Mécanique
Mécanique : Les Lois de Newton
Étude expérimentale des trois lois fondamentales de la dynamique permettant de décrire et prévoir le mouvement des objets soumis à des forces.
Introduction
Les lois de Newton constituent le socle de la mécanique classique. L'ECE de mécanique vise à vérifier expérimentalement ces lois en étudiant le mouvement d'un objet (chariot, bille, parachutiste modélisé) à l'aide d'un dispositif d'acquisition vidéo ou d'un capteur de position. L'élève doit relier les forces appliquées à la variation du vecteur vitesse.
Contenu détaillé
1. Principe fondamental de la dynamique (2e loi)
- •Somme des forces = m × a (ΣF = m·a)
- •Le vecteur accélération a même direction et même sens que la résultante des forces
- •Unités : force en Newton (N), masse en kg, accélération en m·s⁻²
- •Application : chute libre (a = g ≈ 9,81 m·s⁻²), plan incliné, mouvement circulaire
2. Protocole expérimental type
- •Filmer le mouvement avec une webcam ou une caméra rapide (30-60 fps)
- •Pointer les positions successives avec un logiciel (Aviméca, Tracker, Latis-Pro)
- •Calculer les vitesses instantanées : v = Δx/Δt (méthode des tangentes ou points adjacents)
- •Calculer l'accélération : a = Δv/Δt et comparer à la valeur théorique
- •Tracer les graphiques x(t), v(t), a(t) et interpréter les phases du mouvement
3. Analyse des résultats et incertitudes
- •Vérifier que a_exp ≈ g·sin(α) pour un plan incliné sans frottements
- •Identifier les sources d'erreur : frottements, précision du pointage, calibration
- •Calculer l'écart relatif : |a_exp - a_théo| / a_théo × 100
- •Conclure sur la validité du PFD dans les conditions de l'expérience
Matériel expérimental
Banc à coussin d'air ou rail
Réduire les frottements pour se rapprocher du modèle théorique
Webcam + logiciel de pointage
Acquisition des positions en fonction du temps
Capteur de force
Mesurer la tension du fil ou la force appliquée
Masses marquées
Varier la masse du système pour étudier l'influence sur a
Vocabulaire
PFD : Principe Fondamental de la Dynamique : ΣF = m·a dans un référentiel galiléen
Référentiel galiléen : Référentiel dans lequel un objet isolé est en mouvement rectiligne uniforme
Accélération : Variation du vecteur vitesse par unité de temps (m·s⁻²)
Inertie : Tendance d'un corps à conserver son état de mouvement (1ère loi de Newton)
Sujets type Bac ECE
- 1Vérifier expérimentalement la deuxième loi de Newton sur un plan incliné
- 2Étudier la chute libre d'une bille et déterminer g expérimentalement
- 3Analyser le mouvement d'un chariot tracté par une masse suspendue
