l`énergie mécanique et sa conservation au cours d`un mouvement
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Niveau : cycle 4 3ième Thème : L’énergie et ses conversions Séquence N°3 : l’énergie mécanique et sa conservation au cours d’un mouvement Objectifs : Sources et formes d’énergie Les deux formes d’énergie mécanique Ne pas se fier aux apparences Conservation de l’énergie totale (mécanique) au cours d’un mouvement La sécurité routière Compétences visées COM1 COM2 COM3 COM4 METH3 METH5 CIT1 CIT2 SYS3 REP 1 Séances : (4h) Les deux formes d’énergie mécanique De quoi dépend la vitesse de chute d’un objet ? Conservation de l’énergie mécanique totale au cours d’un mouvement Sécurité routière Séance N°1 : Les deux formes d’énergie mécanique Objectifs : REP 1 L’énergie mécanique est l’énergie du mouvement d’un objet. Attention, pour étudier un paramètre donné, il faut bien veiller à ne pas faire varier un autre paramètre en même temps. Par exemple quand je veux savoir si un végétal a besoin d’eau et de lumière pour pousser, je fais deux expériences : Je mets la même quantité d’eau à plusieurs plantes que je mets à des lumières différentes Je mets la même lumière à des plantes que j’arrose différemment. Nous allons mener une approche qualitative, estimer des résultats expérimentaux puis nous nous ferons une approche quantitative en séance 2 et 3, mesurer précisément des paramètres physiques. 1) Trouver les paramètres dont peut dépendre l’énergie mécanique. Pour cela vous utiliserez des masses marquées et du sable. On mesurera la quantité d’énergie à l’impact de l’objet dans le sable 2) Regarder la vidéo sur les barrages 1) où est stockée l’eau par rapport à la centrale 2) De quoi dépend la puissance de la centrale ? 3) Comment obtenir une vitesse d’eau plus importante ? 4) Qui transforme l’énergie mécanique de l’eau en énergie électrique ? 1) Trouver les paramètres dont peut dépendre l’énergie mécanique. Pour cela vous utiliserez des masses marquées et du sable. On mesurera la quantité d’énergie à l’impact de l’objet dans le sable En faisant des expériences avec le sable, je note que : Plus l’objet est lourd, plus l’impact est grand Plus il va vite plus l’impact est grand Plus il tombe de haut, plus l’impact est grand J’en conclus que l’énergie mécanique dépend de la masse, de la vitesse d’un objet et de sa hauteur de chute 2) Regarder la vidéo sur les barrages 1) où est stockée l’eau par rapport à la centrale : elle est stockée en hauteur 2) De quoi dépend la puissance de la centrale ? du débit et de la hauteur de chute 3) Comment obtenir une vitesse d’eau plus importante ? en augmentant la hauteur de chute notamment 4) Qui transforme l’énergie mécanique de l’eau en énergie électrique ? C’est l’alternateur J’en conclus que l’eau est stockée en hauteur où elle possède une énergie capable d’être transformée en vitesse au cours de sa chute Conclusion : Pour mener une étude expérimentale avec plusieurs paramètres, je ne fais varier qu’un seul paramètre à la fois L’énergie mécanique se décompose en deux parties : L’énergie de vitesse dite cinétique qui dépend de la masse et de la vitesse d’un objet L’énergie de hauteur dite de position. L’énergie de hauteur est convertie en énergie cinétique au cours d’un mouvement Chaîne de conversion d’un barrage énergie de position énergie cinétique énergie électrique C’est la chute de l’eau qui permet de convertir l’énergie de positon en énergie cinétique C’est l’alternateur qui permet de convertir l’énergie cinétique en énergie électrique Séance N°2 : De quoi dépend la vitesse de chute d’un objet ? Objectifs : ne pas se fier aux apparences REP1 De quoi dépend la vitesse de chute d’un objet ? Nous pensons que la vitesse de chute dépend de la masse et de la hauteur de chute Expérience 1 : La vitesse dépend de la hauteur de chute : Nous allons faire tomber un même cylindre de différentes hauteurs, par exemple le cylindre en laiton. Hauteur de 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 chute en m Vitesse de chute en m.s-1 Quand on lâche une balle de tennis et une boule de pétanque de la même hauteur, on a l’impression que la plus lourde tombe la première Expérience : Nous allons faire glisser des cylindres de différentes masses dans un tube de hauteur constante. Puis nous allons mesurer la vitesse en sortie de tube grâce à un petit appareil conçu pour. Afin de vérifier la cohérence des résultats, les élèves passent par groupe de 2 ou 3 et nous faisons plusieurs fois la