Guide

Bref guide sur l'expérimentation de
mouvements rectilignes

 

 

 
INTRODUCTION


  Il s’agit d’un bref guide à l’expérimentation sur les mouvements rectilignes.

  Les matériaux que l’on peut utiliser y sont indiqués ainsi que les précautions à prendre et les méthodologies à suivre.


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APPARAT EXPERIMENTAL


  N’importe quelle étude expérimentale a besoin d’un choix pondéré des appareils à utiliser. Le phénomène que l’on étudie, en effet, doit être caractérisé parfaitement en éliminant ou en réduisant au minimum toutes les causes de perturbation qui pourraient en changer le déroulement.

  En outre, du point de vue didactique, on a besoin que l’expérience soit:


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RIDUCTION DU FROTTEMENT


  La principale cause de perturbation, dans l’étude d’un mouvement, est évidement le frottement; un bon dispositif expérimental doit réussir à l’éliminer ou à le réduire considérablement.

  Cela peut être obtenu de différentes manières:


 
CHARIOT A ROUES

 

  Le chariot à roues est la solution la plus simple pour réduire le frottement, en substituant le frottement de glissement avec celui de roulement.

  Le frottement résidu peut être compensé par une légère inclination de la piste où se déplace le chariot.

  Pour obtenir sûrement un mouvement rectiligne, on peut utiliser un rail sur lequel le chariot peut se déplacer.

  Le défaut le plus grand est d’obtenir des masses tournantes qui peuvent créer des problèmes (par exemple quand on veut mettre en évidence l’énergie cinétique).


 
GALET DE NEIGE CARBONIQUE

 

  Le galet de neige carbonique est constitué par un disque métallique sur lequel est fixé un réservoir qui contient de la neige carbonique (anhydride carbonique solide).

  La neige carbonique, en sublimant, produit un gaz d’anhydride carbonique qui sort d’un petit trou placé au centre du disque . On obtient ainsi, entre le disque et la surface d’appui (très lisse, en général une plaque de cristal), un coussin de gaz qui tient le disque légèrement soulevé sur le plan d’appui. Le mouvement ainsi obtenu est pratiquement sans frottement.

  Le problème dans l’usage didactique, est constitué par la nécessité de produire, chaque fois, la neige carbonique.


 
BANC OU RAIL A COUSSIN D'AIR

  Ils fonctionnent sur le même principe d’un coussin gazeux entre deux corps en mouvement relatif. Ils présentent les caractéristiques positives du disque avec neige carbonique, sans son défaut. Le coussin d’air qui se forme entre la table et le disque ou entre le rail et le chariot est produit par l’air qui, tenu à pression par un compresseur, sort par une grande série de petit trous produit sur la surface de la table ou du rail.

  Le rail permet d’obtenir très facilement un mouvement rectiligne et il peut être incliné d’un angle suffisamment grand (sans que le chariot le touche) pour permettre l’étude d’un mouvement sur un plan incliné.


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RELEVAMENT DES DONNEES EXPERIMENTALES


  Les grandeurs physiques qui caractérisent un mouvement (et qu’on peut obtenir expérimentalement avec la plus grande facilité) sont la position et le temps.

  Les systèmes pour relever des données expérimentales (espace et temps) peuvent être:

  • fixer les distances et mesurer les temps entre elles (barrières photoélectriques);
  • fixer les délais et mesurer les distances parcourues dans ces temps (chronophotographie, stroboscopie).


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SYSTEME AVEC ESPACES PREETABLIS


  Le système fondé sur les espaces préétablis est la façon de fixer à l’avance les positions en correspondance desquelles on effectuera la mesure des temps. On utilise donc un chronomètre que l’on fait partir et arrêter par le mobile en mouvement grâce à des étapes formées par des contacts mécaniques ou magnétiques ou par des portes photo-électriques.

  Défaut: pour l’étude du mouvement, la connaissance d’un seul intervalle d’espace avec le temps relatif employé ne suffit pas. Il faut donc avoir à disposition divers chronomètres connectés à diverses étapes (ce qui devient très compliqué) ou bien il faut répéter plusieurs fois le mouvement, en déplaçant chaque fois les étapes, avec des résultats expérimentaux et didactiques assez discutables.


