Laboratoire sur le travail mécanique en joule (J)
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Laboratoire sur le travail mécanique en joule (J) Cours : Physique, 11e année Section : Introduction aux forces et énergie mécanique Préparation du laboratoire Objectif : Cette expérience exposera l’élève au concept de travail mécanique. Le travail est associé au mouvement d’une masse initialement en repos selon la relation w=F*d. Dans ce laboratoire, l’élève évaluera le travail qui est nécessaire pour bouger deux (2) différentes masses. Le travail (w) se mesure expérimentalement par la force (F) selon la distance (d). L’expérience se fait en groupe de 3 personnes. Approche : - Ce laboratoire de vérification a pour but de valider la loi mécanique du travail par une expérience qui expose l’élève à l’observation du phénomène. - Échelle de conversion : L’élève s’assurera de bien comprendre que la valeur du travail en joule est valable que pour le système métrique qui est établi selon une convention. Pour le système impérial, la mesure se fait en livre/force. L’élève devra apprendre à s’ajuster et convertir le travail selon les outils mis à sa disposition. Toute mesure doit concorder selon l’échelle préétablie. La conversion des échelles est de 1 livre = 4.45 Newtons. Règles de fonctionnement : - L’élève s’assurera d’avoir tout le matériel pour réaliser son expérience. - La manipulation des briques se fait par un élève désigné seulement. - Déterminer le rôle des membres de l’équipe de 3 personnes (traction, lecture et annotation de la mesure dans le tableau). - Tout mouvement brusque est interdit. - L’élève se limitera à deux briques dans la boîte. - Aucun élément de l’expérience ne sera déplacé vers une autre table. - Ne pas pointer le poinçon pointu vers les autres personnes. Laboratoire Manipulation des appareils : - IMPORTANT : Voir la figure 53.1 plus bas pour l’assemblage des pièces nécessaires à l’expérimentation. - Dans le but de prendre des mesures, se familiariser avec l’échelle sur la balance à ressort que cela soit en métrique indiqué en gramme (g) ou impérial en livre (lb). - Dans le cas d’une échelle impériale, convertir selon 1 livre=4.45N. - Prendre connaissance de la règle d’une longueur de 1 mètre. But : Comprendre l’effet proportionnel du travail par rapport à la masse selon l’équation w=F*d. Matériel : - Deux briques : (2x 1 Kg) - Boîte de carton - Poinçon - Balance à ressort avec crochet de 2000g - Une grande règle de 1 mètre - Ruban (masking tape) Hypothèse : À vitesse constante, est-ce que le travail varie selon la masse ? Quelles sont les variables impliquées dans le calcul du travail (en joules) ? ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ Travail (w), mesuré en joule (J) = Force (F) * distance en mètres(d). La Force se calcul en newton (N) selon la relation, F=ma. La masse (m) se mesure en kilogramme (kg) et l’accélération se mesure en (m/s^2). Démarche du laboratoire : (1) Placer une brique (1x) dans la boîte. (2) Utiliser le poinçon pour faire un trou dans la boîte et accrocher la balance à ressort. (3) Placer la boîte à une extrémité de la table pour le placer au début de sa course. Mettre un ruban gommé à 15 cm devant la boîte comme référence de prise de mesure. (4) Mesurer la distance en mètre à partir du ruban gommé jusqu’au bout de la table dans la direction où la boîte est tirée avec la balance à ressort. (5) Tirer sur la balance et déplacer la boîte horizontalement. S’assurer que la vitesse demeure constante et prendre les mesures les plus stables à partir du ruban gommé jusqu’à la fin de la table. (6) Répéter l’étape (5), cinq fois et établir une moyenne. (7) Évaluer le travail fait sur la boîte selon w= f*d. (8) Dans l’équation, w est le travail évalué en joule (j) ou Newton-mètre (N.m), f est la force en newton (N) et d la distance en mètre (m). (9) Est-ce que le tableau est rempli ? Si oui, aller à l’étape (12). Sinon, continuer. (10) Mettre la deuxième brique (2x) dans la boîte. (11) Aller à l’étape 3. (12) Fin du laboratoire. Équivalence des unités de mesure : 1N.m = 1J. Le joule (j) est un autre langage pour exprimer l’unité de mesure newton-mètre (N.m) Observation des résultats : Brique 1 Kg 1x 2x Distance (d), m Travail (w), j Force (f), N Essai 1 Essai 2 Essai 3 Essai 4 Essai 5 Moyenne W=f*d Conclusion : À la lumière de votre hypothèse et selon les résultats transcrits sur votre tableau, avez-vous remarqué une relation entre le travail (w en joules), force (Newton N) et déplacement (en mètre m) dans une direction donnée? Explique. ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ Quelle tendance as-tu observée en te référant à la colonne travail (w) de ton tableau ? En analysant les variables du tableau, le travail (w) varie t’-il selon une augmentation de masse (m)? Que peux-tu conclure ? ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ Évaluation des résultats Dans ton tableau, pourquoi faire une moyenne des forces pour déplacer la boîte afin de calculer le travail mécanique (w) selon son déplacement (m) ? ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ Explique la validité de l’équation théorique du travail mécanique (w=Fd) avec les résultats que tu as observés dans le tableau. Pourquoi considérer le facteur déplacement (m) dans un travail ? ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ Quelle est l’utilité de comprendre la notion de travail mécanique ? ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ Application du travail mécanique Contexte : Est-ce que le travail pour tirer ou pousser une luge en hiver est plus grand ou plus petit que pour tirer ou pousser une voiture en panne ? ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ Selon toi, qu’est-ce qui nécessite le plus petit travail (à encercler) : 1) Déplacement des meubles et des appareils électroménagers dans ta maison. 2) Pousser une tasse sur une table. 3) Traction des wagons par une locomotive. 4) Creusage d’un fossé par une pelle mécanique. 5) Traction d’une auto par une remorqueuse.