mesure. A la fin nous effectuons une moyenne: Cylindre en… Bois Alu laiton Masse en g V en m/s essai 1 V en m/s essai 2 V en m/s essai 3 V en m/s essai 4 V en m/s essai 5 V en m/s essai 6 V en m/s essai 7 V en m/s essai 8 V en m/s essai 9 V en m/s essai 10 V moy en m/s De quoi dépend la vitesse de chute d’un objet ? Nous pensons que la vitesse de chute dépend de la masse et de la hauteur de chute Expérience 1 : La vitesse dépend de la hauteur de chute : Nous allons faire tomber un même cylindre de différentes hauteurs, par exemple le cylindre en laiton. Hauteur de 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 chute en m 0 2,21 3,13 3,83 4 ,43 4,95 5,42 √2𝑔ℎ Vitesse de 0 2,3 3,21 3,89 4,42 4,97 5,32 chute en m.s-1 On constate que plus la hauteur augmente, plus la vitesse de chute augmente Expérience 2 Cylindre Masse en… en g Bois 7 V en m/s essai 1 2.71 V en m/s essai 2 2.61 V en m/s essai 3 2.7 V en m/s essai 4 2.67 V en m/s essai 5 2.74 V en m/s essai 6 V en m/s essai 7 V en m/s essai 8 V en m/s essai 9 V en m/s essai 10 V moy en m/s 2.686 Alu 26 2.75 2.71 2.79 2.75 2.67 2.734 laiton 80 2.79 2.62 2.77 2.80 2.81 2.758 Nous obtenons toujours la même valeur. Et maintenant une vidéo illustrant ces propos Voici une vidéo d'Etienne Klein qui nous explique pourquoi Et la vidéo de L'expérience de David Scott sur la Lune en 1971 Conclusion: La vitesse de chute d'un corps ne dépend pas de sa masse dans le vide. Cependant les frottements de l’air atténuent la chute la vitesse de chute et des objets à fort coefficient de frottement tomberont beaucoup moins vite que d'autres. Par contre la vitesse de chute dépend bien de la hauteur, elle est même proportionnelle à √𝒉 Séance N°3 : Conservation de l’énergie mécanique totale au cours d’un mouvement Objectifs : Nous allons réaliser une acquisition vidéo, l'exploiter par chronophotographie et vérifier la conservation de l'énergie mécanique au cours d'une chute. Tous les logiciels dont je parle sont gratuits et disponibles dans le pack USB fourni 1) Acquisition vidéo J'utilise mon appareil photographique, un lumix DMC TZ7 de chez panasonic. On peut utiliser n'importe quel appareil vidéo à condition d'avoir un minimum de 25 fps (frame par seconde c'est-à-dire images/s) en acquisition vidéo. Le mien filme en 30 fps. Mettre en scène la chute libre en travaillant le long d'un mur de couleur uniforme. Attention à coller une règle ou repère gradué pour l'étalonnage de la chronophotographie. Cadrer avec l'appareil vidéo et lancer la vidéo. On pourra couper au montage le début et la fin du film et ne garder que la partie intéressante. Lâcher un objet (balle ou autre) facilement repérable sur le fond. Attention à travailler dans le même plan que le repère gradué (ou très près). 2) Montage de la vidéo Nous allons rencontrer deux types de problème: le format vidéo et le montage pour ne garder que la partie intéressante Le format de sortie vidéo doit être en *.AVI, *.mpg ou *.m1v. Sinon il faudra un convertisseur de format vidéo. Le mien fournit du *.mov ou du *.MTS ou *.MT2S (format vidéo haute qualité dit AVCHD). Pour convertir le format *.MTS, j'utilise le logiciel "free AVCHD converter" qui peut convertir ce format en *.AVI ou *.MPEG ou autre. Facile et intuitif. Pour le montage et le découpage de la séquence, j'utilise le logiciel en anglais "AVIDEMUX" qui permet de monter une vidéo *.AVI et de découper la séquence voulue. Je peux aussi ouvrir une vidéo en *.mov et l'enregistrer en *.AVI nécessaire au logiciel suivant. Ouvrir la vidéo. Repérer en faisant défiler la séquence de chute libre. Marquer le début en cliquant sur le bouton "A" en bas de l'écran et marquer la fin de la séquence en cliquant sur "B". Enfin, enregistrer sous en donnant un nom suivi de l'extension .AVI. Voila, votre vidéo est prête à subir une chronophotographie en bonne et due forme. Les deux boutons "A" et "B" 3) Exploitation de la chronophotographie Pour cela, j'utilise le logiciel "dynamic". Ouvrir dynamic et dans "fichier", "ouvrir" la vidéo en n'oubliant pas de sélectionner 'tous fichiers" dans le menu du format. Votre vidéo apparaît après quelques secondes dans une fenêtre appelée "traitement vidéo". Tout se passe ensuite dans le menu "initialiser" et dans l'ordre: 1) intervalle de temps: entrer la valeur entre deux images, ici 1/30 de s soit 3.33.10-2 s 2) échelle: cliquer sur le début du repère gradué et sans relâcher le clic aller jusqu'à l'autre bout. Décliquer. Entrer la valeur de la longueur du repère, ici on ne touche à rien puisque le repère fait 1m par défaut. Automatiquement, une fenêtre s'ouvre appelée "trajectoire (vidéo). 