Mesures (fichier travail.lab)
Peser le chariot avec sa voile et noter cette masse : m = …….. g
Placer le chariot sur le rail en x = 0,00 m.
Utiliser le clic droit de la souris sur l’icône  de la barre de menu, afin d’ouvrir la fenêtre de paramétrage du capteur de position sB1
Réaliser la remise à zéro du capteur en cliquant sur le bouton.  puis fermer cette fenêtre
Vérifier que le fil est bien positionné sur la poulie à rayon
Noter la position angulaire de la voile : = …….. °
Démarrer la mesure avec F9 et sans attendre
Appliquer sur la voile la force du sèche-cheveux.
Attention : le sèche-cheveux suit la voile de manière à garder une distance constante et il est toujours orienté perpendiculairement à la voile.
La mesure s’arrête automatiquement lorsque le chariot a parcouru 0,8 m
Enregistrer le fichier dans votre zone privée sous le nom travail1.lab
Exploitation des résultats
Représentation temporelle
Quelle est l’allure du graphe V = f(t) ? Comment évolue la vitesse ? Caractériser qualitativement la variation de vitesse.
Si la variation de vitesse est constante, alors on peut affirmer d’après la deuxième loi de newton que les forces appliquées sur le chariot sont constantes
Représentation spatiale
Sur quelle distance avez vous poussé le chariot pour qu’il acquière une vitesse de 0.3 m/s ?
Placer une marque verticale à 0.3 m/s
Clic droit sur le graphe-> Placer une marque ->Ligne verticale
Utiliser les coordonnées pour trouver la distance.
Clic droit sur le graphe-> Afficher les coordonnées
Positionner la souris sur le graphe et sans la bouger taper ALT T au clavier.
Vous pouvez alors coller cette information sur le graphe
Peut-on modéliser par une courbe mathématique le graphe de la distance pendant laquelle intervient la force en fonction de la vitesse acquise par le chariot ?
Clic droit sur le graphe-> Fonction de modélisation -> Parabole
Surligner la courbe à l’aide de la souris. La fonction de modélisation se rajoute au graphe.
Alt T vous permet éventuellement de coller les caractéristiques de la fonction de modélisation sur la page.
Imprimer le graphe
Représentation relation ?
Quelle relation existe-t-il entre la distance parcourue et le carré de la vitesse ?
Clic droit sur le graphe-> Fonction de modélisation -> droite de régression
Surligner la courbe à l’aide de la souris. La fonction de modélisation se rajoute au graphe.
Alt T vous permet éventuellement de coller les caractéristiques de la fonction de modélisation sur la page.
Nouvelle série de mesure
Replacer le chariot en x = 0 m
Vérifier que la position affichée sur sB1 est bien nulle sinon refaire le zéro.
Noter la nouvelle position angulaire de la voile : = …….. °
Démarrer une nouvelle série de mesure en appuyant sur F9
Exploiter les résultats comme précédemment.
Pourquoi faut-il fournir un travail ?
I Quels sont les effets possibles d’une force dont le point d’application se déplace ?
On agit sur le mouvement du chariot en approchant un sèche-cheveux. La « voile » peut tourner. Le sèche cheveux agira toujours perpendiculairement à la voile et sera maintenu à distance constante de la voile.
|
|
Répondre aux questions suivantes et argumenter vos réponses en vous aidant de schémas.
Comment faire acquérir une vitesse au chariot, initialement au repos? Quelle est l’influence sur la vitesse du chariot, de la distance selon laquelle on souffle dans la voile ?
Comparez l’efficacité de la force qui agit sur la voile en fonction de son orientation. Quelles sont les directions les plus efficaces pour accélérer le chariot ? pour le freiner ?
Y a-t-il une ou des directions particulièrement inefficaces pour agir sur la vitesse du chariot ? Que peut-on dire des directions intermédiaires ?
Lorsqu’une force constante  agit sur un mobile en mouvement de translation tout au long d’un déplacement  , on dit qu’elle effectue un travail W. Selon les cas, un travail peut être « moteur » « résistant » ou « nul »
Pouvez vous associer les schémas précédent aux termes « moteur » « résistant » « nul » ?
Parmi les relations ci-dessous proposées pour définir le travail qu’une force constante de valeur F effectue sur un mobile au cours d’un déplacement rectiligne de longueur D, quelle est celle qui vous paraît la mieux convenir et pourquoi ?
   
5. Conclusion :
Définition du travail d’une force :
Unité de travail :
Le travail est dit moteur si :
Le travail est dit résistant si :
6. Application :
Une équipe doit tirer le wagon avec des forces supposées constantes pendant le déplacement.
