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J.M. COURTY L.P. Nerdre Séance de travaux pratiques de Mécanique U.S.M4 M. GUYOT MONTLUCON

BAREME DE NOTATION DU T.P.

- Expérimentation : / 14

- Recherche personnelle : / 6

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MECANIQUEMECANIQUEMECANIQUEMECANIQUE POUSSEE D’ARCHIMEDE POUSSEE D’ARCHIMEDE POUSSEE D’ARCHIMEDE POUSSEE D’ARCHIMEDE

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NOM : .................................................... date : ............................. Prénom : ................................................


LE POIDS : Un corps, lâché d’une hauteur h, chute vers le bas en suivant une trajectoire verticale ; il est alors soumis à la seule force d’attraction terrestre exercée par le centre de la Terre sur le centre de gravité du solide .Cette force se nomme le poids du solide , On la note P

! .

Le poids est une grandeur vectorielle qui possède : - une droite d’action : la verticale - un sens : du haut vers le bas - une valeur calculée par P m g= ×

La valeur du poids, exprimée en Newton (N) dépend donc de la masse m du solide et de la valeur de g : g = 9,81 N/kg On prend souvent pour simplifier les calculs g = 10 N/kg LA POUSSEE D’ ARCHIMEDE : Un corps , plongé dans un liquide , reçoit , de la part de ce liquide , une force PA verticale dirigée vers le haut qui peut se calculer grâce à la relation :

VgPA ⋅⋅= ρ où ρ est la masse volumique du liquide en 3kg/m V est le volume immergé en 3m

g = 9,81 N/kg

Remarque Un corps plongé dans un liquide flotte si la poussée d’Archimède est au moins égale à son poids.

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INFORMATIONS INFORMATIONS INFORMATIONS INFORMATIONS –––– RESSOURCES RESSOURCES RESSOURCES RESSOURCES


MATERIEL UTILISE : - Deux éprouvettes de 50 ml ; - Un lot de masses marquées ; - Un support magnétique ; - Un dynamomètre ; - Un axe aimanté ; - Une ficelle ; - Un compte-gouttes ; - Une pissette d’eau ; - Une pissette d’alcool ; - Deux colorants distincts (de l’hélianthine et du bleu de bromothymol). OBJECTIFS DES MANIPULATIONS : Les manipulations proposées permettent d’évaluer : les savoir-faire expérimentaux et théoriques suivants : - réaliser d’un montage à partir d’un schéma ; - utiliser correctement un appareil de mesures ; - savoir convertir des unités ; - valider un calcul ; - prévoir un résultat ; - transférer une observation vers un exemple plus général ; - énoncer un principe mis en évidence lors de l’expérience.

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EXPERIMENTATIONEXPERIMENTATIONEXPERIMENTATIONEXPERIMENTATION


Le professeur intervient à la demande du candidat ou quand il le juge utile. Dans la suite du document, ce symbole signifie « Appeler le professeur ».

BUTS DES MANIPULATIONS : - Réaliser l’équilibre d’un solide soumis à la poussée d’Archimède - Observer le principe de la poussée d’Archimède - Appliquer le principe d’Archimède dans quelques cas concrets . TRAVAIL A REALISER :

1- Préparation des deux éprouvettes :

Appel n° 1 : Faire la préparation des éprouvettes

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Dans la première éprouvette de 50 ml, verser un peu moins de 35 ml d’eau ainsi que quelques gouttes de colorant bleu puis compléter, à l’aide de la pissette d’eau, précisément le volume à 35 ml. Remuer doucement l’ensemble pour que la coloration devienne homogène.

Pissetted’eau

Eprouvette 1

Bleu debromothymol

Pissetted’alcool

Eprouvette 2

Hélianthine

P. BALLARIN

Dans la seconde éprouvette de 50 ml, verser à l’aide de la pissette d’alcool, un peu moins de 35 ml d’alcool ainsi que quelques gouttes de colorant orange puis compléter précisément le volume à 35 ml. Remuer doucement l’ensemble pour que la coloration devienne homogène


2- Réalisez le montage schématisé ci-dessous : Dans toute cette étude , il faudra que la masse marquée soit en équilibre . On utilise l’éprouvette d’eau colorée en bleu (éprouvette 1).

0,1 N 0,1 N

V V

V

1

2

F = ......... F’ = .........

Fixer au bout du fil une masse dont le poidsvariera de 0,4 N à 0,9 N.

Faire glisser le dynamomètre le long du supportmagnétique jusqu’à ce que la charge soitcomplètement immergée.

Les mesures de et ’ peuvent être délicate lorsque le témoin de mesure se trouve entre deux valeurs de lagraduation.

F F

P. BALLARIN

Appel n° 2 : Faire la première manipulation du dynamomètre devant le professeur Noter pour chaque charge les indications du dynamomètre avant et après immersion

puis le volume V immergé .

Contrôler le niveau d’eau dans l’éprouvette et réajuster si nécessaire après chaque mesure.

Compléter le tableau 1 puis calculez PA , la poussée d’Archimède subie par la charge. On donne : PA = F - F’

Tableau 1

F (N)

(avant immersion)

……….

……….

……….

……….

……….

……….

F ’ (N) (après immersion)

……….

……….

……….

……….

……….

……….

PA = F - F’

……….

……….

……….

……….

……….

……….

2V (ml)

……….

……….

