Questions de théorie
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1ère S TP physique 04 Quelques lois de la mécanique Pour résoudre chaque question qui suit, on sera amené à : - faire un ou des schémas de situation, avec bilans de forces s’appuyant éventuellement sur un diagramme objet-interactions, - mettre en oeuvre une réflexion approfondie sur le problème posé. Situation n° 1. Vérifier et utiliser la loi de Hooke. Matériel. Ressort, règle graduée sur support, masses marquées. Travail demandé. 1. Vérifier la loi de Hooke. L’allongement du ressort ne devra pas dépasser 15 à 20 cm, pour rester en deçà de la limite d'élasticité. On réalisera des mesures judicieusement réparties : 7 ou 8 valeurs entre 0 et le maximum. Tableau de valeurs et représentation graphique : utilisation du tableur Regressi. 2. Déterminer la constante de raideur du ressort. 3. Utiliser le dispositif pour mesurer la masse d’un objet. Situation n° 2. Déterminer un coefficient de frottement solide-plan. 1ère proposition. Le solide reposant sur un plan horizontal, le fixer à un dynamomètre et tirer jusque la mise en mouvement. Relever la valeur indiquée par le dynamomètre. Matériel. Planche en bois, solide (trousse, livre...), balance, dynamomètre 1 N... Travail demandé. 1. Déterminer le coefficient de frottement statique s lors du contact solide-plan. 2. Constater seulement que le coefficient de frottement dynamique d lui est inférieur. 2ème proposition. Le solide reposant sur le plan, incliner celui-ci. Mesurer le plus petit angle d’inclinaison permettant la rupture d’équilibre. Matériel. Planche en bois, solide (trousse, livre...), balance, support élévateur, règle graduée... Travail demandé. Déterminer le coefficient de frottement statique s. Comparer à la valeur précédente. Situation n° 3. Déterminer un coefficient de frottement solide-liquide. Proposition. Laisser tomber une bille sphérique dans le liquide. La mesure de la vitesse limite vL atteinte permet de déterminer le coefficient de corrélation entre vL et la force de frottement f. Matériel. Document vidéo « chute_eau_glycérol » représentant une bille d’acier, de masse m = 10,6 g et de diamètre 16 mm, qui chute verticalement dans un mélange eau-glycérol de masse volumique = 1,13 g.cm-3. Logiciel de pointage Aviméca et tableur Regressi : voir les notices d’utilisation jointes. 1ère S TP physique 04 Travail demandé. 1. Faire un bilan des actions subies par la bille, éventuellement en partant d’un diagramme objet-interactions ; 2. A partir de la représentation graphique v = f(t) obtenue, décrire les différentes phases du mouvement de la bille. Déterminer la vitesse limite vL atteinte. 3. Par une étude dynamique de la phase uniforme du mouvement, déterminer la valeur de la force de frottement exercée par l’eau sur la bille. En déduire le coefficient d’amortissement . _______________________________________________________________________________ Quelques rappels théoriques 1. La tension d’un ressort. Pour un ressort à spires non jointives : Loi de Hooke. La tension du ressort est proportionnelle à sa variation de longueur : T = k.. k est la constante de raideur du ressort, en N.m-1. 2. Frottements solides. Ils représentent les actions de frottements R t au cours d’un contact entre deux solides. En l’absence de frottements : R t 0 . Donc R Rn . La réaction du support est alors orthogonale au support. R Rt Rn Rn Rt En cas de frottement : le coefficient de frottement est μ Rt . Rn On définit alors : - le coefficient de frottement statique, valeur de correspondant à une situation d’équilibre juste avant la mise en mouvement du solide sur son support. - le coefficient de frottement dynamique, valeur de correspondant à un mouvement rectiligne uniforme. 3. Poussée d’Archimède. Tout corps plongé dan un fluide (liquide ou gaz) au repos reçoit de la part de ce dernier une poussée verticale ascendante égale au poids de fluide déplacé : FA = L.g.Vi. 4. Force de frottement fluide. La force de frottement exercée par le fluide sur le solide est colinéaire au vecteur vitesse et de sens contraire. Pour les petites vitesses, de l’ordre de quelques cm.s-1, sa valeur est proportionnelle à la vitesse (f = .v) ; pour les vitesse de l’ordre de quelques m.s-1, elle est proportionnelle au carré de la vitesse (f = .v2). v fluide G (S) 1ère S TP physique 04 Logiciel Aviméca. Mode d’emploi. Lancer l’application. Ouvrir le fichier « chute_eau_glycérol.avi ». Adapter sa dimension, à l’aide de l’icône « % » de la barre d’outils. Choisir la première image qui permettra de repérer les positions successives de la bille. Prendre l’origine des dates sur cette image. Dans le menu « étalonnage » : - préciser l’échelle du document : la distance entre les deux marques est L = 25,0 cm ; - Créer un repère dont l’origine est située sur la première position du centre de la bille et l’axe vertical orienté vers le bas. Choisir, dans la barre d’outils, une dimension de points égale à 3. Choisir la couleur blanche pour le pointeur. Matérialiser sur l’écran les positions successives du centre de la bille. . Enregistrer les mesures dans un fichier Regressi qui sera nommé « chute_eau_glycérol » au format « .rw3 » dans votre dossier. Tableur Regressi. Mode d’emploi. Lancer l’application. Ouvrir le fichier « chute_eau_glycérol.rw3 ». Supprimer (clic droit sur l’en-tête de colonne) la grandeur x qui reste constante. Ajouter une nouvelle grandeur qui est la vitesse instantanée v, « dérivée de l’ordonnée y par dy rapport au temps t » : v . dt Effectuer la représentation v = f(t). On sera amené à désactiver la fonction « axes orthonormés ». Enregistrer et imprimer la courbe.
