Physique 11-12 Labo La vitesse d`une voiture jouet Contexte :

Physique 11-12 Labo
La vitesse d’une voiture jouet
Contexte :
Un graphique position-temps peut montrer la vitesse d’un objet. Si on représente
graphiquement la position d’un objet enregistrée à des intervalles de temps réguliers,
on peut étudier le mouvement de cet objet en examinant la forme du graphique et en
la comparant à celle des graphiques obtenus pour d’autres objets semblables.
Pour ce labo, tu utiliseras plusieurs voitures jouets et tu devras évaluer la vitesse moyenne
de chacune. Des voitures jouets achetées au « magasin à un dollar » feront très bien l’affaire,
mais tu peux aussi apporter des voitures jouets équipées d’un moteur électrique si tu en as
à la maison.
Plus il y a de véhicules différents, plus l’interprétation des graphiques est intéressante
et stimulante. En effet, ces jouets ont souvent des comportements étranges qui rendent
ce labo un peu plus exigeant.
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Problème :
Quelle est l’allure du mouvement d’une petite voiture sur un graphique position-temps ?
Les mouvements de véhicules différents sont-ils semblables ?
Variables :
Les variables de cette expérience sont la position, le temps et le type
de véhicule. Détermine les variables manipulées, les variables répondantes et
les variables contrôlées.
Matériel :
• un capteur de déplacement
• un câble USB
• différentes voitures jouets
• un ordinateur muni du logiciel DataStudio
Marche à suivre :
Étape no 1 :
Relie le capteur de déplacement à l’ordinateur à l’aide du câble USB ou de toute autre
interface que tu utilises.
Étape no 2 :
Configure ton logiciel d’acquisition de données pour générer un graphique position-temps.
Étape no 3 :
Place une voiture jouet devant le capteur de déplacement. Démarre l’acquisition de données,
puis mets le véhicule en mouvement. Recueille des données jusqu’à ce que le véhicule
s’arrête ou soit hors de portée du capteur. Si tu n’as pas recueilli assez de données, ajuste
l’orientation du capteur et recommence l’essai.
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Étape no 4 :
Répète l’étape no 3 avec différentes voitures. Pour cela, échange tes véhicules contre ceux
d’autres élèves.
Étape no 5 :
Lorsque tu auras recueilli des données pour plusieurs voitures différentes, règle les échelles
du graphique pour l’adapter aux données, puis imprime-le. Voici un exemple de graphique
position-temps pour trois voitures jouets :
Analyse et interprétation :
1. Indique sur le graphique à quel type de véhicule chaque courbe correspond.
2. Sur chaque courbe, ajoute des symboles afin d’indiquer les portions où il n’y a pas
de mouvement, où la vitesse est constante, où l’accélération est positive et
où elle est négative.
3. Justifie tes choix au point 2. En quoi la forme de ces courbes indique-t-elle la nature
du mouvement ?
4. Comment les mouvements des voitures se comparent-ils ? Quelle voiture jouet
avait la plus grande vitesse constante ? Laquelle avait la plus grande accélération ?
Conclusion :
5. Quelle est l’allure du mouvement d’une voiture jouet sur un graphique positiontemps ? Les mouvements de véhicules différents sont-ils semblables ?
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Physique 11-12 Labo
Régler son mouvement sur un graphique
Contexte :
Il est plus facile de décrire le mouvement d’un objet si l’on peut enregistrer précisément sa
position à intervalles de temps réguliers. C’est la fonction d’un capteur de déplacement.
Le capteur de déplacement transmet les positions mesurées à un ordinateur. L’ordinateur
trace alors un graphique position-temps, qui indique la position de l’objet à des instants
régulièrement espacés. La forme du graphique obtenu nous renseigne sur la nature du
mouvement de l’objet.
Alors, comment peut-on interpréter la forme d’un graphique position-temps ? Il peut être
utile d’essayer de régler un mouvement sur un graphique préexistant. Dans cette activité,
tu seras l’objet et tu tenteras de régler ton mouvement sur un graphique position-temps
préexistant.
