1 S 8 - Free

1S
FORCES ET EFFETS DES FORCES
P 4 TP
But du TP :  Faire le bilan des forces s’exerçant sur un solide
 Comprendre le principe d’un dynamomètre à ressort.
 Étudier l’équilibre d’un objet soumis à trois forces
 Mettre en évidence la poussée d’Archimède.
1. Principe de fonctionnement d’un dynamomètre à ressort
Problème : Comment réaliser un dynamomètre avec un ressort, une potence, des masses marquées, une
règle et une feuille de papier millimétrée (ou un tableur) ?
0

m
Le référentiel d'étude est un référentiel terrestre lié à la salle de classe.
1.1. Réflexions préliminaires
1°/ Faire l'inventaire des forces s'exerçant sur le système {masse marquée} lorsqu'elle est immobile.
Que peut-on dire de la somme vectorielle de ces forces et de leurs valeurs ? Justifier.
2°/ Mêmes questions pour le système {ressort}. On néglige le poids du système {ressort} devant les autres
forces qu'il subit.
3°/ En utilisant le principe des actions réciproques, calculer la valeur commune « F » des vecteurs forces qui
s'exercent sur le système {ressort}.
1.2. Protocole expérimental
Suspendre le ressort à la potence.
Mesurer la longueur « à vide »  0 du ressort.
Accrocher une masse marquée « m » à son autre extrémité (éviter de dépasser 100 g).
Mesurer la longueur  du ressort quand la masse est immobile.
Répéter l'opération avec plusieurs masses marquées.
Compléter le tableau de mesures ci-dessous en indiquant la valeur P du poids de la masse marquée, la
longueur  et l'allongement      0 du ressort.
On prendra g  9,8 N.kg1 .
m (kg)
P (N)
 (m)
     0 (m)
F (N)
1.3. Exploitation
1°/ En utilisant le logiciel Généris 5, tracer le graphe représentant les variations de F en fonction de
l'allongement      0 .
2°/ En déduire la loi de Hooke c'est-à-dire la relation entre F et      0 .
1.4. Conclusion
Expliquer le principe de fonctionnement d'un dynamomètre à ressort.
2. Équilibre d'un solide soumis à trois forces
2.1.Protocole expérimental
On dispose d’un solide S, de masse négligeable, relié à trois fils.
Les fils passent dans les gorges des poulies. (Schéma ci-contre)
1°/ Accrochés des masses marquées aux extrémités des fils afin de mettre
le solide S en équilibre.
2°/ Noter les valeurs des trois masses marquées.
m3 
m1 
m2 
2°/ Sans bouger les fils, reporter soigneusement leur position sur la feuille
de papier ainsi que leur point d’attache.
2.2.Exploitation des résultats
1°/ Quel est le système étudié ? Dans quel référentiel ?
2°/ Faire le bilan des actions subies par le système.
3°/ On admet que les poulies transmettent intégralement la valeur des
forces et n’en modifient que la direction. Soit P1 , P2 et P3 les poids des
masses accrochées aux extrémités des trois fils.
Donner la valeur des forces F1 , F2 et F3 exercées par les fils sur le solide S.
4°/ Représenter sur la feuille les trois forces F1 , F2 et F3 à partir de leur point d’application.

Échelle : 1cm 
donc F1 mesure
F1 
cm
F2 
cm
donc F2 mesure
donc F3 mesure
F3 
cm
5°/ Sur la feuille, prolonger les droites d’action ou direction de chacune des forces. Conclure.
6°/ A partir d’un point quelconque sur la feuille, construire le vecteur F  F1  F2  F3 .
7°/ Faire le choix d’un repère orthonormé. Tracer les projections orthogonales des forces sur les deux axes
Ox et Oy. On appellera F1x , F2x , F3x les projections des vecteurs forces sur l’axe Ox et F1y , F2 y , F3y les
projections des vecteurs forces sur Oy.
