Terminale générale Physique-chimie Description d'un mouvement

L'épreuve pratique

ECE • Actions appliquées à un système et mouvement

pchT_2000_00_38C

Épreuve pratique d'évaluation des compétences expérimentales

Conservation de E_m ?

1 heure

20 points

Le candidat doit agir en autonomie et faire preuve d'initiative tout au long de l'épreuve. En cas de difficulté, le candidat peut solliciter l'examinateur afin de lui permettre de continuer la tâche. L'examinateur peut intervenir à tout moment sur le montage, s'il le juge utile.

Documents mis à disposition du candidat

Rappel : L'énergie mécanique d'un système est la somme de son énergie cinétique et de son énergie potentielle.

Document 1

Document 2

Le mouvement étudié est le lancer d'une balle de masse 56 g.

La règle jaune au centre de l'image mesure 1,0 m.

g = 9,81 N ^. kg^–1.

Matériel mis à disposition du candidat

Un ordinateur muni du logiciel de lecture de fichier vidéo et de pointage CAPSTONE ainsi qu'une fiche d'utilisation très simplifiée de ce logiciel.

Le fichier vidéo, montrant le mouvement à étudier, « lancer_de_balle.avi » sur le bureau de l'ordinateur.

Travail à effectuer

▶ 1. Analyse du problème et formulation d'un protocole expérimental

Durée conseillée : 20 minutes maximum

1. Analyse du problème

À partir des documents 1 et 2 et de la liste de matériel, vous devez analyser le mouvement filmé du lancer d'une balle de masse 56 g. Votre analyse doit vous permettre de conclure sur la conservation ou non de l'énergie mécanique lors du mouvement de ce système.

2. Formulation d'un protocole expérimental

Présenter, en quelques lignes, la démarche précise que vous envisagez de suivre. Vous proposerez une méthode pour exploiter l'enregistrement vidéo de façon à vous permettre de conclure sur la conservation ou non de l'énergie mécanique lors du mouvement.

La méthode doit expliciter en quelques mots la façon dont on va utiliser le logiciel, ainsi que les éventuels calculs à effectuer.

Attention ! Appeler le professeur pour lui présenter le protocole expérimental ou en cas de difficulté.

▶ 2. Réalisation du protocole expérimental proposé

Durée conseillée : 25 minutes

Mettre en œuvre le protocole proposé.

Attention ! Appeler le professeur pour lui présenter les résultats expérimentaux ou en cas de difficulté.

▶ 3. Validation les résultats obtenus

Durée conseillée : 15 minutes

Commenter les résultats expérimentaux et conclure.

Vous prendrez garde à vérifier la cohérence des résultats avec vos connaissances théoriques et à ne pas oublier d'évaluer l'incertitude de votre résultat en envisageant, par exemple, le calcul de l'incertitude-type (l'écart-type) par rapport à la moyenne.

Aide possible

Incertitude-type d'une valeur mesurée n :

$σ_{n - 1} = \sqrt{\sum \frac{m_{mesurés} - \bar{m}}{n - 1}}$ où $\bar{m}$ est la valeur moyenne des mesures.

Pour un intervalle de confiance de 95 %, l'incertitude-type élargie pour le nombre de mesures effectuées sur l'ensemble de la vidéo (20 images exploitables) est : $U (M) = 2 \times \frac{σ_{n - 1}}{\sqrt{n}}$

Penser à fermer les logiciels et la session de l'ordinateur.

Les clés du sujet

Le lien avec le programme

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Les conseils du correcteur

Un protocole comporte toujours des termes techniques de manipulation. Ici, on attend forcément les termes « étalonnage/pointage/image par image/grandeurs créées ».

Chaque partie du TP est évaluée en temps. Cette donnée est directement reliée au barème de notation. Ici, les trois parties sont très similaires (20 minutes pour le protocole, 25 minutes pour la réalisation et 15 minutes pour la validation).

