Physique-Chimie 2nde

L'univers

Lycée Jacques Monod

ð Compétences : - Utiliser un logiciel de traitement de données vidéo

- Tracer une trajectoire à partir d’un tableau de données dans Excel

- Comparer différentes trajectoires et en déduire les paramètres influençant le mouvement d’un satellite

ð Problème : la force exercée par la Terre (ou un astre) sur un satellite est la force gravitationnelle. Pour modéliser ici un satelleite et la Terre, nous utiliserons une bille d'acier et un aimant.

Quels sont les paramètres qui ont de l'influence sur la trajectoire d'un satellite ?

Matériel disponible : un aimant circulaire d'un diamètre de 13 cm, une bille en acier, un logiciel de traitement de données vidéo Aviméca, un logiciel tableur Microsoft Excel.

ð Réflexion sur le modèle utilisé : La force exercée par l’aimant sur la bille est une force magnétique. Mais, nous pouvons ici utiliser le modèle de la bille et de l’aimant car :

Cette force est, comme celle exercée par la Terre sur le satellite, une force à distance.

De plus, elle est de nature attractive, comme la force exercée par la Terre sur le satellite.

Cependant, ATTENTION : la force gravitationnelle et la force magnétique ne sont pas du tout de même nature, ce n’est qu’une modélisation.

I. EXPERIENCE QUALITATIVE

Lancer la bille à environ 20 cm de l’aimant en lui donnant une vitesse initiale moyenne. Qu’observez-vous? Lancer la bille à environ 10 cm de l’aimant en lui donnant une vitesse initiale moyenne, que se passe-t-il ?

Lancer la bille à environ 5 cm de l’aimant en lui donnant une vitesse initiale moyenne, que se passe-t-il ?

GRAVITATION

Aimant Aimant Aimant

Terre satellite

F terre sur

satellite F aimant sur bille

bille Aimant

Physique-Chimie 2nde

L'univers

Lycée Jacques Monod

Questions

1. Quel est le référentiel d’étude ?

2. Quel effet a l’aimant sur la trajectoire de la bille ?

3. Cet effet est-il le même dans chacune des expériences précédentes ?

4. En vous rappelant que la bille et l’aimant peuvent modéliser un satellite et la Terre, quel premier paramètre influençant la trajectoire d’un satellite identifiez-vous ? Que se passe-t-il quand celui-ci est trop grand, et quand il est trop petit ?

II. ANALYSE QUANTITATIVE DE L’EXPERIENCE PAR ORDINATEUR

Une acquisition de trois expériences a été réalisée. Dans chacune de ces expériences, la bille a été lancée à une distance d’environ 10 cm de l’aimant. Vous allez tracer les trajectoires de la bille dans les trois expériences.

- Ouvrir le logiciel Aviméca.

- Ouvrir un clip vidéo : aller sur le bureau dans le fichier " TP gravitation ", choisir " Expérience 1 "

- Lancer la vidéo en appuyant sur le bouton " play ".

- Suivre le protocole du logiciel aviméca afin d’obtenir un tableau donnant les positions de la bille au cours du temps.

- En même temps que l’étalonnage, il faut indiquer l’origine du repère et le sens des axes. Cliquez sur et placer le centre du repère au centre de l’aimant circulaire.

- L’origine des dates doit correspondre à l’image précédant l’apparition de la bille. Modifiez là en allant dans " origine des dates " et en changeant le numéro de l’image.

- Appuyer sur l’icône PP pour mettre votre tableau dans le presse papier.

- Ouvrir Excel

- Cliquer droit et coller le tableau de données.

- Tracer la trajectoire de la bille (position y en fonction de la position x) en utilisant un graphique de type nuage de points.

- Recommencer avec " Expérience 2 " puis avec " Expérience 3 "

- Les trajectoires peuvent êtres imprimées.

Questions (il vous faudra observer les trois vidéos)

5. L’intervalle de temps entre deux points est toujours le même. Déterminer la distance entre les deux premiers points dans chaque expérience.

6. Comparer la vitesse initiale de la bille dans les trois expériences et décrivez la trajectoire de la bille dans chaque cas ?

7. Quel deuxième paramètre influençant la trajectoire d’un satellite identifiez-vous ? Que se passe-t-il quand celui-ci est trop grand, et quand il est trop petit ?

8. A-t-on répondu au problème posé en début de TP ?

Physique-Chimie 2nde

L'univers

Lycée Jacques Monod

III. ET LA LUNE ET LA TERRE ?

9. Que se passerait-il pour la trajectoire de la Lune si celle-ci n’était plus soumise à la force gravitationnelle? Justifier.

10. Newton est assis dans un verger ; la nuit va tomber et la pleine lune est déjà levée.

Une pomme tombe ; il se demande alors pourquoi la pomme tombe alors que la Lune ne tombe pas. Posons quelques questions à Newton (1642-1727) (N) afin de savoir si la pomme tombe de la même façon que la Lune.

"- Mais,...la Lune ne tombe pas puisqu’elle reste toujours à la même distance de la Terre !…"

N: "- Si elle ne tombait pas, il y a longtemps qu’elle ne serait plus là. En effet, si la Lune n’était soumise à aucune force, elle adopterait un mouvement rectiligne et uniforme alors qu’elle a un mouvement circulaire autour de la Terre. Puisqu’elle tourne autour de la Terre, c’est qu’elle est soumise à une force, et je suppose que cette force, due à la Terre, est la même que celle qui fait tomber les pommes !"

"- Vous voulez dire qu’un objet comme la Lune, en mouvement circulaire, n’arrête pas de tomber vers le centre de sa trajectoire ?"

N: " -C’est bien ça !"

" -Vous êtes donc sûr que la Lune tombe comme une pomme ?"

N: " -Je le sais car je l’ai calculé !…" a) Est-ce en accord avec certaines de vos observations? b) La Lune tombe-t-elle sur la Terre ?

IV. ENVOI DE SATELLITES ET DE SONDES SPATIALES

11. Ici la feuille de papier exerce des frottements sur la bille, ce qui finit par la freiner. Quelle est la conséquence de ce ralentissement ? 12. L’air exerce des frottements sur un satellite qui peuvent également le freiner. Peut-on mettre un satellite en orbite dans l’atmosphère ? Où doit-il se trouver et pourquoi ?