Schématiser la situation proposée, de manière plus mathématique (avec des vecteurs force et un vecteur déplacement) en explicitant le rôle de chaque force
|
|
II Etude quantitative en utilisant une l'interface de mesure
A Protocole
Ouvrir le logiciel Cassy Lab
Ouvrir le fichier : travail.lab
Connecter la barrière lumineuse sur le Timer Box. Placer le fil sur la roue et le tendre à l'aide d'une faible masselotte
|
|
Peser le chariot avec sa vole et noter cette masse : m = ………….. g
Placer le chariot sur le rail en x = 0,00 m.
Utiliser le clic droit de la souris sur l’icône de la barre de menu, afin d’ouvrir la fenêtre de paramétrage du capteur de position sB1
Réaliser la remise à zéro du capteur en cliquant sur le bouton. puis fermer cette fenêtre
Vérifier que le fil est bien positionné sur la roue à rayons.
Noter la position angulaire de la voile : = …………. °
Démarrer la mesure (F9) et sans attendre
Appliquer sur la voile la force du sèche-cheveux qui conserve une distance constante avec la voile.
Terminer la mesure. Enregistrer le fichier sous le nom travail1.lab
B Exploitation des résultats
Vous visualisez un graphe qui représente la position du chariot en fonction de sa vitesse acquise.
Quel modèle mathématique peut représenter ce graphe ?
Clic droit sur le graphe > Fonction de modélisation -> Choisir ce qui vous semble le plus adaptée dans le menu
Surligner la courbe à l’aide de la souris. La fonction de modélisation se rajoute au graphe.
III Comment le travail d’une force constante modifie-t-il le mouvement d’un solide en translation ?
1. On désire savoir comment varie la vitesse V atteinte par le mobile de masse M en un point A quelconque en fonction du travail W() effectué par la force entre O et A ou W() = F.d.cos
Différentes hypothèses de relations simples liant W() , M et V sont suggérées ci dessous, où « a » est une constante.
    
Quelles sont, à votre avis, les relations qui sont recevables et donc méritent d’être testées par l’expérience ? Vous éliminerez celles qui ne le sont pas et vous direz pourquoi.
Vérifier la validité les hypothèses retenues en utilisant les résultats de l’expérience N°1
Elaborez par écrit un protocole expérimental permettant de tester de manière plus approfondie les hypothèses retenues.
Conclusion, dans le cas particulier d’un mobile en translation, partant du repos .
La vitesse acquise par un mobile, initialement immobile, de masse M, sur lequel une force constante, ou un ensemble constant de force, effectue un travail W() satisfait à la relation :
-
Pourquoi faut-il fournir un travail ?
Complément de cours
a.- Le mobile, partant du repos, a accumulé dans son mouvement un capital appelé « énergie cinétique » que nous noterons Ec.
b.- Ce capital d’énergie n’a pas été créé, mais résulte intégralement d’un transfert d’énergie de l’extérieur vers le mobile. Nous noterons WR cette énergie reçue. Le travail des forces constitue un mode de transfert d’énergie.
c.- Cet apport d’énergie WR est mesuré, en valeur absolue, par le travail W() des forces exercée sur le mobile.
Nous représenterons ce cas particulier du mobile ayant une vitesse nulle au départ, cette capitalisation d’énergie et ce transfert d’énergie par le diagramme ci-dessous :
et nous écrirons : WR = Ec
8 . Correction
?
- est éliminé d'office.
- Testons l'hypothèse
On doit donc vérifier F.d.cos = a.M.V
donc d = ( a.M / F.cos* V
c'est à dire que le graphe d = f(V) est une droite passant par l'origine du repère.
Or les résultat expérimentaux montrent que d=f(V) est une parabole.
- Il ne reste donc que deux hypothèses à vérifier et
c'est à dire d = ( a.M / F.cos* V2 ou d = ( a / M. F.cos* V2
On peut changer de représentation graphique pour obtenir le graphe d = f(V2) qui est une droite qui passe par l'origine. On détermine son équation et donc sa pente.
Pour voir l'influence de la masse on réalise une deuxième expérience en alourdissant le chariot.
On pèse le chariot , sa voile et sa surcharge
Expérience 1 masse M1 pente p1
Expérience 2 masse M2 pente p2
Effectuer le rapport des masse M1 / M2 ; le rapport des pentes p1 / p2 puis p2 / p1
Les résultats permettent de choisir l'hypothèse
On peut aussi vérifier que l'expression du travail est bien F.d.cos
Pour voir l'influence de la direction de la force on réalise une troisième expérience en modifiant
Expérience 1 angle 1 pente p1
Expérience 2 angle 3 pente p3
Effectuer le rapport cos 1 / cos 3 ; le rapport des pentes p3 / p1 et conclure.
