Module 2: Dynamique SPH3U

Attentes Démontrer sa compréhension des forces, du travail, de l’énergie cinétique, de l’énergie potentielle gravitationnelle, des transformations énergétiques, du rendement énergétique et de la puissance. Faire une expérience pour vérifier la loi de la conservation de l’énergie. Analyser l’impact sur les activités quotidiennes des développements technologiques et des connaissances scientifiques en mécanique.

Chapitres Chapitre 4: Les lois fondamentales de Newton Chapitre 5: L’application des lois de Newton Chapitre 7: L’énergie mécanique et son transfert

Chapitre 4: Les lois fondamentales de Newton

4.1: La première loi de Newton

Première loi de Newton * Un corps restera au repos ou continuera son mouvement à vitesse vectorielle constante jusqu’à ce qu’une force agisse sur lui. Exemples:

À ton tour! p.143 #3-4

4.2: La deuxième loi de Newton

Question Imagine que la rondelle est immobile. Si le joueur la frappe, la rondelle va accélérer. Est-ce qu’elle va accélérer autant s’il frappe avec une grande force qu’avec une petite force?

Donc… 𝑎 ∝ 𝐹

Donc… 𝑎 ∝ 𝐹 𝐹 =𝑚 𝑎

Deuxième loi de Newton * 𝐹 𝑛𝑒𝑡𝑡𝑒 =𝑚 𝑎 Variables: 𝐹 =force (en Newtons) 𝑚=𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 (en kg) 𝑎 =𝑎𝑐𝑐é𝑙é𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 (en m/s2)

À ton tour! P.144 #19, 20, 21

4.3: Les diagrammes de forces

Quelle(s) force(s) agit sur l’élève?

Quelle(s) force(s) agit sur l’élève?

Diagrammes de forces * Objet au centre. Force = flèche. Toutes les flèches s’éloignent du centre.

Exercice Dessine le diagramme de forces pour les situations suivantes: Un appât descend lentement dans l’eau. Un parachute ralentit la navette à l’atterrissage. Une pomme est suspendue à une branche. https://www.edumedia-sciences.com/fr/media/353-bilan-des-forces

La force nette * 𝐹 𝑛𝑒𝑡𝑡𝑒 = 𝐹 𝑠𝑢𝑟 𝑙𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑝𝑠 Pour trouver la force nette, on additionne toutes les forces du diagramme. N’oublie pas les négatives! Exemples:

La force nette (suite) * Si 𝐹 𝑛𝑒𝑡𝑡𝑒 =0, l’objet est immobile ou bouge à vitesse constante. Si 𝐹 𝑛𝑒𝑡𝑡𝑒 ≠0, l’objet a une accélération. Cette vitesse peut être calculée avec 𝐹 =𝑚 𝑎 .

Exemple #1 (p.127) La bête tire Tarzan avec une force de 180 N et Tarzana tire avec une force de 150 N. Quelle est l’accélération de Tarzan, si celui-ci a une masse de 90 kg?

À ton tour! P.145 #35-36

Exemple #2 (p.128) Tarzana tire avec 200 N. La bête a faibli, et tire avec 90 N. Quelle est l’accélération de Tarzan maintenant?

À ton tour! P.146 #37-38

Exemple #3 (p.129) Suppose que dans la dernière scène, Tarzana a tiré pendant 2,7 s avant que la bête laisse aller Tarzan. Suppose également que tous les personnages étaient immobiles au départ, que Tarzana utilisait une force moyenne de 150 N et que la bête exerçait une force de 90 N. Calcule la vitesse vectorielle de Tarzan et la distance qu’il a parcourue avant que la bête le libère.

À ton tour! P.147 #41-42

4.4: Les diagrammes de forces en 2 dimensions

Les diagrammes en 2 dimensions * Dans les diagrammes en 2 dimensions, la force nette doit être calculée en 2 étapes: Calculer 𝐹 𝑥 et 𝐹 𝑦 Trouver 𝐹 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 avec un dessin à l’échelle ou la trigonométrie.

Exemple #4 (p.131) La figure 4.19A illustre 4 élèves qui jouent à un jeu de société (Ouija!). Leurs mains sont placées sur le pointeur et ils poussent en même temps. Les élèves sont numérotées de 1 à 4 et on donne la force qu’elles exercent. La masse du pointeur est de 0,2 kg. Les 4 forces sont 𝐹 1 =2,0 N vers la gauche, 𝐹 2 =1,2 𝑁 vers la droite, 𝐹 3 =0,8 𝑁 vers le bas et 𝐹 4 =1,4 𝑁 vers le haut. Calcule la force nette sur le pointeur et son accélération.

À ton tour! P.135 #1a)

4.5: La troisième loi de Newton et les diagrammes de forces

Action-réaction: exemples

Troisième loi de Newton * Une action provoque une réaction d’une force égale et opposée.

