Expérience – La deuxième loi de Newton : Masse constante

Expérience – La deuxième loi de Newton : Masse constante
BUT
Le but de cette expérience est de déterminer ce qui arrive à l’accélération d’un
objet lorsque la force nette appliquée sur l’objet augmente mais la masse du
système est constante.
THÉORIE
La première loi de Newton déclare que si aucune force
nette n’agit sur un objet, la vitesse de l’objet demeure
constante. La deuxième loi de Newton s’applique aux
situations où il y a une force nette qui agit sur un objet.
Cette deuxième loi décrit le comportement de tout objet
dont le mouvement est affecté par une force nette – de
la trajectoire d’une balle de baseball au mouvement
d’une planète.
Lorsqu’une force nette agit sur un objet, la vitesse de
l’objet change – dit autrement, l’objet accélère. Une plus
grande force cause une plus grande accélération. La
deuxième loi de Newton déclare que l’accélération est
directement proportionnelle à la force nette qui agit sur
l’objet et dans la même direction que la force nette.
Figure 1 : Newton (1642-1727)
La deuxième loi de Newton déclare aussi que l’accélération est
inversement proportionnelle à la masse de l’objet.
a  Fnet
1
m
F
a  net
m
a
ÉQUIPEMENT
Quantité
1
1
1
1
1
1
1m
1
Équipement et matériaux
Xplorer GLX de PASPORT
Capteur de mouvement PASPORT
Piste PASCO de 1,2 m
Voiturette avec poids
Balance
Poulie avec clampe
Fils à poulie
Ensemble de poids à crochet
Numéro de pièce
PS-2002
PS-2103
ME-6951
SE-8723
ME-9448A
SE-8050
SE-8759
PRÉCAUTIONS DE SÉCURITÉ
Suivre les directives pour l’utilisation de l’équipement.
APERÇU
Utilise le capteur de mouvement pour mesurer le mouvement d’une voiturette
qui est accélérée par une force nette. Utilise le Xplorer GLX pour enregistrer et
analyser la vitesse de la voiturette quand la force nette est augmentée mais la
masse du système demeure constante.
DÉMARCHES
Avant de commencer les démarches, réponds aux questions de la section
PRÉDICTIONS dans le rapport de laboratoire.
Montage du GLX
1. Démarre le GLX. Si les batteries ne sont pas chargées,
branche l’adaptateur AC.
2. Branche le capteur de mouvement à un des ports de
capteurs sur le haut du GLX. Place le commutateur
de distance à la position « près » (la voiturette). Ceci
ouvrira un graphique de position (m) en fonction du
temps (s).
Figure 2 : Commutateur
de distance à la position
« près ».
Montage de l’équipement
1. Ajoute plusieurs poids à la voiturette : 500 g, 50 g, 20 g et 10 g. Mesure et
note la masse de la voiturette avec les poids.
2. Mets une voiturette sur la piste pour t’aider à mettre la piste au niveau. Il
est important que la piste soit au niveau afin d’obtenir les meilleurs
résultats possibles.
3. Fixe le capteur de mouvement à un bout de la piste. Mets la voiturette à
environ 15 cm du capteur de mouvement. Ajuste l’angle du capteur
pour qu’il vise la voiturette.
4. Fixe la poulie avec clampe à l’autre bout de la piste. Place un arrêt fixe
devant la poulie pour empêcher la voiturette de frapper la poulie.
5. Coupe un morceau de fils à poulie qui mesure 20 cm de plus que la
distance entre le sol et le haut de la poulie. Attache un bout du fils à la
voiturette et place le fils par-dessus de la poulie. Fais un nœud avec
l’autre bout du fils où tu pourras placer le crochet des poids.
6. Mesure et note la masse d’un poids à 20g et pends-le sur le noeud au
bout du fils.
Figure 3 : Schéma du montage de l’équipement.
7. Ajuste le fils (au besoin) pour que lorsque la voiturette est à la poulie, la
masse au bout du fils ne touche pas le sol.
Enregistrement de données
Note : La procédure est plus facile si une personne manipule la voiturette et une
deuxième personne contrôle le Xplorer GLX.
Partie 1 : Aucun transfert de masse – 20 g qui pend.
1. Tire la voiturette pour que la masse soit juste en dessous de la poulie.
Assure-toi que la voiturette est à au moins 15 cm du capteur de
mouvement.
2. Appuie sur le ▶ pour commencer l’enregistrement. Laisse aller la
voiturette pour qu’elle se déplace vers la poulie.
3. Appuie sur le ▶ pour arrêter l’enregistrement juste avant que la voiturette
se rende à l’arrêt fixe.
Partie 2 : Premier transfert de masse – 40 g qui pend
1. Pour le deuxième essai
transfert 20 g de la
voiturette au poids qui
pend. Mesure et note
la masse totale des
poids qui pendent.
2. Appuie sur le ▶ pour
Figure 4 : Schéma du montage de l’équipement avec
commencer
40 g qui pend.
l’enregistrement. Laisse
aller la voiturette pour
qu’elle se déplace vers la poulie.