 
MULTITIMER

 

  On peut quand même utiliser un chronomètre multiple, semblable à celui que montre la figure, connecté comme dans le schéma.


 
BARRIERES PHOTO ELECTRIQUES CONNECTEE PAR UN INTERFACE A UN ORDINATEUR

 

  Les intervals de temps sont mesurés de l'ordinateur grâce à son clock.

  Normalement des logiciel pour le tratement des donnèes recueillies sont inclus avec l'interface.

  Défauts: La méthode présente didactiquement des contre-indications à cause de la récolte et du traitement automatique des données, souf si on les utilise comme comparaison avec le travail manuel des élèves.


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SYSTEME AVEC DES DELAIS PREETABLIS


  Le système fondé sur la disposition des temps est la façon de fixer à l'avance les délais du temps en correspondance desquels on effectuera la mesure des espaces.


 
CHRONOMETEUR ET RUBAN EN PAPIER

  Le chronométreur est constitué par un vibrateur (les premiers chronométreurs artisanaux étaient faits d’une sonnette électrique modifiée) auquel est fixée une pointe qui, à intervalles de temps constants, laisse des signes sur un ruban de papier traîné par le corps en mouvement. L’espace parcouru est mesuré sur le ruban et le temps employé est la somme des temps élémentaires entre deux points contigus.

  Défauts : La période est presque toujours fixe (en générale 1/100 s, lié à la fréquence du courant électrique); le ruban traîné par le mobile crée des problèmes pratiques pour la mesure et il peut perturber facilement le mouvement du corps.


 
ECLATEUR ET RUBAN THERMO - SENSIBLE

  L’éclateur produit périodiquement des impulsions à haute tension qui font jaillir des étincelles entre un fil métallique connecté au chariot et un ruban métallisé disposé le long du rail. Le ruban se noircit en correspondance de chaque étincelle.

  Le relèvement des données se passe, comme pour le chronométreur, en mesurant directement l’espace entre un point et un autre et en sommant les intervalles de temps élémentaires.

  Avantage par rapport au chronométreur:

  L’éclateur permet de choisir, entre des limites plutôt vastes, la valeur de l’intervalle de temps à utiliser.
  Le ruban thermo - sensible, n’étant pas traîné par le mobile, ne perturbe d’aucune façon le mouvement.


 
FOTOGRAPHIE STROBOSCOPIQUE
 

  Le chariot se déplace dans l’obscurité devant un appareil photo dont l’obturateur est constamment ouvert.

  Un stroboflash émet périodiquement des éclats de lumière qui impressionnent sur la pellicule les positions prises dans ces moments par un indicateur fixé sur le chariot.

  Si on fixe une échelle métrique sur le parcours du chariot, sur elle on peut lire les positions du chariot instant par instant, tandis que les temps sont obtenus, ici aussi, par la somme des périodes dont le nombre est égal a celui des positions choisies.

 

  Défauts : le dispositif expérimental et l’exécution de l’épreuve sont plutôt complexes.

  Il faut disposer d’une camera à développement immédiat; il faut opérer dans l’obscurité (même si le dispositif expérimental pourrait être modifié en éclairant constamment le chariot et en disposant un disque stroboscopique devant l’objectif de l’appareil).


 
CAMERA CCD
 

  On applique au corps en mouvement une bande auto-adhesive qui réfléchit les éclairs lumineux émis par des LED que la camera utilise comme point de référence de la position des corps.

  L'expérience ne presente aucun problème d'illumination.


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TRAITEMENT DES DONNEES EXPERIMENTALES


  Quelque soit la méthode adoptée, à la fin de l’expérience on a à disposition les valeurs de l’espace et du temps et, selon les appareils utilisés, les erreurs expérimentales relatives.

 Le traitement des données expérimentales consiste en:

  • calculer la vitesse et l’accélération,
  • tracer les diagrammes espace - temps, vitesse -temps et, éventuellement, accélération - temps,
  • déterminer le type de mouvement, d’après la valeur calculée et les diagrammes tracés,
  • écrire, s’il est possible, les lois du mouvement.


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