TP5-Cours de Physique : TRAVAIL D`UNE FORCE.

Classe de Première S TP de PHYSIQUE N° 5
TTRRA
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ORRCCEE
OBJECTIFS :


Evaluer l'effort fourni ( travail ) lorsque le point d'application d'une force se déplace ?
Etablir l’expression du travail d’une force constante.
1. Effets d’une force : Expérience du sèche cheveu et du wagonnet sur le rail
Le sèche-cheveux exerce une force F constante sur le wagonnet. La valeur de cette force est réglable en jouant
sur l'intensité de la soufflerie. Soit D la distance sur laquelle la force est exercée, c'est la distance parcourue par
le wagonnet sur le rail sous l'effet de la force. Soit  l'angle que fait la force avec la direction du déplacement.
F

a) Comment évaluer grossièrement l'effort, le travail, qui a été produit par le sèche-cheveux sur le wagonnet
?
b) Comparer l’effet de la force exercée sur le wagonnet, en modifiant l’intensité, la direction et le sens de
cette force.
Wagonnet tiré par plusieurs personnages :
Dans quels cas, le travail, est-il moteur, résistant,
ou nul ?
moteur
résistant
nul
F1
F2
F3
F4
F5
2. A la recherche d'une relation
Proposer, parmi les relations suivantes, celle qui permet de définir le travail d'une force constante effectuant un
déplacement D :
 W = F/D
W=FD
 W = F  D  sin
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 W = F  D  cos
3. Travail d'une force constante : synthèse
Le travail mécanique d'une force constante déplaçant son point d'application de A vers B de façon rectiligne est

égal au produit scalaire de F par le déplacement
AB .

F
AB
W
Unité : le Joule
Autre expression :
 F.AB
……………………………………………………………………………………………..
F
  (F, AB)

A
B
Signe du travail
0
: ..................................................................................................................
0    90
: ..................................................................................................................
  90
: ..................................................................................................................
90    180
  180
: ..................................................................................................................
: ..................................................................................................................
4. TRAVAIL DU POIDS D'UN CORPS EN CHUTE LIBRE

Protocole expérimental
Le solide est une règle métallique de masse m = 48,8 g munie de fentes. Un photocapteur est relié à un ordinateur
via une interface. Les dates ti correspondant au début des occultations du faisceau lumineux sont enregistrées par
l'ordinateur. L'ordinateur indique aussi la position z i de G à cette même date. On admettra que l'abscisse x de G ne
varie pas au cours de la chute.
Les coordonnées sont exprimées dans le repère (O, 
;i, 
;k) indiqué sur la figure.
La date de la première occultation (position du faisceau au milieu de deux fentes successives) est fixée
arbitrairement à t = 0. A cet instant, on fixe la position du centre d'inertie G en G 0 (x0 ; z0 = 0).
La règle est lâchée sans vitesse initiale.
a) Bilan des forces
Faites le bilan des forces s'appliquant sur le solide. Justifiez le nom de chute libre en montrant qu'on peut négliger
une de ces forces dans les conditions expérimentales présentes.
Donnez l'expression littérale du travail (noté W ) de la résultante des forces appliquées au système entre G0 et G
en fonction de m, g et z. Ce travail est-il moteur ou résistant ?
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z
;k