3. Appuie sur le ▶ pour arrêter l’enregistrement juste avant que la voiturette
se rende à l’arrêt fixe.
Partie 3 : Deuxième transfert de masse – 60 g qui pend
1. Pour le troisième essai mets les deux poids de 20 g sur la voiturette et
transfert un poids de 50 g et un poids de 10 g au bout du fils (pour un total
d’environ 60 g). Mesure et note la masse totale des poids qui pendent.
2. Enregistre le mouvement de la voiturette tel que dans les parties 1 et 2.
Partie 4 : Troisième transfert de masse – 80 g qui pend
1. Pour le quatrième essai transfert un poids de 20 g aux poids qui pendent
au bout du fils (pour un total de 80 g). Mesure et note la masse totale des
poids qui pendent.
2. Enregistre le mouvement de la voiturette tel que dans les parties 1 et 2.
ANALYSE
Utilise l’écran Graphique pour analyser la vitesse de la voiturette pour chaque
essai. Détermine la pente du graphique de la vitesse en fonction du temps pour
obtenir l’accélération à chaque essai.
1. Pour changer le graphique afin de voir les données de différents essais,
appuie sur le √ pour activer le menu de l’axe vertical. Utilise les flèches
pour sélectionner « Exécutez ___ ». Appuie sur le √ pour ouvrir le menu,
sélectionne l’essai voulu et appuie sur le √ pour activer ton choix.
2. Pour changer le graphique pour qu’il représente la vitesse (m/s) en
fonction du temps appuie sur le √ pour activer le menu de l’axe vertical.
Appuie sur le √ pour ouvrir le menu. Sélectionne « Plus », appuie le √ pour
ouvrir le sous-menu, et sélectionne « Vitesse ». Appuie sur le √ pour activer
ton choix.
3. Pour déterminer la pente du graphique de la vitesse, appuie sur F3 pour
ouvrir le menu « Outils », sélectionne « Régression linéaire », et appuie sur le
√ pour activer ton choix.
4. Si nécessaire, ajuste la région du graphique qui est sélectionnée pour que
la droite de la « Régression linéaire » soit pour seulement le mouvement de
la voiturette. Appuie sur F3 et choisi « Changer outil ». Ceci te permet de
déplacer le deuxième curseur.
Note : La pente de la droite de « Régression linéaire » est l’accélération
moyenne de la voiturette.
5. Note la valeur de la pente dans la section « Rapport de laboratoire ».
6. Répète les étapes 1 à 5 pour les autres essais.
Nom : ______________________________
Date : ___________________
Expérience – La deuxième loi de Newton : Masse constante
Rapport de laboratoire
PRÉDICTIONS
1. Quel sera l’effet d’appliquer une force nette sur un objet?
2. Quel sera l’effet de changer la force nette qui agit sur un objet lorsque la
masse demeure constante?
DONNÉES
Fais une esquisse des données du capteur de mouvement pour la position en
fonction du temps et pour la vitesse en fonction du temps (un essai seulement).
Identifie tes axes correctement (avec les unités).
Tableau 1
Item
Essai 1 : Masse initiale de la voiturette avec poids (mvoiturette)
Essai 1 : Masse initiale des poids pendus (mpendue)
Essai 2 : Masse totale des poids pendus (0,02 kg +0,02 kg)
Essai 3 : Masse totale des poids pendus (0,05 kg + 0,01 kg)
Essai 4 : Masse totale des poids pendus (0,05 kg + 0,02 kg + 0,01 kg)
Tableau 2 : Accélération expérimentale
Essais
1
2
3
4
Accélération (m/s2)
Masse (kg)
Tableau 3
Fnet (force nette) = masse de poids pendus x 9,8 N/kg
Essai
Masse de
poids
pendus
Fnet (N)
Acc.
théorique
(m/s2)
Acc. exp.
(m/s2)
% différence
1
2
3
4
CALCULS
1. Calcule la valeur théorique de l’accélération et note tes valeurs dans le
tableau 3.
- L’accélération théorique est le rapport entre la force nette et la masse totale.
a=
mpendueg
.
mvoiturette + mpendue
- Pour les essais 2, 3 et 4, la masse totale du système (masse de la voiturette plus
la masse pendue) est constante et la force nette (masse pendue x 9.8)
augmente.
- Si on ne prend pas en considération la friction, la force nette est le poids de la
masse pendue (masse x 9.8 N/kg).
2. Calcule le pourcentage de différence entre l’accélération théorique et
l’accélération expérimentale pour chaque essai. Note la valeur dans le
tableau 3.
Pourcentage de différence =
valeur théorique – valeur expérimentale x 100%
valeur théorique
QUESTIONS
1. Pourquoi est-ce que la pente de la vitesse en fonction du temps a
changé pour chaque essai?
2. Quel est l’effet sur la pente de la régression linéaire de l’augmentation de
la force nette?
3. Quel et l’effet de l’augmentation de la force nette sur l’accélération d’un
objet (masse totale est constante)?