Problème :
Quelle est la relation entre le mouvement d’un objet – toi – et un graphique position-temps
de ce mouvement ?
Variables :
Les variables de cette expérience sont la position et le temps. Détermine les variables
manipulées, les variables répondantes et les variables contrôlées.
Matériel :
• un capteur de déplacement
• un câble USB
• un support muni d’une tige
• un ordinateur muni du logiciel DataStudio
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Marche à suivre :
Étape no 1 :
Raccorde le capteur de déplacement au câble USB (qui est relié à l’ordinateur).
Ouvre le fichier DataStudio « P01 Temps et position.DS » qui se trouve dans le dossier
Bibliothèque d’expériences de DataStudio. Si la bibliothèque d’expériences n’est pas
installée, tu peux la télécharger.
Étape no 2 :
Ouvre le fichier DataStudio. Un graphique position-temps semblable à celui-ci s’affichera :
La courbe rouge sur le graphique représente les données qui ont déjà été entrées. Note bien
la valeur minimale de la position sur le graphique. Dans l’exemple ci-dessus, cette valeur
est de 0,40 m. Elle indique la distance minimale à laquelle tu dois te tenir du capteur de
déplacement lorsqu’il commence à mesurer ta position.
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Étape no 3 :
Installe le détecteur de mouvement sur la tige du support. Il doit être dirigé vers ton thorax
lorsque tu te tiens devant le détecteur. L’espace derrière toi doit être libre pour que tu
puisses t’éloigner d’au moins 2 mètres du capteur.
Étape no 4 :
Lorsque tu es prête ou prêt, place-toi devant le capteur de déplacement. Demande à une
ou un camarade de cliquer sur le bouton « Démarrer ». L’enregistrement des données
commence après un compte à rebours de trois secondes. Le « curseur » sur l’axe vertical
du graphique se déplace vers le bas ou vers le haut selon que tu te rapproches ou que
tu t’éloignes du capteur. Sers-toi de la rétroaction du « curseur » pour déterminer
la meilleure position de départ.
Observe le tracé de ton mouvement sur le graphique et essaie de te déplacer pour le faire
coïncider avec le tracé position-temps déjà présent.
Étape no 5 :
Fais une deuxième puis une troisième collecte de données. Essaie autant que possible de
faire coïncider le tracé de ton mouvement avec le tracé déjà présent sur le graphique.
Analyse et interprétation :
1. Étudie la forme du tracé qui représente ton mouvement. Comment décris-tu ce
mouvement ? (Par exemple : « Vitesse constante pendant 2 secondes, puis 3 secondes
d’immobilité, etc. »)
2. Clique sur le bouton « Régression » au-dessus du graphique pour réaliser une
régression linéaire de la section médiane de ton meilleur tracé position-temps. Tu
peux redimensionner le graphique pour l’adapter aux données. La pente de cette
section médiane correspond à la vitesse du mouvement pendant cet intervalle de
temps. Quelle est la pente de la droite de régression pour la section médiane de ton
tracé ?
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Conclusion :
3. Que signifierait une pente plus élevée ?
4. Quelle est la relation entre le mouvement d’un objet – toi – et un graphique positiontemps de ce mouvement ?
Approfondissement :
Refais l’expérience. Toutefois, au lieu de régler ton mouvement sur des données
préexistantes, essaie de le régler sur le graphique du mouvement d’une ou d’un autre élève.
Échange ton tracé contre le sien et essaie de régler ton mouvement sur le sien. Réponds
ensuite à la question no 1 sous « Analyse et interprétation » à partir de ces tracés.
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Physique 11-12 Labo
La mesure de l’accélération gravitationnelle
Contexte :
Tous les objets sur la Terre sont soumis à un champ gravitationnel. Ce champ accélère le
mouvement d’objets en chute libre. Il est parfois difficile de mesurer l’accélération d’un objet
en chute libre.