Remarque : On peut déterminer la force du sèche cheveu sur la voile en utilisant un capteur de force.
Cependant, dans l' expérience, le frottement du chariot sur le rail n'est pas négligeable devant la force exercée par le sèche cheveu.
Donc la détermination de la valeur de a (1/2) est très mauvaise (100% d'erreur). Il est conseillé donc d'effectuer une autre expérience avec un autre matériel pour vérifier la valeur de cette constante. De même si la force est constante dans chaque expérience (= '+ , avec ' représentant la force du sèche cheveu et le frottement), elle peut cependant varier d'une expérience à l'autre si on fait varier la direction de la direction de '. Si le frottement est important, on aura donc de moins bons résultats pour le rapport des cosinus.
Comment faire fonctionner une lampe sous une puissance de 0,1Watt ?
Activité de classe en IS d’après les documents d’accompagnement
Le problème est posé
On dispose d’une lampe dont les caractéristiques données par le constructeur sont 4,5 V et 0,15 A.
Comment faire fonctionner cette lampe sous une puissance de 0,1Watt ?
On dispose par ailleurs d’un générateur de tension variable, de résistances, de fils et d’appareils de mesure ampèremètre et voltmètre (qui seront bien sur ici, ceux de Sensor-CASSY)
Pouvez vous décrire le montage expérimental à réaliser pour alimenter la lampe ?
Selon vous quelles sont les valeurs expérimentales en tension et intensité à mettre dans un tel montage pour que l’objectif soit atteint ?
Quelles mesures doit-on réaliser pour vérifier si l’objectif est atteint ?
Expérimentation
Chaque groupe présente rapidement les résultats de sa réflexion et réalise l’expérience sur le bureau du professeur
Sur l’écran de l’ordinateur, les résultats en tension, intensité et puissance s’affichent.
L’ensemble des couples U, I proposé par les élèves permet donc de construire la caractéristique de la lampe.
Discussion
Une discussion s’ensuit sur les causes de l’échec des stratégies proposées et sur la manière d’atteindre l’objectif puisque la résistance n’est pas constante.
Le couple (U, I) dépend de la tension du générateur mais aussi de la résistance du circuit qui varie du fait de la température ….
On redemande au élève quelle méthode adopter pour résoudre le problème puisqu’on dispose maintenant de la caractéristique de la lampe.
Pour aider à résoudre le problème, le professeur peut proposer alors deux représentations graphiques qui permettrons de trouver la solution
- Représentions simultanées de U=f(P) et I=f(P).
On trace un trait verticalement pour la valeur 0.1 Watt et on lit les valeurs de U et I
- Plus abstraite pour les élèves, cette méthode consiste à définir une nouvelle formule :
Uth = P/I ou P = 0.1 W, puis à représenter simultanément U=f(I) et Uth=f(I). Le point d’intersection des deux courbes donne à nouveau la solution.
Conclusion et synthèse du professeur
Simulation obtenue à partir des valeurs numériques recueillies dans CRC Handbook of Chemistry and Physics 78th EDITION CRC Press.
|
|
ANNEXE informatique
Protocole
|
Dans SENSOR-CASSY les entrées sont séparées galvaniquement.
Donc les masses respectives de l’ampèremètre et du voltmètre sont indépendantes
On dispose d’une lampe dont les caractéristiques nominales données par le constructeur sont 4,5 V et 0,15 A.
