Le poids et la masse d`un objet
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Chapitre II Le poids et la masse d’un objet Nous avons vu dans le chapitre précédent que la Terre exerçait sur des objets proches de sa surface une action attractive. Cette action est aussi appelée le poids de l’objet sur Terre. Quelles différences y a-t-il entre le poids et la masse d’un objet ? I] Différences entre le poids et la masse d’un objet 1. Masse d’un objet • Définition : la masse d’un objet représente sa quantité. • Abréviation : m • Unité : la masse d’un objet se mesure en kilogramme ( kg ). • Appareil de mesure : on utilise une balance pour mesurer la masse d’un objet. • Caractéristiques : - la masse est proportionnelle au nombre d’atomes constituant l’objet - elle ne dépend pas de l’endroit où se situe l’objet. 2. Poids d’un objet • Activité 2 p 29 1) La direction du fil qui supporte l’objet est verticale. La balle chute suivant une direction verticale. Le sens de chute de la balle est vers le sol. 2) La valeur du poids d’un objet se mesure avec un dynamomètre. L’unité du poids est le Newton ( N ). Sir Isaac Newton ( 4 janvier 1643 – 31 mars 1727 ) est un philosophe, mathématicien, physicien, alchimiste, astronome et théologien anglais. Figure emblématique des sciences, il est surtout reconnu pour avoir fondé la mécanique classique, pour sa théorie de la gravitation universelle et la création, en concurrence avec Leibniz, du calcul infinitésimal. En optique, il a développé une théorie de la couleur basée sur l'observation selon laquelle un prisme décompose la lumière blanche en un spectre visible. Il a aussi inventé le télescope à réflexion composé d'un miroir primaire concave appelé télescope de Newton. En mécanique, il a établi les trois lois universelles du mouvement qui sont en fait des principes à la base de la grande théorie de Newton concernant le mouvement des corps, théorie que l'on nomme aujourd'hui « mécanique newtonienne » ou encore « mécanique classique ». En mathématiques, Newton partage avec Gottfried Wilhelm Leibniz la découverte du calcul infinitésimal. Il est aussi connu pour la généralisation du théorème du binôme et l'invention dite de la méthode de Newton permettant de trouver des approximations d'un zéro (ou racine) d'une fonction d'une variable réelle à valeurs réelles. Newton a montré que le mouvement des objets sur Terre et des corps célestes sont gouvernés par les mêmes lois naturelles ; en se basant sur les lois de Kepler sur le mouvement des planètes 1, il développa la loi universelle de la gravitation. Son ouvrage Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica2,3, écrit en 1686, est considéré comme une œuvre majeure dans l'histoire de la science. C'est dans celui-ci qu'il décrit la gravitation universelle, formule les trois lois du mouvement et jette les bases de la mécanique classique. Il a aussi effectué des recherches dans les domaines de la théologie, la philosophie et l'alchimie. 4) L’abréviation du poids est la lettre P. Ex : P1 = 1N sur le dynamomètre de gauche P2 = 2N sur le dynamomètre de droite 5) L’action attractive de la Terre s’exerce selon la verticale du lieu où se trouve l’objet. Elle est dirigée vers le centre de la Terre, ce qui entraîne un mouvement du haut en bas des objets soumis à cette action au voisinage de la Terre. 6) La bille chute car elle subit l’action à distance et attractive de la Terre. Le ressort s’allonge sous l’action de la masse suspendue attirée par la Terre. Le poids P d’un objet situé au voisinage d’un astre est l’action attractive exercée par cet astre sur l’objet. La direction du poids est la verticale et son sens est vers le centre de l’astre. Le poids d’un objet est mesuré grâce à un dynamomètre en Newton (N ). II] Proportionnalité entre la masse et le poids d’un objet TP n°1 : Relation entre le poids et la masse d’un objet Principe de l’expérience On accroche des objets de masses connues à un dynamomètre dont l’allongement du ressort est proportionnel au poids de l’objet. Nous notons les valeurs des poids d’objets de masses différentes. Résultats expérimentaux et tableau de valeurs Masse m ( kg ) Poids P (N) P/m ( N/kg ) 0 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,5 0 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 5 10 10 10 10 10 10 10 10 Conclusion sur les résultats des calculs P/m : Comme les rapports P/m sont constants, on en déduit que le poids P et la masse m sont proportionnels. Le coefficient de proportionnalité est appelé intensité