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Thème :
Conservation de la quantité de mouvement. Lois de Newton


Type de ressources :
Démarche expérimentale


Notions et contenus :
Conservation de la quantité de mouvement d’un système isolé ; Erreurs et notions associées ; Incertitudes et notions associées ; Expression et acceptabilité du résultat.


Compétences travaillées ou évaluées :
Analyser une situation problème posée ; Proposer un protocole comprenant des expériences ; Réaliser un protocole comprenant des expériences ; Porter un jugement critique sur la pertinence des résultats obtenus ; Porter un jugement critique sur la pertinence des hypothèses faites ; Valider des résultats obtenus et des hypothèses faites ; Estimer la précision de mesures ; Écrire des résultats de façon adaptée ; Faire preuve d'initiative ; Mener des expériences assistées par ordinateur ; Traiter des mesures ; Identifier les différentes sources d'erreur (de limite à la précision) lors d'une mesure : variabilités du phénomène et de l’acte de mesure (facteurs liés à l’opérateur, aux instruments, etc.) ; Évaluer et comparer les incertitudes associées à chaque source d’erreur ; Maîtriser l’usage des chiffres significatifs et l’écriture scientifique. Associer l’incertitude à cette écriture.



Nature de l’activité :
Activité expérimentale, présentée sous la forme de tâche complexe, permettant une approche concrète de la propulsion par réaction de modèles réduits roulant et volant.


Résumé (en 5 lignes au plus) :
Dans une première partie, il s'agit d’étudier la conservation de la quantité de mouvement lors de la propulsion d’un modèle réduit roulant : le chariot à réaction.

Deux investigations expérimentales différentes sont proposées : l'une assez rudimentaire et plutôt qualitative et l'autre plus élaborée utilisant les TIC. Les résultats sont validés à partir de critères s’appuyant sur les sources d’erreurs identifiées et l’analyse des incertitudes qui leur sont liées.

La deuxième partie propose d'étendre le champ d’étude de la propulsion par réaction à un autre dispositif de modèle réduit : la fusée à air.

Mots clefs :
Quantité de mouvement ; Propulsion par réaction ; Modèle réduit ; Fusée ; Approche qualitative ; Bilan ; TIC ; Webcam ; Vidéo ; Mesures ; Incertitudes ; Validation ; Analyse.


Académie où a été produite la ressource :
Amiens


On trouvera la première version de cette activité comportant des exemples de protocoles et des essais de validation sur le site de l'académie d'Amiens:

http://spcfa.ac-amiens.fr/ecrire/?exec=articles_edit&id_article=395
La référence utilisée pour les calculs d'incertitudes est:
http://www.educnet.education.fr/rnchimie/recom/mesures_incertitudes.pdf
Sciences physiques

Terminale S

Table des matières


1.Expérience préliminaire sur un ballon de baudruche 2

2.Activités envisageables avec les élèves 3

3.Le chariot à réaction 3

4.Complément et extension de l'activité à un cas plus réaliste : la fusée à air 5

Annexe 1 Exemples de protocoles 6

1.Protocole pour le chariot à réaction 6

5.Protocole pour la fusée à réaction 9

a. On réalise un enregistrement vidéo, disponible ici : "Fusée.avi" , en lâchant la fusée avec un ballon gonflé avec la pompe à vélo à un volume de V = 4,0 L. La vidéo, réalisée à 30 images par seconde, montre l'installation de la potence et du repère vertical d'étalonnage qui est ici un morceau de tube de longueur 1,00 m. La webcam est placé à L = 2,5 m du plan de la trajectoire qui est perpendiculaire à son axe optique (voir schéma en d. ). 9

b et c. Les copies d'écran ci dessous précisent les phases de pointage et de traitement des données. 9

Annexe 2 Description détaillée du chariot et de la fusée 14

1.Le chariot à réaction 14

On peut également envisager d'utiliser un modèle du commerce comme le montre la photo ci dessous mais cette solution n'a pas été retenue, la disponibilité de ce type de matériel apparaissant comme trop aléatoire. 15

1.La fusée à air 15

Propulsion à air par réaction pour modèles réduits

Le but de cette activité est de mettre en œuvre une démarche expérimentale pour tenter de vérifier le principe de la conservation de la quantité de mouvement pour un chariot roulant, propulsé par réaction à l'aide d'un ballon de baudruche, que l'on assimile à un système pseudo-isolé.

Après une première approche visant à préciser les hypothèses simplificatrices requises pour un cadre expérimental abordable, le document présente une activité s'articulant autour d'un bilan de quantité de mouvement, dont la mise en œuvre est envisageable par binôme en séance de TP. Le document présente en annexes des exemples de protocoles et de mesures réalisées ainsi qu'une description détaillée des objets modèles réduits fabriqué pour l'activité. Pour une démarche donnée, on tente de valider les résultats obtenus à l'aide d’une évaluation de l'incertitude.

Enfin, il est également proposé d'étendre le champ d'application de la propulsion par réaction à un autre modèle réduit : la fusée à air. L'approche est alors plus classique et met en œuvre la seconde loi de Newton. Le lien fait avec la première activité permet alors de mieux comprendre l'origine de la force de propulsion d'une fusée et de montrer de quels paramètres elle dépend. Bien que plus complexe, Il semble néanmoins très intéressant d'aborder ce cas de figure pour trois raisons:

1. la fusée est un système qui existe réellement ;

2. la maquette est simple et peu onéreuse à fabriquer ;

3. les résultats obtenus sont excellents.
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