Question Si la loi d’action-réaction est vraie, comment peut-il y avoir du mouvement? Il semble que chaque force est annulée par une deuxième force égale et opposée.

À ton tour P.139 #1-2 P.148 #53-54-55

Chapitre 5: L’application des lois de Newton

5.4: La force normale

Concept * Par une surface. Perpendiculaire à la surface.

Exemple #6 (p.163) Une personne d’une masse de 40 kg est assise sur une boîte. Quelle est la valeur de la force normale?

Exemple #7 (p164) Un ami essaie de soulever cette même personne avec une grue qui exercice une force de 92 N. La grue ne réussit pas à soulever la personne, mais quelle est la nouvelle force normale?

À ton tour! p.182-183 #32, 35, 37

5.5: Le frottement

Cause Simulation: https://phet.colorado.edu/sims/html/friction/latest/friction_en.htmlv

Différence? A B 𝑣 =0 𝑚/𝑠 𝑣 ≠0 𝑚/𝑠

Frottement statique vs cinétique * Frottement cinétique 𝑣 =0 𝑚/𝑠 𝑣 ≠0 𝑚/𝑠

Facteurs qui affectent la force de frottement: * Types de matières Force normale (+ de force = + de frottement) 𝐹 𝑓 =𝜇 𝐹 𝑛

Coefficient de frottement

Exemple #8 (p.167) On pousse un tondeuse d’une masse de 12 kg avec une force de 150 N horizontalement et 40 N vers le bas. Si le coefficient de frottement dynamique entre les roues et le gazon est de 0,9, calcule la force de frottement qui agit sur la tondeuse.

Exemple #9 (p.168) Calcule l’accélération de la tondeuse dans l’exemple précédent.

À ton tour! P183 #42

Exemple #10 (p.169) Deux personnes poussent une caisse d’une masse de 50 kg. Une des personnes pousse de la droite avec une force de 50 N et l’autre personne pousse de la gauche avec une force de 80 N. Le coefficient de frottement cinétique est de 0,3. Calcule l’accélération de la caisse.

Exemple #11 (p.170) On fait glisser un bloc de 0,5 kg sur une ardoise avec une force appliquée de 6,0 N vers le haut et de 2,0 N contre le tableau. Si le coefficient de frottement cinétique est de 0,4, calcule l’accélération du bloc.

À ton tour! p.183 #39, 44, 46

Chapitre 7: L’énergie mécanique et son transfert

7.1: Introduction à l’énergie

Définitions * Énergie = capacité à faire un travail. Travail = processus de transfert d’énergie. On utilise: Pour faire: Argent Achat Énergie Travail

Différentes formes d’énergie Voir fiche.

7.2: Le travail, transfert d’énergie Quelles sont les transformations énergétiques dans les images suivantes?

Oui, travail fait sur le sac Non, pas de travail fait sur le sac À partir du tableau suivant, quelles sont les conditions nécessaires au travail? Oui, travail fait sur le sac Non, pas de travail fait sur le sac

Conditions pour du travail * Il y a une force. Il y a un déplacement. La force et le déplacement sont dans la même direction.

Formule du travail * 𝑊= 𝐹 𝑎𝑝𝑝 cos 𝜃 ∆ 𝑑 𝑊 = travail (en Joules) 𝐹 𝑎𝑝𝑝 = force appliquée (en Newtons) 𝜃 = angle entre la force appliquée et la direction du mouvement ∆ 𝑑 = déplacement (en mètres)

Il n’y a pas de travail si…* Force et mouvement sont perpendiculaires. Force, mais pas de déplacement. Déplacement, mais pas de force.

Exemple #1 (p.219) Un garçon tire un chariot avec une force de 50 N sur une distance de 5,4 m. Quelle est la quantité de travail effectué?

Exemple #2 (p.219) Un homme pousse une boîte sur un plancher avec une force de 250 N, comme dans la figure 7.7. La boîte se déplace avec une vitesse constante sur 12,75 m. Quelle quantité de travail l’homme effectue-t-il sur la boîte?

*Faire différentes démonstrations.

À ton tour! P.241 #12, 13, 14

Exemple #3 (p.219) (avec angle) Une élève tire un traîneau à une vitesse vectorielle constante et avec une force de 50 N. La corde du traîneau forme un angle de 37° avec l’horizontale, comme dans la figure 7.8. Quelle est la quantité de travail effectué par l’élève si elle doit parcourir 0,50 km jusqu’à la pente?

À ton tour! P.242 #22

7.3: La puissance, taux de transfert de l’énergie

Même travail. Alors quelle est la différence? B 20 N 100 m 30 secondes 60 secondes

La puissance * Déf: La puissance est le taux auquel s’effectue un travail. 𝑃= 𝑊 ∆𝑡 𝑊 = Travail (en Joules, J) ∆𝑡 = temps (en secondes, s) 𝑃 = puissance (en Watts, W)

Exemple #5 (p.222) Quelle est la puissance d’une grue qui fait un travail de 6,7× 10 4 𝐽 en 1,7 s?

