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T.P. de Physique – Les forces
Le but du T.P. est de mettre en évidence l’action de la poussée d’Archimède sur une masse marquée immergée dans l’eau. Préalablement, nous allons étudier l’influence d’une force sur un ressort (objet déformable), et modéliser par une loi simple la relation entre l’allongement du ressort et la force qui lui est appliquée.
A / Étude d’un ressort
1 / Étude du premier ressort
Expérience :
Suspendre le ressort à la pince, et fixer la règle verticalement à l’aide de la seconde pince positionner alors à l’extrémité du ressort le rapporteur pour pouvoir mesurer facilement la longueur du ressort (noter la longueur l0 du ressort à vide).
l0 = ………………….cm
Suspendre alors la masse marquée m = 10 g à l’extrémité libre du rapporteur et mesurer l’allongement l de celui-ci. Recommencer alors l’opération avec les masses 20g, 30g, 40g, 50g, 100g, 150g, et 200g.
Noter vos résultats expérimentaux dans le tableau ci-dessous (la masse doit être convertie en kg et l’allongement du ressort en mètre) ; créer et calculer une nouvelle variable, appelé P (poids du corps en newton) à placer dans le tableau (on prendra g = 9,8 N/kg).
Tableau de mesure :
Rappel : P = m x g avec P en N
Faire l’inventaire des forces qui s’appliquent sur le système (masse marquée). :
En utilisant le principe d’inertie étudié en classe de seconde, établir une relation entre la valeur du poids des masses marquées et la valeur de la force de rappel que le ressort exerce sur la masse marquée.
Tracer alors le graphe P = f ( x ) en utilisant l’ordinateur (utilisation du logiciel « Régressi » ) avec x représentant l’allongement du ressort. Modéliser si nécessaire la courbe et imprimer le tout (mettre vos noms sur l’impression).
Que peut-on dire de l’allongement du ressort (justifier votre réponse) ?
Proposer alors une relation entre la force de rappel du ressort et son allongement, et déterminer alors la constante de raideur du ressort.
2 / Étude du second ressort
On réalise exactement le même protocole expérimental (expérience, mesure, courbe) en utilisant un second ressort.
l0 = ………………….cm
Tableau de mesure :
Tracer alors le graphe P = f ( x ) en utilisant l’ordinateur (utilisation du logiciel « Régressi » ) avec x représentant l’allongement du ressort. Modéliser si nécessaire la courbe et imprimer le tout (mettre vos noms sur l’impression).
Déterminer alors la constante de raideur du second ressort.
B / Étude de la poussée d’Archimède
On veut mesurer la valeur de la poussée d’Archimède pour une masse immergé.
Expérience :
On dispose d’un ressort (choisir le premier étudié précédemment), de deux masses de 100 g (total de 200 g), et d’une éprouvette graduée de 250 mL pouvant contenir de l’eau. On suspend les masses au ressort dans le vide, puis dans le récipient contenant de l’eau.
Mesurer la longueur à vide l0 ; puis accrocher les masses marquées de 200 g, et mesurer sa longueur l1.
lo = ………….cm l1 = ………………..cm
Remplir d’eau l’éprouvette graduée jusqu’à la graduation de 200 mL, puis plonger complètement les masses marquées de 200 g dans l’eau.
Noter la variation ?V (volume mesuré moins les 200 mL du départ) du volume d’eau dans l’éprouvette graduée, ainsi que la nouvelle longueur l2 du ressort.
?V = ………… mL l2 = ……………cm
Calculer la valeur de la force de rappel exercée par le ressort sur les masses marquées de 200 g dans les deux cas.
Calculer le poids des masses marquées de 200 g dans les deux cas.
Comparer les forces s’exerçant sur le système « masse » dans l’air et dans l’eau. Montrer que l’objet subit une action de la part de l’eau : la poussée d’Archimède (utiliser le principe d’inertie).
Représenter ces forces sur un schéma (cas de la masse immergée). Vous prendrez comme échelle, pour représenter les forces, un cm pour 1 N.
En considérant le système à l’équilibre, déduire des questions précédentes la valeur de la poussée d’Archimède qui s’exerce sur le solide.
La valeur de la poussée d’Archimède est celle du poids du volume de fluide déplacé par l’objet immergé. La calculer connaissant la masse volumique de l’eau ( ?eau = 1000 kg/m3 ) et la pesanteur ( g = 9,8 N/kg ). Le volume ?V doit obligatoirement être exprimé en mètre cube.
Comparer les résultats des deux valeurs obtenues pour la poussée d’Archimède.
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