Voici le corrigé du TP sur la loi de Newton : résultats types du chariot tiré par une masse, graphique tracé, réponses détaillées et compte rendu modèle. Tes valeurs peuvent légèrement différer selon les frottements du rail et la précision de ton chronométrage.
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Résultats types : corrigé du TP sur la loi de Newton
Mesures obtenues pour d = 0,800 m, M = 0,550 kg et g = 9,8 N/kg.
| ms (g) | F (N) | t1 (s) | t2 (s) | t3 (s) | t moyen (s) | a (m/s2) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 10 | 0,098 | 3,04 | 3,01 | 3,00 | 3,02 | 0,175 |
| 20 | 0,196 | 2,14 | 2,12 | 2,13 | 2,13 | 0,353 |
| 30 | 0,294 | 1,75 | 1,73 | 1,74 | 1,74 | 0,529 |
| 40 | 0,392 | 1,50 | 1,49 | 1,48 | 1,49 | 0,721 |
| 50 | 0,490 | 1,36 | 1,35 | 1,34 | 1,35 | 0,878 |
Réponses aux questions
- F = ms × g : 0,098 ; 0,196 ; 0,294 ; 0,392 ; 0,490 N. Pour le système {chariot, masses, masse suspendue}, la tension du fil est une force intérieure (elle s’exerce entre deux parties du système) ; les forces extérieures qui travaillent dans la direction du mouvement se réduisent au poids de la masse suspendue, car le poids du chariot est compensé par la réaction du rail.
- Parti du repos avec a constante, le chariot parcourt d = ½ × a × t2, donc a = 2d ÷ t2. Exemple : a = 2 × 0,800 ÷ 3,022 = 1,600 ÷ 9,12 = 0,175 m/s2.
- Le graphique est une droite passant (presque) par l’origine : l’accélération est proportionnelle à la force résultante, ce qui est conforme à la deuxième loi de Newton.
- Coefficient directeur : (0,878 − 0) ÷ (0,490 − 0) ≈ 1,8 m/s2 par newton, soit 1,8 kg−1 ; c’est 1 ÷ M.
- M = 1 ÷ 1,8 ≈ 0,56 kg. Valeur mesurée à la balance : 0,550 kg. Écart relatif : (0,56 − 0,55) ÷ 0,55 ≈ 1 à 2 %, très faible.
- On déplace les masses pour que la masse totale M reste constante : sinon, a changerait à cause de la masse et de la force à la fois, et on ne pourrait pas étudier l’effet de la force seule.
- Les petites différences viennent des frottements résiduels du rail et de la poulie (qui diminuent a), de la masse du fil et de la poulie, et de l’incertitude du chronométrage (réaction de l’opérateur, environ 0,05 s).
- On garde F constante (même masse suspendue) et on fait varier la masse du chariot en ajoutant des masses : on trace a en fonction de 1 ÷ M et on vérifie un alignement passant par l’origine.
Conclusion et compte rendu modèle
Nous avons étudié le mouvement d’un chariot de 0,500 kg tiré par une masse suspendue, en gardant la masse totale du système constante, M = 0,550 kg. En faisant varier la masse suspendue de 10 g à 50 g, la force motrice F = ms × g est passée de 0,098 N à 0,490 N. Nous avons mesuré la durée t de parcours d’une distance d = 0,800 m, répétée trois fois, puis calculé l’accélération a = 2d ÷ t2, qui varie de 0,175 à 0,878 m/s2. Le graphique de a en fonction de F est une droite passant par l’origine : a est proportionnelle à F. Le coefficient directeur vaut 1,8 kg−1, ce qui donne une masse M ≈ 0,56 kg, en accord avec la mesure à la balance (0,550 kg) à environ 1 % près. Ces résultats vérifient la deuxième loi de Newton ΣF = M × a. Les principales sources d’erreur sont le chronométrage manuel et les frottements du rail.
Erreurs fréquentes en TP
- Changer la masse totale du système en ajoutant des masses sans les retirer du chariot.
- Oublier de convertir les grammes en kilogrammes avant de calculer F = m × g.
- Utiliser a = d ÷ t2 au lieu de a = 2d ÷ t2.
- Ne pas répéter les mesures de durée et ne pas calculer la moyenne.
- Laisser le fil oblique : la force n’est alors plus parallèle au rail.