3) cliquer sur la flèche de défilement des images pas à pas et se positionner sur la première image avant le lâcher. 4) Cliquer alors sur "origine" dans "initialiser" et pointer la flèche sur la balle. Automatiquement, les images se succèdent, il suffit de pointer le centre de la balle à chaque fois et la fenêtre "trajectoire" marque les positions automatiquement (voir image suivante Enfin quand le pointage est fini, retourner dans la fenêtre traitement vidéo, cliquer "exporter" puis synchronie pour exporter les données pointées au format texte (*.txt). Je n'ai pas réussi à exporter au formal excel, une version trop récente??? Donner évidemment un nom au fichier. 4) Exploitation des données dans un tableur grapheur Dernière étape, on exploite les données dans un tableur grapheur, excel ou open office. Ouvrir ce logiciel et ouvrir le fichier *.txt exporté précédemment. Ce fichier doit être traité comme un fichier *.csv ou "séparateur point virgule". Avec excel, pas de pb, une boîte de dialogue demande de convertir le fichier csv en xls. Il suffit de préciser dans cette boîte de dialogue que la séparation est la firgule ",". Pour openoffice, aller sur le fichier *.txt en question, cliquer droit et faire "ouvrir avec", sélectionner "scalc" le tableur d'openoffice. Une boîte de dialogue apparaît, sélectionner de découper le tableau selon les espaces, créer le tableau et ajuster si besoin. Nous nous occupons des valeurs en Y. Ajouter alors en colonne D une valeur Vy calculée sur la moyenne des positions avant et après. Par exemple pour la vitesse de la ligne 4, on entre la formule en D4:"=(c3-c5)/(a5-a3)" afin d'avoir une valeur positive. Pour Ec en colonne E, on entre la formule en E4 "=0,5*D4*D4" sans tenir compte de la masse donc. Pour Ep en colonne F, entrer la formule en F4: "=0,5*(C21C4)", la valeur C21 permettant d'ajuster la hauteur de chute. Enfin pour Em en colonne G, entrer en G4: "=E4+F4". Cette valeur doit rester constante au moins sur les premières mesures. Après, la chronophotographie n'est pas toujours d'assez bonne qualité pour obtenir de bons résultats. Voici les courbes obtenue pour les 11 premières mesures Voir le fichier excel Voir cette animation : http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/troisieme/energie/energie_potentielle_cinetiqu e_mecanique.htm Attention cependant : Cette conservation de l’énergie mécanique n’est que théorique car les frottements divers font perdre de l’énergie totale. Seuls dans les cas où les frottements sont peu importants on peut relever une conservation de l’énergie mécanique. C’est pourquoi une balle qui rebondit ne pourra jamais remonter aussi haut qu’au début (sans vitesse initiale) Un volant de badminton part très vite mais perd de la vitesse ensuite avec d’importants frottements Donner d’autres exemples : Conclusion : Au cours d’un mouvement sans frottement (cas irréel) il y a conservation de l’énergie mécanique totale. Au cours d’une chute, toute l’énergie de position du départ est convertie en énergie cinétique) Dans le cas d’un mouvement avec frottement (cas réel) il y a toujours perte d’énergie au cours du mouvement Séance N°4 : La sécurité routière Objectifs : cit1 Activité 3 P 230 1) A 50 km/h, la distance de freinage vaut 15m environ et à 100 km/h, elle vaut 55 m. 55/15= 3,7. En doublant la vitesse, on multiplie par 4 environ la distance de freinage. 2) A 40 km/h, la distance de freinage vaut 10m environ et à 120 km/h, elle vaut 80 m. 80/10= 8. En doublant la vitesse, on multiplie par 8 environ la distance de freinage. 3) on remplit le tableau : D en m V en km/h V2 (en km/h)2 d/v2 en m/(km/h)2 5 30 900 5,5.10-3 20 60 3600 5,5.10-3 45 90 8100 5,5.10-3 Si le rapport d/v2 reste constant, c’est qu’il y a proportionnalité entre d et v2. 4) Les plaquettes de frein chauffent, l’énergie cinétique est donc convertie en chaleur (énergie thermique) 5) Sur route mouillée, les distances de freinage augmentent de 40% 6) Conclusion : La vitesse est dangereuse car la distance de freinage dépend directement de cette vitesse mais au carré. Ainsi en doublant ma vitesse, je multiplie par 4 ma distance de freinage d’où le danger lié à la vitesse. C’est parque la distance de freinage est proportionnelle à l’énergie cinétique Et le jeu ici : http://physiquecollege.free.fr/_private/troisieme/mecanique/scooter_securite_routiere.htm