|
Paramétrage du logiciel CASSY-Lab
-
Choix N° 1
|
Choisir sur l’entrée A une mesure de l’intensité du courant
|
F5 ; CASSY
Clic sur A
|
Choix N° 2
|
Paramétrer cette entrée
|
Intensité IA1
Gamme : -0,3A à 0,3A
Valeurs moyennes
zéro à gauche
|
Choix N° 1
|
Choisir sur l’entrée B une mesure de la tension
|
F5 ; CASSY
Clic sur l’adaptateur en B
|
Choix N° 2
|
Paramétrer cette entrée
|
Déplacement UB1
Gamme –3V à 3V
Valeurs moyennes
zéro à gauche
|
Choix N°3
|
Choisir le paramétrage de l'acquisition des données
|
F5 ; Bouton « Afficher les paramètres de mesure »;
Relevé manuel
|
Choix N°5
|
Définir la puissance reçue par formule
|
F5 ; Onglet « Paramètres et formules »
Nouvelle grandeur : puissance
Formule : IA1*UB1
Symbole P
Unité :W de 0 à 0,5 W
Décimale 2
|
Choix N°5
|
Définir la résistance de la lampe par formule
|
F5 ; Onglet « Paramètres et formules »
Nouvelle grandeur : résistance
Formule : UB1/IA1
Symbole R
Unité :Ohm de 0 à 20 Ohm
Décimale 2
|
Choix N°5
|
Définir la tension théorique
|
F5 ; Onglet « Paramètres et formules »
Nouvelle grandeur : Uthéorique
Formule : 0,1/ IA1
Symbole Uth
Unité :V de 0 à 3 V
Décimale 2
|
Choix N°6
|
Choisir un tableau de données
|
F5 ; onglet Représentation ;
Nouvelle représentation : caractéristique
axe des x : IA1
axe des y : UB1
|
Choix N°6
|
Choisir un tableau de données
|
F5 ; onglet Représentation ;
Nouvelle représentation : puissance
axe des x : P
axe des y : IA1
axe des y : UB1
|
Choix N°6
|
Choisir un tableau de données
|
F5 ; onglet Représentation ;
Nouvelle représentation : résistance
axe des x : n
axe des y : R
|
Choix N°6
|
Choisir un tableau de données
|
F5 ; onglet Représentation ;
Nouvelle grandeur : U théorique
axe des x : IA1
axe des y : UB1
axe des y : Uth
|
Mesures
Pour chaque couple U et I appuyer sur F9
Résultats
Utiliser un oscilloscope à mémoire. Faire l’analyse de Fourier d’un signal
Protocole
Brancher un GBF sur l’entrée A de SENSOR CASSY
Choisir un signal carré de fréquence 0,5 kHz et de Umax = 3V
Paramétrage du logiciel CASSY-Lab
-
Choix N° 1
|
Choisir sur l’entrée A une mesure de tension
|
F5 ; CASSY
Clic sur A
|
Choix N° 2
|
Paramétrer cette entrée
|
Tension UA1
Gamme : -3V +3V
Valeurs instantanées
zéro au milieu
|
Choix N°3
|
Choisir le paramétrage de l'acquisition des données
Remarque : l’analyse de Fourier sera effectuée sur un intervalle de Fréquence égale à 1/(2.t)
|
F5 ; Bouton « Afficher les paramètres de mesure »;
Relevé automatique
Intervalle de mesure : .t =20 s
Déclenchement sur UA1 ; 1V ; ascendant
Pour avoir une acquisition en continu cocher la case : mesures répétitives
|
Choix N°5
|
Définir le spectre de fréquence par formule
|
F5 ; Onglet « Paramètres et formules »
Nouvelle grandeur : analyse en fréquence
Fast Fourier transformation de UA1
Symbole A
Unité :V de 0 à 3V
Décimale 2
|
Choix N°6
|
Choisir un tableau de données
Par défaut deux représentations ont été choisies par le programme
|
F5 ; onglet Représentation ;
Standard
axe des x : t
axe des y : UA1
|
Choix N°6
|
Choisir un tableau de données
Par défaut deux représentations ont été choisies par le programme
|
F5 ; onglet Représentation ;
Spectre de fréquence
axe des x : f
axe des y : A
|
Résultats expérimentaux
|
Tension créneau de fréquence 500 Hz
|
|
Analyse de Fourier d’un signal créneau
Spectre de fréquence.
On constate que les harmoniques forment une série impaire
d’harmoniques dont le fondamental est 500 Hz.
|
Autres exemples d’utilisation de l’oscilloscope et de l’analyse en fréquence
Vous retrouvez le même genre de paramétrage dans les exemples pour SENSOR-CASSY donnés avec CASSY-Lab
-
F5 ; CASSY
Charger un exemple
Physique
Battements acoustiques
|
F5 ; CASSY
Charger un exemple
Physique
Analyse des sons
|
F5 ; CASSY
Charger un exemple
Physique
Circuits oscillants amortis
|
Utiliser un oscilloscope à mémoire. Mesurer la vitesse du son avec deux micros.
Protocole
Brancher deux microphones sur les entrées en tension de CASSY-Sensor
Un bruit court sera à produit à proximité du premier micro.