8°/ Que peut-on dire de F1x  F2x  F3x et de F1y  F2y  F3y
9°/ Conclusion : Émettre deux conditions nécessaires pour qu’un solide soumis à trois forces non parallèles
soit en équilibre.
3. La poussée d’Archimède
3.1.Protocole expérimental
1°/ Un solide S est suspendu à un dynamomètre. On obtient ainsi la valeur de son poids P : P 
2°/ Une éprouvette graduée contient un volume V1 d’eau : V1 
3°/ On immerge complément le solide S dans l’éprouvette.
4°/ Que constatez-vous ?
3.2.Exploitation des résultats
1°/ Faire le bilan des forces exercées sur le solide S.
2°/ Donner la valeur de ces forces.
3°/ Quel est le volume du solide S ?
4°/ Calculer le poids du volume d’eau déplacée.
5°/ Conclure.
3.3.Applications
1°/ Pourquoi une balle de ping-pong remonte-t-elle à la surface lorsqu’elle est immergé sous l’eau.
2°/ Un ballon gonflé à l’hélium a une masse m  8, 0 g et un volume V  7, 7 L . Que se passe-t-il lorsqu’il
est lâché. On donne air  1,3kg.m 3 .
1S
FORCES ET EFFETS DES FORCES
P 4 TP
Élèves
Bureau
1 boite de masse marquée
Potence avec règle et ressort suspendu
Ordinateur avec généris 5
Notice d’utilisation de généris 5
Pour la poussée d’Archimède :
1 éprouvette graduée
1 dynamomètre assez précis fixé sur une potence
1 masse entrant dans l’éprouvette
chiffon
eau
Dispositif équilibre à trois forces avec anneau
Feuilles de papier
FORCES ET EFFETS DES FORCES CORRECTION
1S
P 4 TP
1. Principe de fonctionnement d’un dynamomètre à ressort
Le référentiel d'étude est un référentiel terrestre lié à la salle de classe.
1.1. Réflexions préliminaires
1°/ Inventaire des forces s'exerçant sur le système {masse marquée} lorsqu'elle est immobile.
Poids de la masse marquée P de valeur P  mg , verticale vers le bas
Force exercée par le ressort sur la masse, tension du ressort T , verticale, vers le haut
Poussée d’Archimède qui est négligeable devant les autres forces.
Que peut-on dire de la somme vectorielle de ces forces et de leurs valeurs ? Justifier.
La masse étant immobile dans le référentiel terrestre, le principe de l’inertie (ou 1° loi de Newton ) dit que
la somme vectorielle des forces est nulle. Donc P  T  0 .
En valeur cela donne P  T donc T  mg
2°/ Inventaire des forces s'exerçant sur le système {ressort} lorsqu'il est immobile :
Poids du ressort négligeable devant les autres forces.
Poussée d’Archimède négligeable devant les autres forces
Force exercée par la potence sur le ressort F1 , verticale, vers le haut
Force exercée par la masse sur le ressort F2 , verticale, vers le bas
Que peut-on dire de la somme vectorielle de ces forces et de leurs valeurs ? Justifier.
Le ressort étant immobile dans le référentiel terrestre, le principe de l’inertie (ou 1° loi de Newton ) dit que
la somme vectorielle des forces est nulle. Donc F1  F2  0 .
En valeur cela donne F1  F2 .
3°/ En utilisant le principe des actions réciproques, calculer la valeur commune « F » des vecteurs
forces qui s'exercent sur le système {ressort}.
La force exercée par la masse sur le ressort ( F2 ) et la force exercée par le ressort sur la masse T sont des
actions réciproques. D’après le principe des actions réciproques, elles ont même valeur, même direction
mais des sens contraire.
Donc T   F2 et en valeur T  F2 . Comme T  mg et F1  F2 on peut donc écrire que la valeur commune F
des vecteurs forces s’exerçant sur le système {ressort} est F  F1  F2  T  mg .
1.2. Protocole expérimental
1.3. Exploitation
1°/ Graphe représentant les variations de F en fonction de l'allongement      0 .
