ENSEIGNER
dimanche 24 septembre 2017
icar Vesion anglaise

THEME: Forces et mouvements 1S
  -  _ (Anciens programmes)  -  Physique

Activité 1: Comment réaliser un mouvement rectiligne uniforme et s'assurer qu'il est bien uniforme ?

 

Par groupe de 4, vous disposez d’une bille et d’une gouttière ainsi que de chronomètres.

1. Par essais successifs, faites rouler la bille dans la gouttière de façon à ce que son centre se déplace à vitesse constante. Effectuez les mesures qui vous apporteront la confirmation que la vitesse est constante et qui vous permettront de trouver sa valeur.
- Vous pouvez faire plusieurs expériences, notez tous les résultats de vos mesures (vitesse comprise) et choisissez ceux qui vous donnent le plus satisfaction. Indiquez ce qui vous a incité à faire ce choix.
- Décrivez, par des mots et en vous aidant d’un schéma, comment vous avez procédé.

Lire les § I1 et I2 du modèle du mouvement.
2. En vous aidant du modèle du mouvement, représenter :
- la trajectoire du centre de la bille ;
- la vitesse du centre de la bille en plusieurs points de cette trajectoire. Pour cela, choisir une échelle que vous indiquerez.

3. Représenter sur un graphe la distance parcourue par la bille (en ordonnée) en fonction du temps (en abscisse) qu’elle met pour la parcourir. Indiquez ce qui permettait de prévoir que le graphe aurait cette allure.
En déduire la valeur du coefficient directeur de la droite obtenue. Vérifier que l’on retrouve bien cette valeur à partir du graphe.

Exercice

On réalise des expériences utilisant le même matériel que ci-dessus, la gouttière étant inclinée. Pour deux inclinaisons différentes, on obtient les temps de passage par des points situés à 40 cm les uns des autres.

points OA1A2A3A4
Première inclinaisontemps (s)00.971.371.681.93
Seconde inclinaisontemps (s)00.680.971.181.37

Indiquer si la bille a parcouru la gouttière dans le sens de la montée ou de la descente. Préciser quelle est l’expérience pour laquelle l’inclinaison est la plus grande.


But: Comment réaliser un mouvement rectiligne uniforme et s'assurer qu'il est bien uniforme ?

  • Aider les élèves à conceptualiser la vitesse sous différents aspects par des va-et-vient entre l'expérience, les mesures et le modèle (v = delta x / delta t)

  • Passer d'une perception d'un mouvement d'une bille qui ralentit à la nécessité de remplacer la perception par des mesures de durée et de distance lorsque la perception devient insuffisante ;

  • Analyser les mesures de durée et de distance en terme de vitesse qui augmente ou diminue. En particulier interpréter que la vitesse augmente quand, pour parcourir des intervalles de même longueur, la durée diminue. (Ceci n'est pas évident pour une partie des élèves, et pourtant indispensable à acquérir).

  • Exploiter chaque série de mesures en adaptant le dispositif expérimental (épaisseur de la cale).

Comportement des élèves: Comment réaliser un mouvement rectiligne uniforme et s'assurer qu'il est bien uniforme ?

Dès qu’ils ont compris le but à atteindre et la manière d’y parvenir, les élèves manifestent alors une bonne motivation.
Si on leur laisse toute initiative, s’attendre aux deux méthodes suivantes :

1. Diviser le profilé en intervalles égaux (d’abord deux puis trois ou quatre) et mesurer le temps que la bille met pour parcourir chacun d’eux, chaque élève ayant la charge d’un intervalle.

2. Définir un point origine et des points de contrôle situés à égale distance les uns des autres (d’abord deux puis trois ou quatre) et mesurer le temps mis par la bille pour atteindre chaque point de contrôle, chaque élève ayant la charge de l’un de ces points.

Les quatre élèves déclenchent leur chronomètre lorsque la bille passe le point choisi comme origine puis chaque élève arrête son chronomètre lorsque la bille passe par le point dont il a la charge. Leur façon de chronométrer est souvent très peu précise au début (repères mal précisés, erreur de parallaxe, temps de réaction trop longs) puis devient plus performante lorsqu’ils cherchent à obtenir la série de mesures qui les satisfera.
Les élèves ne décrivent pas spontanément avec des phrases leur façon de procéder, le schéma leur semble suffisant. Ils ont tendance à oublier de représenter le vecteur vitesse en plusieurs points.
En ce qui concerne le graphe, les élèves interprètent facilement qu'il passe par l'origine, que c'est une droite. Pour le coefficient directeur, même s'ils ont oublié comment le calculer, ils relient facilement sa valeur à celle de la vitesse, en revanche ils utilisent le terme "proportionnel" sans préciser les grandeurs en jeu.

Certains élèves ont du mal à interpréter leur mesure en terme de vitesse qui augmente ou diminue, la construction du concept de vitesse n'est pas simple. Ceci nous a conduit à les obliger à travailler dans les différents registres que sont :
- le langage naturel ;
 - la série de mesures ;
 - la représentation graphique ;
 - la représentation vectorielle.

