Étude de quelques forces macroscopiques
 

I. Objectifs

• Mettre en évidence les différents effets d'une force.
• Comprendre la nature d'un force répartie.
• Établir la relation existant entre le poids d'un corps et sa masse.
• Réaliser l'étalonnage d'un ressort.
• Réaliser des situations expérimentales permettant la mesure de forces.

II. Effets d'une force

1. Matériel

• Pâte à modeler.

2. Manipulation

• Exercer une force sur la pâte à modeler.
  Quel est l'effet produit?
• Lâcher la pâte à modeler sans vitesse initiale d'une hauteur d'environ deux mètres.
  Quelle force agit alors sur la pâte à modeler? Quel est l'effet produit?
• Lancer la pâte à modeler en lui communiquant une vitesse dont la direction fait un angle a avec l'horizontale.
  Quelle force agit alors sur la pâte à modeler? Quel est l'effet produit?

III. Etude du poids d'un corps

1. Matériel

• Bobine de fil.
• Pâte à modeler.
• Objet en carton.
• Pied de mécanique + une noix + une pince 4 doigts.
• Fil à plomb.
• Briquet ou boite d'allumette.
• Dynamomètre 5N.
• Boite de masses marquées

2. Manipulation

1. Suspendre un morceau de pâte à modeler au dynamomètre et relever son poids.
   Fractionner le morceau de pâte à modeler en deux parties et relever leurs poids respectifs.
   Parmi les mots suivants, choisir le ou les adjectifs qui conviennent pour caractériser le poids.
   Dense, Localisée, Lourd, A distance, Répartie, De contact
    
2. Manipulation effectuée au bureau par le professeur
   Suspendre un fil à plomb au support de mécanique et placer un morceau de craie sur le bureau à la verticale du fil à plomb.
   Brûler le fil.
   A quelle action le fil à plomb est-il soumis lorsque le fil est coupé? En déduire la direction et le sens du vecteur poids.
    
3. Suspendre l'objet en carton à l'aide d'un fil sur le pied de mécanique.
   Tracer les verticales des trois points de suspension à l'aide du fil à plomb.
   En déduire la position du point d'application du poids.
    
4. Relation entre le poids d'un corps et sa masse
   Suspendre successivement les masses: m=100g, 150g, 200g,..., 450g.
   Mesurer les valeurs de P (poids) correspondantes.
   Saisir les valeurs de m et de P sur l'ordinateur.
   Tracer le graphe P=f(m).
   Le graphe obtenu est une droite passant par l'origine dont on déterminera le coefficient directeur a.
   En déduire l'expression littérale de P en fonction de m.

IV) Étude de la tension d'un ressort

1. Matériel:

• Ressort.
• Double ou triple décimètre.
• Boite de masses marquées.
• Pied de mécanique + deux noix + une pince 3 doigts + une pince plate.

2. Manipulation

1. Suspendre le ressort à la pince 3 doigts.
   Fixer la règle verticalement à l'aide de la pince plate de telle façon que le zéro corresponde à la spire libre du ressort.
   Suspendre la masse m=10g à l'extrémité libre du ressort et mesurer l'allongement de celui-ci.
   Recommencer cette opération avec les masses 20g, 30g, 40g, ..., 200g.
   Saisir les valeurs de m et de x (allongement) sur l'ordinateur.
    
2. Créer et calculer une nouvelle variable P(poids du corps).
   Tracer le graphe x=f(P).
    
3. Que peut-on dire de l'allongement x du ressort.
   Imaginer une méthode permettant d'utiliser le graphe précédent pour mesurer la valeur d'une force.

V. Mesure de la poussée d'Archimède

1. Matériel:

• Bobine de fil.
• Pied de mécanique + une noix + une pince 4 doigts.
• Dynamomètre 5N.
• Boite de masses marquées.
• Valet élévateur.
• Éprouvette graduée de 500mL.

2. Manipulation

1. Suspendre une masse marquée de 200g à l'extrémité d'un fil. Fixer le dynamomètre au support de mécanique et y accrocher l'autre extrémité du fil. Relever l'indication du dynamomètre lorsque la masse marquée est dans l'air.
    
2. Placer 250mL d'eau dans une éprouvette graduée de 500mL et régler le dispositif précédent de façon à ce que la masse marquée soit totalement immergée. Relever l'indication du dynamomètre lorsque la masse marquée est dans l'eau.
    
3. Lire sur l'éprouvette le volume d'eau déplacé par l'immersion de la masse marquée.

3. Exploitation

1. Déterminer la valeur de la poussée d'Archimède exercée sur l'objet.
2. Calculer le poids du volume d'eau déplacé lors de l'immersion.
3. Comparer les deux valeurs précédentes.

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