Activité expérimentale - La conversion de l'énergie
Le tutoriel ci-dessous vous montre comment étudier la variation des énergies cinétique et potentielle de pesanteur lors d'une chute libre verticale de trois objets différents dans les mêmes conditions initiales.
Protocole
1. Pointage vidéo
1.1 Sélection de la vidéo
Enregistrer la vidéo "chute_bille.avi" dans "Mes Documents" (faire un clic-droit et "enregistrer sous" sur le lien correspodant ci-dessous) :
Lancer le logiciel Aviméca (Menu Démarrer/Tous les programmes/physique/)
(lien de téléchargement Aviméca 3.0)
A partir du logiciel, ouvrir la vidéo "chute_bille.avi". En cas d'échec de lecture de la vidéo, installer les codecs suivants: codecs
1.2 Etalonnage de la vidéo
Il s'agit de choisir un repère avec une orientation et une origine ainsi qu'une échelle de l'image.
Ce réglagle se fait en 10 étapes numérotées ci-dessous ainsi que sur la copie d'écran.
D'ABORD, cliquer sur "Adapter la vidéo" (deuxième icône en haut à gauche) puis cocher "Adapter". Ensuite :
- Choisir l'onglet "Etalonnage"
- Cliquer sur le bouton radio "Origine et sens des axes"
- Cliquer sur le premier bouton d'orientation des axes
- Sur la vidéo, cliquer à l'endroit où vous voulez mettre votre origine du repère ; au niveau du sol sous la main qui va lâcher la balle. Cliquer plusieurs fois ci nécessaire.
- Cliquer sur le bouton radio "Echelle"
- Cliquer sur la case à cocher "1er point"
- Sur la vidéo, cliquer sur une des extrémités de la règle
- Cliquer sur la case à cocher "2ème point"
- Sur la vidéo, cliquer sur l'autre extrémité de la règle
- Dans le champ de saisie "d =" indiquer la longueur de la règle : 2m.
1.3 Sélection de la première image
- Sélectionner l'onglet "Mesure"
- Avancer d'image en image jusqu'à l'image où la balle n'est plus tenue dans la main
- Recaler l'origine du temps sur cette image
1.4 Pointage
De la qualité du pointage dépendra la précision des résultats.
1.5 Export du pointage
Exporter les données du pointage : Menu Fichiers -> Mesures -> Copier dans le presse papier -> Le tableau -> OK
2. Traitement des données avec le tableur Calc de LibreOffice
2.1 Transfert des données
Lancer le logiciel Calc de LibreOffice (Menu Démarrer/Tous les programmes/).
(lien de téléchargement OpenOffice, ou toute version de Microsoft Excel)
Clic droit sur une case puis "coller" pour importer les données exportées depuis Aviméca.
Supprimer la colonne "x".
2.2 Calcul de la vitesse
Créer une colonne pour la vitesse nommée "v" avec l'unité "m.s-1".
Entrer la formule de la vitesse (après avoir demandé les explications au professeur):
Puis tirer la formule jusqu'à l'avant dernière position y (on ne peut pas calculer de vitesse pour la dernière position)
La vitesse obtenue est négative, ce qui est normal car l'axe vertical du repère est orienté vers le haut alors que la vitesse est orientée vers le bas.
Une fois les calculs effectués, sélectionner le tableau comme indiqué ci-dessous et copier-le (clic droit sur la sélection puis "copier"):
3. Traitement des données dans Regressi
3.1 Transfert des données dans Regressi
Lancer le logiciel Regressi (Menu Démarrer/Tous les programmes/physique/)
(lien de téléchargement Regressi 3.64 - auteur : Jean-Michel Millet - site)
Fichier -> Nouveau -> Presse-papier
Vérifier que l'onglet "Variables" ressemble bien à ça :
3.3 Saisie de la masse de la bille
- Afficher l'onglet "Paramètres"
- Ajouter une grandeur
- Choisir le type "Paramètre expérimental"
- Définir le nom
- Définir l'unité
- Indiquer un commentaire
- Valider
- Saisir la valeur de la masse de la bille (Se reporter en haut de cette page pour avoir la masse des différents objets.)
3.4 Calcul de l'énergie cinétique Ec
- Ajouter une grandeur
- Choisir le type "Grandeur Calculée"
- La nommer
- Définir l'unité
- Commenter la grandeur
- Donner la formule (m est la masse définie précédement, v*v pour v2)
- Valider
3.5 Calcul de l'énergie potentielle de pesanteur
Sur le même principe que l'énergie cinétique, créer la grandeur énergie potentielle.
- Symbole : Ep
- Unité : J pour joules
- Commentaire : Energie potentielle
- Expression : m*9.81*y (la hauteur h est en fait la coordonnée y)
3.6 Calcul de l'énergie
Sur le même principe que l'énergie cinétique, créer la grandeur énergie mécanique.
- Symbole : E
- Unité : J
- Commentaire : Energie mécanique
- Expression : Ec+Ep
3.7 Représentation graphique des énergies
On veut montrer sur le même graphique Ec, Ep et E.
Dans la fenêtre du graphique :
- Cliquer sur le bouton "Axes"
- Vérifier que l'abscisse est le temps "t"
- Choisir l'ordonnée Ec
- Ajouter une courbe
- Choisir l'ordonnée Ep
- Ajouter une courbe et choisir l'ordonnée E
- Avant de valider, vérifier que seules les énergies seront affichées (supprimer les courbes qu'on ne souhaite pas afficher sur le graphique).
On devrait obtenir ceci :
4 Questions
- Les énergies sont-elles constantes ou non lors de la chute ?
- Quelles sont les évolutions de chaque énergie?
- Dans le tableau, comparer la valeur de l'énergie potentielle de pesanteur à t=0s avec celle de l'énergie cinétique en fin de chute.
- En déduire ce que devient l'énergie potentielle de pesanteur au cours de la chute. Quelle énergie se conserve?
- Afficher la vitesse de la bille en fonction du temps. Quelle est la nature du mouvement?
- Refaire cette étude avec la vidéo "chute_balle_pingpong.avi" (pointage, calcul vitesse et transfert vers Regressi qui se chargera de recalculer les énergies).
- L'énergie mécanique est-elle constante ? Y a-t-il dissipation d'énergie ?
- Comment interpréter la trajectoire déviée de la balle de ping pong ?
La bille et la balle sont soumises aux mêmes forces :
- leur poids et la poussée d'Archimède exercée par l'air (la sommes de ces deux forces est verticale vers le bas et proportionnelle à leur masse)
- les frottements de l'air qui s'opposent au mouvement.
- Comparer les masses de la bille et de la balle. Dans quel cas peut-on négliger les frottements ?
- CONCLUSION : Indiquer une raison pour laquelle l'énergie mécanique d'un système n'est pas conservée au cours du mouvement.