de la pesanteur : il se note g et se mesure en Newton par kilogramme ( N/kg ). La relation de proportionnalité s’écrit P = m × g. P(N) Graphique En abscisses Masse m ( kg ) 1cm 0,05kg En ordonnées Poids P ( N ) 1cm 1N 6 5 4 3 2 1 0 0 m ( kg ) 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 Conclusion : Comme les points s’alignent suivant une droite passant par l’origine, on en déduit qu’il y a proportionnalité entre le poids P et la masse m d’un objet. La relation de proportionnalité entre le poids et la masse d’un objet s’écrit : P=m×g en newton par kilogramme ( N/kg ) en newton ( N ) en kilogramme ( kg ) P : poids de l’objet m : masse de l’objet g : intensité de la pesanteur du lieu où se situe l’objet A Champagne sur Seine, nous avons trouvé une valeur de la pesanteur g = 10 N/kg Plus précisément, la valeur de g est proche de 9,8 ou 9,81 N/kg. ( la différence venant du fait que le dynamomètre utilisé en classe était peu précis ) La relation P = m × g Ex. 11 p 37 peut aussi s’écrire m = P/g ou g = P/m Ex. 15 p 38 III] L’intensité de la pesanteur g a–t-elle la même valeur partout ? 1. Poids d’un objet sur la Lune 1) Isaac Newton fut le 1er scientifique à distinguer les mots « masse » et « poids » au XVIIIe siècle. 2) La masse d’un objet sur la Terre et sur la Lune est identique car, sur ces deux astres, il est constitué du même nombre d’atomes. 3) PLune = 0,16 × PTerre or PLune = m × gLune et PTerre = m × gTerre donc par simplification gLune = 0,16 × gTerre = 0,16 × 10 N/kg = 1,6 N/kg L’intensité de pesanteur sur la Lune est bien inférieure à celle sur Terre : elle vaut 1,6 N/kg 2. L’intensité de la pesanteur est-elle identique en tout point de la Terre ? 1) gParis = 9,810 N/kg gEquateur = 9,780 N/kg gPôles = 9,832 N/kg L’intensité de pesanteur dépend de la latitude du lieu. 2) gEquateur < gPôles car la Terre n’est pas une sphère parfaite, elle est aplatie aux pôles du fait de sa rotation sur elle-même. Donc aux pôles, nous sommes plus près du centre de la Terre qu’à l’Equateur. Et comme, l’action attractive de la Terre augmente quand la distance diminue, l’intensité de pesanteur est plus faible à l’Equateur qu’aux pôles. Application : le décollage des fusées a lieu dans des régions proches de l‘équateur. 3) gParis (0m) = 9,810 N/kg gParis (10000m) = 9,776 N/kg L’intensité de la pesanteur diminue avec l’altitude du lieu car en s’éloignant du centre de la Terre, l’action attractive de celle-ci diminue. L’intensité de la pesanteur n’est pas identique en tout point du globe, elle dépend de l’altitude et de la latitude du lieu. IV] Conversion d’énergie ( p 31 ) TP n°2 : Conversion d’énergie But du TP : - Interpréter l’énergie de mouvement acquise par l’eau dans sa chute par une diminution de son énergie de position Schéma des expériences Expérience1 eau Expérience2 eau H h roue roue Observations La roue tourne plus vite dans l’expérience 2, là où la hauteur de chute d’eau est plus grande. Quelle action exercée par la Terre sur l’eau est responsable du mouvement de chute de l’eau ? Le mouvement de l’eau vers le bas est dû à l’action attractive de la Terre sur l’eau. Comment la vitesse de l’eau évolue-t-elle au cours de sa chute ? Au cours de sa chute, la vitesse de l’eau augmente. Quelle sorte d’énergie l’eau possède-t-elle avant sa chute, du fait de sa position par rapport à la roue ? Avant sa chute, l’eau possédait de l’énergie de position du fait de sa distance par rapport à la roue. Quelle énergie l’eau acquiert-elle au cours de sa chute ? D’où provient cette énergie de mouvement ? Au cours de sa chute, l’eau acquiert de l’énergie cinétique car sa vitesse augmente : l’énergie de position se transforme en énergie cinétique au cours de la chute. Comment évoluent ces 2 énergies lors de la chute de l’eau ? Conclus. Lors de la chute d’eau, l’énergie de position diminue tandis que l’énergie cinétique augmente. Conclusion : La somme de l’énergie de position et de l’énergie cinétique est appelée énergie mécanique , qui reste constante au cours du mouvement de chute. Exercice 9 p 36 1) La Terre exerce sur l’eau du barrage une action attractive. 2) Du fait de sa position par rapport au sol, l’eau possède une énergie de position. 3) Au cours de sa chute, l’énergie de position de l’eau diminue car elle se rapproche du sol. 4) Au cours de sa chute, l’eau acquiert de l’énergie cinétique car sa vitesse augmente. 5) L’énergie cinétique acquise par l’eau va être transférée à la turbine d’un alternateur qui va la transformer en énergie électrique. 6)