F est une fonction linéaire de      0 car le graphe est une droite passant par l’origine.
2°/ En déduire la loi de Hooke c'est-à-dire la relation entre F et      0 .
Fk  k 
0
ou
k est la constante de raideur du ressort en N.m 1
     0 l’allongement du ressort en m
F en N
La tension du ressort T  k   k  0 .
1.4. Conclusion
Principe de fonctionnement d'un dynamomètre à ressort :
Le ressort du dynamomètre étant au préalable étalonné, on connaît l’allongement qu’il aura lorsqu’on lui
exerce une certaine force.
En suspendant une masse, le dynamomètre donne directement la valeur du poids de la masse lorsque la
masse est immobile et que la masse du ressort est négligeable.
2. Équilibre d'un solide soumis à trois forces
2.1. Protocole expérimental
2.2. Exploitation des résultats
1°/ Système étudié : anneau
référentiel : labo donc terrestre.
2°/ Bilan des actions subies par le système :
Action de la Terre négligeable car la masse de l’anneau est très faible.
Action de chacun des fils.
3°/ Valeur des forces : comme F1  P1 , F2  P2 et F3  P3 , alors F1  m1 g ,
F2  m2 g et F3  m3 g avec g  9,81 N.kg 1
4°/ Représenter sur la feuille les trois forces F1 , F2 et F3 à partir de leur
point d’application.
5°/Prolongation des droites d’action ou direction de chacune des forces :
on constate que les trois droites d’action se coupent en un même point,
elles sont concourantes.
6°/ construire le vecteur F  F1  F2  F3 .
7°/ Projection des forces.
8°/ Que peut-on dire de F1x  F2x  F3x  0 et de F1y  F2y  F3y  0
9°/ Deux conditions nécessaires pour qu’un solide soumis à trois forces non parallèles soit en équilibre.
La somme des forces doit être nulle
Les droites d’actions des forces doivent être concourantes.
Remarque : il y a une troisième conditions : Les trois forces doivent être coplanaires.
3. La poussée d’Archimède
3.1.Protocole expérimental
1°/ Un solide S est suspendu à un dynamomètre. On obtient ainsi la valeur de son poids P : P 
2°/ Une éprouvette graduée contient un volume V1 d’eau : V1 
3°/ On immerge complément le solide S dans l’éprouvette.
4°/ Le volume de liquide monte dans l’éprouvette et la valeur indiquée par le dynamomètre est plus faible.
3.2.Exploitation des résultats
1°/ Bilan des forces exercées sur le solide S : Poids et poussée d’Archimède
2°/ P  m  g valeur indiquée par le dynamomètre lorsque le solide est dans l’air
 = indication du dynamomètre avant immersion- indication du dynamomètre après immersion
3°/ Le volume du solide S est égal au volume de liquide déplacé.
4°/ Poids du volume d’eau déplacée : Peau  meau  g  eau  Vdéplacé  g .
5°/ On constate que la poussée d’Archimède est égale au poids du volume de liquide déplacée et qu’elle est
dirigée vers le haut.   fluide  Vdéplacé  g
3.3.Applications
1°/ Pourquoi une balle de ping-pong remonte-t-elle à la surface lorsqu’elle est immergé sous l’eau.
La balle de ping-pong remonte car la poussée d’Archimède est supérieure au poids de la balle de ping-pong.
2°/ Un ballon gonflé à l’hélium a une masse m  8, 0 g et un volume V  7, 7 L . Que se passe-t-il lorsqu’il
est lâché. On donne air  1,3kg.m 3 .
Système : Ballon Référentiel : terrestre
Forces : poids, poussée d’Archimède, frottements de l’air
que l’on néglige.
Poids du ballon : P  mg  8,0 103  9,81  7,9 102 N .
Poussée d’Archimède :   air  Vdéplacé  g  1,3 7,7 103  9,81  9,8 102 N .
La somme des forces n’est pas nulle, la poussée d’Archimède est supérieure au poids du ballon, donc le
ballon va monter dans le ciel.