Paramétrage du logiciel CASSY-Lab
-
Choix N° 1
|
Choisir sur l’entrée A une mesure de tension
Choisir sur l’entrée B une mesure de tension
|
F5 ; CASSY
Clic sur entrée A
Clic sur l’entrée B
|
Choix N° 2
|
Paramétrer ces entrées UA1 et UB1
|
Tension UA1 Tension UB1
Gamme : -3V +3V Gamme : -3V +3V
Valeurs instantanées Valeurs instantanées
zéro au milieu zéro au milieu
|
Choix N°3
|
Choisir le paramétrage de l’acquisition des données
|
F5 ; Bouton « Afficher les paramètres de mesure »;
Relevé automatique
Intervalle de mesure : .t =20 s
Nombre de point : 1000
Déclenchement sur UA1 ; 2V ; ascendant
|
Choix N°6
|
Choisir un tableau de données et son graphe associé
Par défaut deux représentations ont été choisies par le programme
|
F5 ; onglet Représentation ;
Standard (tout est déjà prédéfini)
axe des x : t
axe y1 : UA1
axe y2 : UB1
|
Enregistrer les mesures
Faire le silence dans la salle.
Cliquer sur l'icône  du menu (ou F9) afin de saisir les valeurs de tension.
L’acquisition des données ne démarre que lorsque le bruit arrive sur le micro connecté à l’entrée A se termine automatiquement au bout de 10 ms.
Exploitation des résultats
Clic droit sur l’axe des abscisses afin de modifier l’échelle et l’adapter à la mesure
Clic droit sur le graphe et choisir dans toutes options proposées, afficher les coordonnées.
Placer le curseur au moment où le son arrive sur le deuxième micro.
Sans bouger le curseur taper ALT T au clavier et coller le résultat sur le graphe (OK)
Clic droit sur le graphe et choisir afficher une marque texte.
Taper la valeur de la distance entre les deux micros et coller ce texte sur la feuille (OK)
Mesurer la vitesse du son avec un micro sur les entrées numériques.
Protocole
|
Brancher l’adaptateur de mouvement sur l’entrée A de CASSY-Sensor
Brancher les deux tiges sur l’entrée E
Brancher un microphone sur l‘entrée F. Sélectionner le signal tout ou rien sur le micro.
Pour la compréhension du fonctionnement des entrées E et F revoir le TP Compter ses doigts p 10
Un bruit court sera produit en frappant les deux tiges l’une contre l’autre.
Ce contact entre les deux tiges fermera simultanément le circuit sur l’entrée E provoquant ainsi une variation de tension sur cette entrée, avec passage d’une valeur de 5 V à 0 V.
Ce flanc descendant déclenchera la mesure du temps qui sera arrêtée lorsque le micro recevra le son.
En effet il y aura aussi alors une variation de tension sur l’entrée F avec passage de 5V à 0V donc création d’un flanc descendant.
|
Paramétrage du logiciel CASSY-Lab
-
Choix N°1
|
Activer l’adaptateur de mouvement ou Time box
|
F5 ; onglet CASSY ; clic sur l’adaptateur de mouvement
|
Choix N°2
|
Paramétrer cet adaptateur en choisissant de mesurer la durée de propagation du signal des tiges vers le micro
|
Grandeur : temps de propagation tA1 (E vers F)
Gamme 0.1s
|
Choix N°3
|
Choisir le paramétrage de l'acquisition des données
|
F5 ; Bouton Afficher les paramètres de mesure ;
relevé automatique
|
Choix
N°4
|
Définir la distance qui sera saisie manuellement
|
F5 ; onglet formule
Nouvelle grandeur : distance
Propriétés : paramètre manuel
Symbole d ; unité m ; de 0 à 1m ; décimales 2
|
Choix N°5
|
Définir une formule qui calculera la vitesse
|
F5 ; onglet formule
Nouvelle grandeur : vitesse
Formule : d/&DtA1
Symbole V ; unité m/s ; de 300 à 400 ;
décimale 0
|
Choix N°6
|
Choisir le tableau de données et la représentation graphique
|
Vous pouvez conserver le choix de la représentation standard proposée par défaut
|
Choix N°6
|
Choisir une deuxième représentation
|
F5 ; onglet représentation
Nouvelle représentation : D = f(t)
Sur l’axe de x : tA1
Sur l’axe de y : d
|
Enregistrer les mesures
Faire le silence dans la salle.
Cliquer sur l'icône du menu (ou F9) afin de démarrer la saisie
Frapper les deux tiges l’une contre l’autre
L’acquisition des données démarre avec l’émission le bruit et s’arrête avec sa réception sur le micro.
Dans le tableau de mesure standard saisir la valeur de d
Modifier la distance tiges micro et refaire une acquisition.
Vous pouvez faire une moyenne des vitesses calculées dans le tableau de mesure standard ou sur la représentation d = f(t) calculer la vitesse moyenne en prenant la pente de la droite
|