Exemple #6 (p.222) Combien de puissance la grue de l’exemple #5 applique-t- elle si elle soulève un contenant de béton de 1,25 t sur une distance verticale de 57,4 m en 3,5 s?

À ton tour! p.223 #1-2

7.4: L’énergie cinétique

Dans chaque cas, par quelle auto préférerais-tu être frappé? B Celle qui va à 10 km/h ou celle qui va à 120 km/h? L’auto légère ou l’auto lourde?

Dans chaque cas, par quelle auto préférerais-tu être frappé? B Celle qui va à 10 km/h ou celle qui va à 120 km/h? Énergie de mouvement dépend de la vitesse. L’auto légère ou l’auto lourde? Énergie de mouvement dépend de la masse.

Théorème de l’énergie cinétique * Le travail total effectué sur un objet est égal à la variation de l’énergie cinétique, à condition qu’il n’y ait aucune variation de quelque autre forme d’énergie que ce soit (par exemple, l’énergie potentielle gravitationnelle). 𝑊=∆ 𝐸 𝑘

L’énergie cinétique * Déf: Énergie de mouvement. 𝐸 𝐶 = 1 2 𝑚 𝑣 2 𝑚 = masse (en kilogrammes, kg) 𝑣 = vitesse (en mètres/seconde, m/s) 𝐸 𝐶 = énergie cinétique (en Joules, J)

Exemple #7 (p.224) Quelle est l’énergie cinétique d’une balle molle de 125 g lancée à une vitesse vectorielle de 36,0 m/s ?

Exemple #8 (p.224) Quelle serait la vitesse vectorielle d’une botte de foin de 17,0 kg si son énergie cinétique état de 212 J?

À ton tour p.226 #3 a-b-c-d

7.5: L’énergie potentielle gravitationnelle

Énergie potentielle gravitationnelle * Déf: Énergie emmagasinée dans un objet en raison de son altitude dans une zone où il y a de la gravité. 𝐸 𝑔 =𝑚𝑔ℎ 𝑚 = masse (en kg) 𝑔 = accélération gravitationnelle (9,8 m/s2) ℎ = altitude par rapport à une référence (en m)

Exemple #11 Un melon de 2,0 kg tombe d’une table de 0,75 m sur une chaise de 0,45 m de haut avant de s’écraser sur le plancher. Lorsqu’il est encore sur la table, quelle est l’énergie potentielle gravitationnelle du melon par rapport: À la table? À la chaise? Au plancher?

À ton tour! p.228 #1-2-3

7.6: La loi de la conservation de l’énergie

Simulation https://phet.colorado.edu/sims/html/energy-skate-park-basics/latest/energy- skate-park-basics_en.html

Loi de la conservation de l’énergie * L’énergie ne peut être ni créée ni détruite. Elle peut seulement se transformer. Démonstration: balle qui rebondit.

Exemple #13 (p.231) Un garçon curieux lance une pierre de 0,50 kg à 1,0 m/s vers le sol depuis le toit de sa maison, d’une hauteur de 3,2 m. Quelles sont l’énergie potentielle gravitationnelle et l’énergie cinétique de la pierre au début du lancer? Quelle est l’énergie mécanique totale de la pierre au début de son trajet? Quelle est l’énergie mécanique totale de la pierre lorsqu’elle frappe le sol? Quelle est la vitesse de la pierre lorsqu’elle frappe le sol?

Exemple #14 (p.232) Un élève d’une école secondaire commet l’erreur de lancer une flèche de 0,40 kg directement au-dessus de lui à une vitesse de 30 m/s pendant un cours de tir à l’arc, dans le gymnase de l’école. S’il n’y a aucune résistance de l’air, quelle est la hauteur maximale que pourra atteindre la flèche? Quelle est la vitesse de la flèche lorsqu’elle frappe le plafond, d’une hauteur de 15,0 m?

À ton tour! p.234 #1, 3 p.243 #41, 42, 43, 44

7.8: Le rendement du transfert d’énergie

Tout le monde sait… … que les ampoules fluorescentes sont meilleures pour l’environnement que les ampoules incandescentes. Mais comment les comparer quantitativement?

Le rendement * 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡= é𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑢𝑡𝑖𝑙𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒 é𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒 𝑑 ′ 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 ×100% Selon toi, quel est le rendement d’une voiture?

Exemple #15 (p.235) Quel est le rendement d’une grue qui utilise 5,10× 10 5 𝐽 d’énergie pour soulever 1000 kg à une hauteur verticale de 32,0 m?

Exemple #16 (p.236) Le rendement d’une ampoule donnée est de 7,5 %. Combien d’énergie lumineuse une ampoule de 100 W peut-elle produire en 1 minute? Quelle serait la « puissance lumineuse » efficace de cette ampoule de 100 W?

À ton tour! P.244 #45, 46, 47