O
Mobile
x
;i


G
Barrière
optique
Prises DIN
ORPHY
A
E
b) Tableau de résultats
1. Déplacez le fichier chute1.rw3 du répertoire R : vers le répertoire T :. Ouvrez ce fichier.
2. Cliquez sur Grandeurs, puis Variables. Vous disposez de différentes valeurs de z et t.
3. Ci-dessous, figure un extrait du tableau que vous devez compléter avec les dates t correspondantes.
t (ms)
z (mm)
-1,80
-23,4
-43,2
-63,0
-81,0
-100,8
-120,6
-140,4
-162,0
-187,2
0,01916
0,06906
0,09384
0,1133
0,1285
0,1433
0,1568
0,1692
0,1817
0,1954
c) Exploitation avec le logiciel REGRESSI
Suivre le protocole d’utilisation de Regressi pour calculer W.
Afficher la représentation graphique de W en fonction de –z.
Déterminer le coefficient directeur et conclure.
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W(mJ)
U
UTTIILLIIS
SA
ATTIIO
ON
ND
DU
U LLO
OGGIICCIIEELL RREEGGRREES
SS
SII
"Création des nouvelles grandeurs ou paramètres"
Paramètres expérimentaux
Y+, Paramètre expérimental
Symbole : m
Unité : kg
Commentaire : Masse de la règle
Valider et entrez la valeur : 0,0488
Y +, Paramètre expérimental
Y+, Paramètre expérimental
g
N.kg –1.
intensité de la pesanteur
9,81
z0
m
cote de G à t = 0
0
Expression du travail du poids
Y+, Grandeur calculée
Y+, Grandeur calculée
Symbole : W
Unité : J
Commentaire : Travail du poids
Expression : W = m*g*(z0-z)
Symbole : z1
Unité : m
Commentaire : opposé de z
Expression : z1 = -z
Afficher W = f(z1).
Modéliser et relever le coefficient directeur.
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Fiche prof
Effets d’une force : Expérience du sèche cheveu et du wagonnet sur le rail
Le sèche-cheveux exerce une force F constante sur le wagonnet. La valeur de cette force est réglable en jouant
sur l'intensité de la soufflerie. Soit D la distance sur laquelle la force est exercée, c'est la distance parcourue par
le wagonnet sur le rail sous l'effet de la force. Soit  l'angle que fait la force avec la direction du déplacement.
F


Comment évaluer grossièrement l'effort, le travail, qui a été produit par le sèche-cheveux sur le wagonnet
?
La vitesse acquise par le wagonnet mesure l'effort (le travail) qui a été produit sur le wagonnet par le sèche
cheveu.
Comparer l’effet de la force exercée sur le wagonnet, en modifiant l’intensité, la direction et le sens de
cette force.
Dans quels cas, le travail ( effet de la force ) moteur, résistant, ou nul ?

On observe que la vitesse acquise par le wagonnet (donc le travail de la force
F ) est d'autant plus forte que :
- l'intensité de F est grande
- que la distance D sur laquelle on pousse le wagonnet est grande
- que la force a même direction et même sens que le déplacement (  petit et
déplacement)
F dans le même sens que le
On note aussi qu'une force orthogonale au déplacement du wagonnet n'a aucun effet sur le wagonnet.
wagonnet tiré par plusieurs personnages
effet
F1
F2
F3
F4
F5
moteur
x
x
x
résistant
nul
x
x
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4. A la recherche d'une relation
Proposer, parmi les relations suivantes, celle qui permet de définir le travail d'une force constante effectuant un
déplacement D
 W = F/D
W=FD
 W = F  D  sin
 W = F  D  cos
Relation  : on l'exclut car le travail doit être d'autant plus important que D est important, D ne peut pas être au
dénominateur
Relation  : on l'exclut car elle ne tient pas compte de la direction de la force
Relation  : on l'exclut car quand  = 90°, on doit avoir W = 0, ce qui n'est pas le cas avec cette relation
Relation  : elle est acceptable
5. TRAVAIL D'UNE FORCE CONSTANTE : SYNTHESE
Expression :
Le travail mécanique d'une force constante déplaçant son point d'application de A vers B de façon rectiligne est

égal au produit scalaire de F par le déplacement
AB .

F
WAB
 F.AB
Unité : le Joule
Autre expression :

F
WAB
F
A
 F.AB  F.AB. cos 
  (F, AB)

B
Signe du travail
 0
WAFB  F.AB  F  AB  cos 0  F.AB
 0    90
WAFB  F.AB  F  AB  cos  avec cos >0, donc WAFB  0
   90
WAFB  F  AB  cos 90  0 , la force ne travaille pas



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

 90    180
WAFB  F.AB  F  AB  cos  avec cos <0, donc WAFB  0
   180
WAFB  F.AB  F  AB  cos180  F.AB
W >0 :
W< 0 :
W=0:
travail .moteur..............
travail ..résistant...............
travail ..nul..............
4) Travail du poids :
a) Seul le poids n’est pas négligeable.
b) z est en mm.
c) W = mg x ( z0 – z ) soit W = - mgz travail moteur car z est négatif.
z0 = 0
P
z
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