Il est nécessaire de laisser du temps.
Les situations habituellement proposées aux élèves recourent souvent aux capteurs de vitesse, aux mobiles sur coussin d’air ou autoporteurs ou aux enregistrements chronophotographiques. Elles présentent l’inconvénient de réduire artificiellement l’écart entre l’expérience et son interprétation. Le risque est que les élèves tracent des vecteurs et fassent des calculs sans pouvoir leur donner de véritable signification en relation avec les expériences.

Préparation: Comment réaliser un mouvement rectiligne uniforme et s'assurer qu'il est bien uniforme ?

Matériel

Par groupe de 4, les élèves disposent d’une bille d’acier et d’un profilé en “ U ” 2 m de long et de section 20x20 mm en aluminium) posé sur un support rigide que de chronomètres.

Les profilés en fer ou en acier sont souvent usinés de façon trop grossière et, de plus, sont souvent déformés à cause de leur procédé de fabrication (laminage). Leur rigidité impose de les visser sur une planche épaisse pour les redresser, la planche risquant de se déformer elle aussi.

 

Expérience et résultats expérimentaux

On constate très vite (sans mesures) que les frottements empêchent de laisser le profilé à l’horizontale. Il faut l’incliner en le surélevant d’environ 2 mm (2 feuilles de papier pliées 4 fois) pour une bille d’acier de 2,1 cm de diamètre. Les frottements avec des billes de plus gros diamètre (3 cm)sont plus faibles.

Nous avons divisé le profilé en 4 intervalles de 45 cm et déclenché les quatre chronomètres au passage par l’origine. Si on place l’épaisseur de papier directement sous une extrémité du profilé, on note que le dernier intervalle est parcouru plus lentement que les autres : le profilé n’est pas assez rigide et le dernier intervalle est presque horizontal. Si on place une seconde cale pour éviter cette déformation, les résultats restent peu satisfaisants car il est impossible de savoir si le profilé est bien redressé.

Les mesures d'abscisses en cm que nous avons obtenues en plaçant le profilé sur un banc d’optique retourné et en plaçant l’épaisseur de papier sous le banc sont les suivantes :

 

Manip n°          45        90        135      180

1                      2.71     5.34     8.15     11.0

2                      2.41     4.75     6.90     9.34

3                      2.60     5.41     8.15     10.8

4                      2.75     5.41     8.06     10.8

5                      7.47     11.6     15.6     19.6

 

Si on se contente d’abandonner la bille sans vitesse initiale, on constate facilement que la vitesse augmente progressivement pour une bonne partie du premier intervalle (manipulation 5 peu satisfaisante).

 

Voici les valeurs que l’on trouve pour la vitesse moyenne calculée en cm/s pour chaque intervalle (MiMi+1/(ti+1-ti)

Manip n°          1          2          3          4

1                      16.6     17.1     16.0     15.8

2                     18.7     19.2     20.9     18.4

3                      17.3     16.0     16.4     17.0

4                      16.4     16.9     17.0     16.4

Avec Reglin d’une TI82, la manipulation n° 10 donne x = 0,167 t - 3,6.10-3 avec x en m et t en s (r = 0, 999977)

 

Déroulement de la séance

Si on ne veut pas consacrer un temps excessif à cette activité il est souhaitable de la préparer en classe entière avant le TP. Avec un montage sur la paillasse du professeur, il est facile de montrer aux élèves que la bille s’arrête ou ralentit notablement si le profilé est horizontal ou si on se contente de placer une cale entre une extrémité et la paillasse. On peut alors convaincre la classe de la nécessité de faire des mesures dès que l’impression visuelle ne suffit plus. Il faut alors mettre au point en commun une bonne façon de procéder et une bonne méthode d’analyse des résultats expérimentaux qui permettent de tendre vers le résultat attendu. Une fois que les élèves ont bien compris le sens de la manipulation, il leur faut plus d’une heure pour mener à bien l’ensemble de l’activité.

 

Exigences concernant le compte-rendu

Leur compte-rendu peut consister :

- en une représentation du dispositif sur laquelle figurent le point origine et les points de contrôle avec les temps de passage de la bille (cette représentation est souvent oubliée);

- une description de la méthode de mesure (cette description est souvent passée sous silence ou alors de façon trop succincte) ;

- une explicitation des raisons pour lesquelles ils ont choisi une série de mesures plutôt qu’une autre (souvent, les élèves ne fournissent pas l’ensemble de leurs mesures et n’expliquent pas comment ils ont choisi celles qui leur paraissaient le mieux convenir).

La représentation du vecteur vitesse pose des problèmes, le texte du modèle n’étant pas toujours bien compris.

Il est nécessaire de préciser clairement les points que l’on souhaite voir figurer dans le compte-rendu.