse de son centre d'inertie (en m.s-1) néralement par rapport au
référentiel terrestre.
On appelle énergie mécanique
E
m (en J) la somme des deux énergies précédentes :
m pp c
E E E
Un joueur de pétanque lance sa boule en réalisant une chute "plombée", c’est-à-dire en faisant en sorte qu’à
l’arrivée la boule ait une trajectoire aussi proche de la verticale que possible de manière à se caler dans le trou
de son impact au sol.
1. Comment varient, selon vous, les énergies potentielle de pesanteur et cinétique de la boule à partir de
l’instant où celle-ci a quitté la main du joueur jusqu’au moment où elle va toucher le sol ?
2. En utilisant la vidéo "petanque" partir du moment la 2e boule a quitté la main de l'expérimentateur et
jusqu'à ce qu'elle s'apprête à toucher le sol) faire une acquisition expérimentale des positions de la boule grâce
au logiciel AviStep (25 images par seconde donc 1 image chaque 0,04 seconde , masse de la boule = 730 g ,
hauteur des chaises en bordure de pelouse = 0,75 m).
3. Exporter ces données vers Regressi.
4. Changer le nom de la variable
Date
en
t
,
x
1 en
x
et
y
1 en
z
(axe vertical vers le haut).
5. Afficher une seule courbe : la trajectoire de la boule.
6. Faire calculer l'énergie potentielle de pesanteur de la boule :
l'énergie potentielle de pesanteur au point n°
i
est :
E
pp,
i
= …
ce qui s'écrit sous Regressi : Epp=…
7. Faire calculer l'énergie cinétique de la boule :
- en utilisant le repère
x,z
, la distance entre les points n°
i
-1 et
i
+1 est :
di
=
ce qui s'écrit sous Regressi : d
- la vitesse au point n°
i
est donc :
vi
=
ce qui s'écrit sous Regressi : v
- l'énergie cinétique au point n°
i
est donc :
E
c,
i
=
ce qui s'écrit sous Regressi : Ec
8. Avec Regressi, faire apparaître sur un même graphe les courbes représentant l'énergie potentielle de
pesanteur et l'énergie cinétique de la boule en fonction du temps.
9. A l'aide de ces courbes, décrire quel semble être le lien entre l'énergie potentielle de pesanteur et l'énergie
cinétique de la boule.
10. Que peut-on alors dire de l'énergie mécanique de la boule ? Le vérifier expérimentalement.
11. Quel est le lien entre l'énergie potentielle de pesanteur et l'énergie cinétique de la boule ?
Chapitre 9. Activités expérimentales 1re S
Évolution des énergies lors d'une chute, suite à un lancer.
Éléments de correction.
1. Suite au lancer, l'altitude de la boule augmente et sa vitesse diminue donc
E
pp augmente et
E
c diminue.
Puis, l'altitude de la boule diminue et sa vitesse augmente donc
E
pp diminue et
E
c augmente.
6. L'énergie potentielle de pesanteur au point n°
i
est :
pp, ..
ii
m g zE
(en prenant
E
pp = 0 lorsque
z
= 0)
ce qui s'écrit sous Regressi :
Epp=0.730*9.8*z[i] ou Epp=0.730*9.8*z
7. - la distance entre les points n°
i
-1 et
i
+1 est :
1/2
2 2 2 2
1 1 1 1 1 1 1 1
( ) ( ) ( ) ( )
i i i i i i i i i
d x x z z x x z z
ce qui s'écrit sous Regressi :
d=sqrt((x[i+1]-x[i-1])^2+(z[i+1]-z[i-1])^2)
ou d=((x[i+1]-x[i-1])^2+(z[i+1]-z[i-1])^2)^(1/2)
- la vitesse au point n°
i
est donc :
11
i
i
ii
d
vtt
ou
2 base de temps 2 0,04
ii
i
dd
v
ce qui s'écrit sous Regressi :
v=d/(t[i+1]-t[i-1]) ou v=d/(2*0.04)
- l'énergie cinétique au point n°
i
est :
2
c,
1.
2
ii
mvE
ce qui s'écrit sous Regressi :
Ec=1/2*0.730*v[i]^2 ou Ec=1/2*0.730*v^2
9. Il semble que lorsqu'une des deux énergies augmente, l'autre diminue d'autant (aux incertitudes
expérimentales près).
10. Si la remarque précédente est correcte, alors
et donc
mconstante
E
. Ceci est
effectivement vérifié expérimentalement car
m()
tE
est bien représentée par une droite horizontale (aux
incertitudes expérimentales près).
11. Lors d'une chute libre, suite à un lancer, lorsqu'une des deux énergies augmente, l'autre diminue d'autant :
l'intégralité de la perte d'énergie potentielle de pesanteur est convertie en augmentation de l'énergie cinétique
et inversement ; la variation de l'une est opposée à la variation de l'autre
pp c
ΔΔ
EE
.
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