TP Physique N° 14

Le pendule

élastique.

Étude

énergétique

 

   

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Programme 2012 :

Programme 2012 : Physique et Chimie

I- Objectifs

Déterminer, à partir des mesures, les équations horaires du mouvement, et montrer que le mouvement du centre d'inertie du mobile autoporteur est rectiligne et sinusoïdal.

Faire une étude énergétique et montrer que l'énergie mécanique du système se conserve.

II- Expérience assistée par ordinateur.

1)- Données :

- Masse du mobile : m = 536 g

- Raideur du ressort : k = 10 N.m-1

- Intervalle de temps : τ =

2)- Réalisation de l'enregistrement.

- Décrire brièvement l'expérience et faire un schéma du dispositif expérimental (vue de dessus et vue de profil).

III- Étude à l'ordinateur.

1)- Protocole opératoire.

- Mettre l'ordinateur sous tension. Clic gauche Cliquer sur l'icône diginum 4.

- Faire un enregistrement à l'ordinateur central.

- Enregistrer le fichier de mesures dans le dossier TSV_ (donner un nom du type OSC...).

- Charger les mesures sur votre ordinateur (fichier - ouvrir - réseau - …)

2)- Étude de y = f (x).

- Représenter à l'écran les variations de y en fonction de x.

- Cette courbe est-elle exploitable ? Peut-on en déduire une caractéristique du mouvement de G ?

3)- Étude de y = f (t) .

- Clic gauche Cliquer sur l'icône Échelle / Graphe

- mettre t en abscisse, y en ordonnée 1.

- Que peut-on dire du mouvement de G ?

- Mesurer la période T.

- Mesurer l'amplitude ym  des oscillations. Quelle remarque peut-on faire ?

- Recherche de la relation : y = f (t) ;

- On choisit comme solution :

- On connaît les valeurs de ym  et de T, il reste à calculer la valeur de φ.

- Pour φ, on peut faire une recherche par tâtonnement (faire une itération) à l'aide de l'ordinateur puis une recherche théorique (φ est lié aux conditions initiales).

- Détermination de φ.

Méthode 1 : à l'aide du réticule ou du tableau de valeurs on détermine l'ordonnée y0 à l'instant initial et l'amplitude du mouvement ym.

Exemple :

On utilise l'ordonnée à l'origine

On utilise la vitesse à l'origine

Or  v0y > 0  car le mobile se déplace de y' vers y.

En conséquence :

 Méthode 2 : à l'aide du réticule , on détermine la date t qui correspond au passage du mobile à l'élongation maximale pour la première fois.

Exemple :

- Vérifier que les points expérimentaux sont sur la courbe à l'aide de l'ordinateur.

- Dans le menu Traitements,

- choisir Tracé de fonctions et donner à chaque paramètre la valeur expérimentale.

- Taper l'expression en donnant à chaque paramètre la valeur expérimentale et remplacer t par X.

- Puis cliquer sur Voir.

- Exemple :

4)- Étude de la vitesse vy = g (t).

- Représenter à l'écran les variations de vy en fonction du temps t.

- Cliquer sur l'icône Échelle / Graphe

- mettre t en abscisse, vy en ordonnée 1

- Mesurer la période T . En déduire la pulsation ω. Mesurer l'amplitude vm des oscillations

- Montrer dans un premier temps que .

- puis que .

- Représenter y (t) et vy (t) simultanément à l'écran. Quelles remarques peut-on faire ?

 

5)- Étude de l'accélération ay = h (y).

- Représenter à l'écran a y  en fonction de y.

- Cliquer sur l'icône Échelle / Graphe,

- mettre ay  en abscisse, y en ordonnée 1

- Quelles sont les caractéristiques de la courbe obtenue ?

- Faire un ajustement linéaire en cliquant sur l'icône .

- En déduire l'équation de la courbe obtenue. Comparer la valeur du coefficient directeur p à ω 2 .

- En déduire que ay = y'' (t) . Donner l'expression de ay  en fonction du temps.

 

II- Étude énergétique.

1)- Énergie potentielle élastique.

- L'énergie potentielle élastique d'un ressort de raideur k est donnée par la relation :

2)- Énergie cinétique.

- L'énergie cinétique est donnée par la relation :

3)- Énergie mécanique.

- L'énergie mécanique du système est donnée par la relation : Et = EC + EP

On ne tient pas compte de l'énergie potentielle de pesanteur car le mobile se déplace sur une surface plane et horizontale. 

En conséquence, l'énergie potentielle de pesanteur ne varie pas au cours du mouvement du mobile. 

On choisit comme origine des altitudes la position initiale du mobile.

4)- Travail à faire.

- Faire tracer à l'ordinateur, pour une demi-période, les courbes EC, EP et Et en fonction du temps t .

- Cliquer sur l'icône Échelle / Graphe,

- mettre t en abscisse, EC en ordonnée 1, EP en ordonnée 2, Et en ordonnée 3

- Observations. Conclusions.

III- Application.

1)- Étude d'un point.

- Déterminer, l'ordonnée yi, la date ti, la vitesse vi et l'accélération ai du point d'indice i.

- Donner les caractéristiques du vecteur vitesse et du vecteur accélération.

2)- Étude dynamique.

- Étudier le système à l'équilibre (bilan des forces) sachant que les deux ressorts, de raideurs respectives k1 et k2 sont tendus. 

- En déduire la condition nécessaire à l'équilibre. Il est recommandé de faire un schéma.

- Étudier le système en mouvement. Représenter le système à l'instant t quelconque. 

- Déterminer l'équation différentielle du mouvement à l'aide du théorème du centre d'inertie (2° Loi de Newton).

Animation :