Dans ce labo, tu mesureras l’accélération gravitationnelle au moyen d’une mince lame de
plastique transparent avec des barres opaques régulièrement espacées. Cette lame offre
très peu de résistance à l’air. Lorsqu’on la laisse tomber à travers une porte photoélectrique,
le senseur détecte les barres opaques au passage, ce qui permet de calculer l’accélération
gravitationnelle.
Problème :
Quelle est la grandeur de l’accélération gravitationnelle ?
Variables :
Les variables de cette expérience sont l’accélération gravitationnelle, la vitesse vectorielle
et le temps. Détermine les variables manipulées, les variables répondantes et les variables
contrôlées.
Matériel :
• une porte photoélectrique
• une interface de connexion pour porte photoélectrique
• un câble USB
• une lame de plastique transparente qui porte des barres opaques
• un support de laboratoire
• un ordinateur muni du logiciel DataStudio
Marche à suivre :
Étape no 1 :
Fixe la porte photoélectrique au support de laboratoire. Relie l’interface de connexion à
ton ordinateur à l’aide du câble USB (ou l’équivalent). Branche ensuite la porte
photoélectrique dans l’entrée 1 de l’interface.
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Porte
photoélectrique
et support
Étape no 2 :
Le logiciel DataStudio te demandera la distance entre le milieu de deux barres opaques
successives. Si tu utilises le grand modèle (picket fence) de Pasco (ME-9377A), les barres
sont placées tous les 0,03 m. Cependant, tu peux fabriquer ta propre lame avec du plastique
transparent et du ruban adhésif noir. Quel que soit l’espacement des barres sur ta lame,
assure-toi d’entrer la bonne valeur dans DataStudio.
Grand modèle
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Étape no 3 :
Configure le logiciel DataStudio pour générer un graphique vitesse vectorielle-temps ainsi
qu’un tableau de l’accélération.
Étape no 4 :
Tiens la lame de plastique à la verticale au-dessus de la porte photoélectrique.
Clique sur « Démarrer » dans DataStudio, puis laisse tomber la lame à travers
la porte photoélectrique. Clique sur « Arrêter ».
Étape no 5 :
Réalise les étapes de la section « Analyse et interprétation » ci-dessous, puis recommence
l’ensemble du processus à partir de l’étape no 4. Effectue au moins quatre essais qui te
fournissent des mesures précises.
Analyse et interprétation :
1. Effectue une régression linéaire sur le graphique vitesse vectorielle-temps. La pente
de la droite obtenue correspond à la valeur de l’accélération de la lame. Note cette
valeur.
2. Affiche le tableau de l’accélération et clique sur le bouton « Statistiques ».
La moyenne des valeurs apparaîtra en bas du tableau. Note cette valeur
de l’accélération de la lame.
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Conclusion :
3. La pente de ton graphique vitesse vectorielle-temps et la valeur couramment admise
de l’accélération gravitationnelle sur la Terre (9,81 m/s2) sont-elles semblables ?
Calcule l’écart en pourcentage entre ta valeur expérimentale et la valeur
couramment admise.
4. La moyenne des valeurs du tableau de l’accélération et la valeur couramment admise
de l’accélération gravitationnelle sur la Terre (9,81 m/s2) sont-elles semblables ?
Calcule l’écart en pourcentage entre ta valeur expérimentale et la valeur
couramment admise.
5. Certains des écarts en pourcentage sont-ils importants ? Explique tout écart entre les
valeurs mesurées et la valeur couramment admise de l’accélération gravitationnelle.
Application et extrapolation :
6. La NASA a souvent réalisé des expériences simples de physique à bord de la navette
spatiale. Imagine qu’on réalise l’expérience précédente à bord de la navette spatiale.
Les résultats seraient-ils semblables à ceux obtenus sur la Terre ? Explique
ta réponse.
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