Oscillateur élastique : étude énergétique :
Objectif de l'activité : à partir d'une animation modélisant le mouvement d'une masse accrochée à un ressort horizontal, on s'intéressera à différents paramètres de ce système {masse - ressort} puis on cherchera à recréer dans un tableur scientifique (l'Atelier Scientifique) les courbes suivantes
- la vitesse de la masse
- son énergie cinétique
- l'énergie potentielle élastique emmagasinée dans le ressort
- l'énergie mécanique du système {masse - ressort }
et de comparer l'évolution de ces grandeurs dans des graphiques différents
Pour finir on comparera ce modèle théorique idéal au cas d'un oscillateur élastique réel.
L'image ci-dessous est une capture d'écran d'une des nombreuses animations crées par Pierre Flahaut et disponibles sur ses pages perso. Cette image est un lien vers son site :
Observer la vidéo et répondre aux questions suivantes :
Analyse des forces :
- Sur cette animation on voit 3 vecteurs force dessinés. Quelle force est représentée :
- par le vecteur bleu
- par le vecteur rouge
- par le vecteur vert
- (le vecteur jaune n'en est pas un : que représente-t-il ?)
- A quoi se réduit la somme vectorielle des forces extérieures appliquées à la masse ? Est-elle constante ?
Oscillations :
- Au cours de cette animation, combien voit-on d'oscillations ?
- Quel graphique permet de corroborer cette affirmation ? Pourquoi ?
- L'évolution au cours du temps de l'abscisse x (ou 'élongation'), comme celle de la force de rappel F du ressort, est sinusoïdale. Que peut-on dire de ces deux sinusoïdes du point de vue de leurs phases relatives ?
Energies :
- Rappeler l'expression de l'énergie potentielle élastique emmagasinée par un ressort déformé de x.
- Justifier alors les variations de cette énergie par rapport à celle de l'élongation x
- Rappeler l'expression de l'énergie cinétique d'une masse m en mouvement.
- Justifier alors les variations de cette énergie par rapport à celle de l'élongation x
- Comment évoluent ces deux énergies l'une par rapport à l'autre ?
- Au cours de cette animation, combien de périodes mesure-t-on pour :
- l'énergie potentielle
- l'énergie cinétique
- Comparer la période de ces énergies à celle de l'élongation x.