……….

……….

……….

……….

1V (ml)

……….

……….

……….

……….

……….

……….

12 VVV −=∆

……….

……….

……….

……….

……….

……….

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PA (N)

O ∆V (ml)

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D’après le tableau 1, calculer le rapport V

PA

∆

Attention le volume V doit être en m3 ! ( 1ml = 10-6 m3 ) Compléter le tableau 2.

F (N) (avant immersion)

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

V (m3)

PA (N)

VP

A

∆

Que constatez-vous quant à la valeur du rapport V

PA

∆ ?

Sachant que la masse volumique de l’eau est ρ = 1 000 kg/m3 , cette valeur du rapport était prévisible. Pourquoi ?

- Voir la partie « Information-Ressources » -

Appel n°3 : Faire vérifier votre tracé de courbe ainsi que cette dernière conclusion

3- Réaliser l’étude suivante : On remplace l’éprouvette d’eau bleue par celle d’alcool coloré en orange. La poussée d’Archimède sera donc exercée par ce nouveau liquide ( la masse volumique de l’alcool est ρ = 789 kg/m3 ) Les solides qui seront immergés restant les mêmes que précédemment, les volumes immergés restent constant. Ils correspondent aux valeurs de ∆V du tableau 2.

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Relever le volume immergé pour une charge de poids 0,5 N.

La poussée d’Archimède étant donnée par la relation : VgPA

∆××= ρ avec

=

=3kg/m 000 1

N/kg 10ρg

Calculer PA pour cette charge de 0,5N. Refaire les calculs permettant de compléter le tableau suivant :

F (N) (avant immersion)

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

∆V (m3)

PA (N)

F ’ (N)

(après immersion)

APFF −='

Réaliser le montage utilisé dans la manipulation précédente afin de vérifier un des résultats prévus dans le tableau ci dessus... Fixer au bout du dynamomètre une charge de poids 0,9 N, puis faire glisser le dynamomètre le long du tableau métallique jusqu’à ce que la charge soit complètement immergée.

Appel n° 4: Faire la manipulation devant le professeur

Notez F ( avant immersion ) = 0,9 N et F’ ( après immersion ) =

La poussée d’Archimède subie par la charge vaut donc : Ce résultat est-il convenable ?

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∆V = ……..m3

PA =

PA =


4- Remise en état du poste de travail.

Appel n° 5: Faire vérifier la remise en état du poste de travail et remettre ce document au professeur.

5- Mises en application de la poussée d’Archimède : Une bille de rayon R a un volume qui se calcule grâce à la relation: Sa masse m s’obtient alors par la relation m = ρ V où ρ est la masse volumique de son constituant. Soit une bille de rayon 3cm constituée d’acier ( ρ = 7 860 kg/m3 ). Calculez son volume V en m3 puis sa masse m en kg .

3

34 RV π=

m = ρ V

En déduire son poids P = m g P = En comparant son poids avec la poussée d’Archimède qu’elle subit lorsqu’elle est plongée dans un liquide, vous pourrez vous exprimer quant sa flottaison. - On la plonge dans de l’eau ( ρ = 1 000 kg/m3 ) Pourquoi reste t-elle au fond et ne flotte-t-elle pas ?

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RECHERCHE PERSONNELLERECHERCHE PERSONNELLERECHERCHE PERSONNELLERECHERCHE PERSONNELLE

3

34 RV π=


- On la plonge dans du mercure ( ρ = 13 600 kg/m3 ) Pourquoi remonte-t-elle à la surface pour flotter ? Au moment où elle flotte, la valeur de la poussée d’Archimède est égale à celle du poids. On peut calculer le volume immergé Vi.

APP = soit Vi

gP×

=ρ

.

Quel est alors le volume immergé ?

Déterminer le rapport du volume immergé par rapport au volume de la bille, exprimé en pourcentage :

=VVi

Parmi ces trois schémas, quel est celui qui représente le mieux la situation ci dessus ?

N°1 N°2 N°3

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GRILLE D’EVALUATION PENDANT LA SEANCE

SUJET : POUSSEE D’ARCHIMEDE

NOM ; Prénom : Classe : Date de l’évaluation : ..../......./.......

Appels

Vérifications

Evaluation

Appel n° 1

Préparation des éprouvettes conforme (Couleur et volume respectés)

*

Appel n° 2

Manipulation exécutée correctement

La masse ne frotte pas contre l’éprouvette

La masse est immergée complètement

* *

*

*

Appel n° 3

La courbe est tracé correctement

Le rapport V

PA

∆ vaut 10 000 et l’explication

de cette valeur est satisfaisante

La conclusion convenable

*

* *

*

Appel n° 4

Le calcul de PA est correct

Manipulation exécutée correctement

Le résultat de la manipulation est conforme à la théorie

*

* *

*

Appel n° 5

Remise en état du poste de travail

*


GRILLE D’EVALUATION GLOBALE

SUJET : POUSSEE D’ARCHIMEDE

NOM ; Prénom : Classe : Date de l’évaluation : ..../......./.......

Barème

Note

Evaluation pendant la séance

(Chaque étoile vaut 1 point)

14

Exploitation des résultats expérimentaux

Calcul de V , m et P

503 ,×

Explication des conditions de flottaison

2

Calcul du volume immergé

1

Calcul du %

1

Choix du schéma

0,5

TOTAL

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