Ne partez jamais de votre « TP bac » sans avoir rempli, ne serait-ce qu'un peu, la dernière partie « validation » qui doit conclure votre manipulation.

En cas de non-réussite des manipulations : prenez les cinq dernières minutes pour écrire, par exemple, ce que vous vous attendiez à obtenir et quelle aurait été alors votre conclusion.

▶ 1. Analyse du problème et formulation d'un protocole expérimental

gagnez des points

N'oubliez pas l'objectif ! C'est à vous de trouver le protocole : il faut donc toujours le conclure par l'objectif à atteindre dans le TP.

Nous allons ouvrir la vidéo « lancer_de_balle » à l'aide du logiciel CAPSTONE.

Après avoir étalonné la vidéo (à l'aide du document 1), nous effectuerons un pointage, image par image, de l'ensemble des positions occupées par le centre de gravité de la balle.

Nous utiliserons la loupe du logiciel pour davantage de précision.

Le logiciel nous permettra alors de créer les grandeurs x(t) et y(t), mais aussi les vitesses v_x(t), v_y(t) et les accélérations a_x(t) et a_y(t).

Nous pourrons alors créer les grandeurs énergétiques E_c, E_p et E_m en rentrant les formules suivantes dans le logiciel :

E_c(t) = $\frac{1}{2}$ mv² où m = 0,056 kg et $v = \sqrt{{(v_{x} (t))}^{2} + {(v_{y} (t))}^{2}}$ ;

E_p(t) = mg × y(t)

et E_m(t) = E_c(t) + E_p(t).

Nous créerons alors un graphique permettant de visualiser l'évolution des trois énergies au cours du mouvement pour étudier la conservation éventuelle de l'énergie mécanique.

attention

N'oubliez pas d'appeler le correcteur !

▶ 2. Réalisation du protocole expérimental proposé

Durée conseillée : 25 minutes

Réalisez le pointage des différentes positions de la balle, image par image.

Ici les axes n'ont pas à être mis à un endroit particulier (aucune consigne sur le sujet).

Créez les grandeurs E_c, E_p et E_m à partir des positions et des vitesses calculées par le logiciel.

Créez le graphique.

Remarque : Il n'est pas obligatoire de présenter des graphiques, on peut se contenter d'un tableau. Le graphique de l'évolution aide tout de même à visualiser.

▶ 3. Validation des résultats obtenus

Durée conseillée : 20 minutes

gagnez des points

Le logiciel de traitement vidéo de votre lycée est très certainement disponible en téléchargement sur Internet (peut-être en version limitée). Pensez à le télécharger pour vous entraîner.

En superposant les évolutions de l'énergie potentielle, cinétique et mécanique, on peut constater que la variation de l'énergie mécanique est très faible au cours du mouvement, alors que l'énergie cinétique et l'énergie potentielle varient fortement :

1,03 J E_m

0,15 J E_cE_p

« Visuellement », E_m semble donc conservée.

La valeur moyenne de $\bar{E_{m}}$ = 1,04 J, estimée d'après le logiciel.

On peut ensuite évaluer l'incertitude sur cette valeur moyenne à l'aide du logiciel : U(E_m) = $σ_{n - 1} = \sqrt{\sum \frac{m_{mesurés} - \bar{m}}{n - 1}}$ = 5 × 10^–3J.

On peut alors calculer : $\frac{U (E_{m})}{{\bar{E}}_{m}}$ = 0,5 %.

Cette valeur est bien inférieure à 10 % donc nous pouvons conclure que l'énergie mécanique de la balle au cours du mouvement est effectivement conservée en tenant compte de l'incertitude des mesures.

Ce résultat indique que les forces de frottement sont négligeables dans ce mouvement puisque la présence de forces de frottement entraîne toujours une perte d'énergie mécanique.

Si vous utilisez les logiciels Regressi et Regavi

Pensez à maximiser la taille de la vidéo affichée et à utiliser la loupe.

N'oubliez pas l'étalonnage : bouton pchT_1400_00_00C_08 .