Labo Maths-Sciences • Mécanique & Énergie
TP — Conservation de l'Énergie Mécanique sur Rampe
⏱ Durée : 55 min
1ère Pro / Bac Pro
Contexte Professionnel
L'étude de la conversion de l'énergie potentielle $E_p = mgh$ en énergie cinétique $E_c = \frac{1}{2}mv^2$ est essentielle pour concevoir les systèmes de sécurité dans l'industrie (chutes de charges, crash-tests automobiles, toboggans d'évacuation, chariots de manutention sans moteur).
Formules & Relations Clés
$E_p = m \cdot g \cdot h$
$E_c = \frac{1}{2} m v^2$
$E_m = E_c + E_p$
$v = \sqrt{2 g h}$
Matériel Réel Nécessaire (Paillasse de TP)
Rail / Banc de Dynamique 1,5m
Rampe inclinable graduée
Chariot + Masses Additionnelles
Masse totale réglable ($100\text{g}$ à $500\text{g}$)
2 Cellules Photoélectriques
Chronomètre au millième de seconde
Balance Électronique + Règle
Mesure masse $m$ et hauteur $h$
Consignes de Sécurité TP
- ⚠️ Butée d'arrêt obligatoirement installée : Placer un bloc amortisseur au bas du rail pour arrêter le chariot.
- ⚠️ Fixation des surcharges : Bien visser ou fixer les masses d'alourdissement sur le chariot pour éviter leur projection lors du choc.
- ⚠️ Dégager la trajectoire du chariot lors du lâcher.
Déroulement Expérimental — 6 Étapes Guidées
1
Mesure de la masse et Réglage de la Hauteur $h$
⏱ 8 min
- Peser le chariot avec sa surcharge sur la balance électronique. Noter sa masse $m$ en kg (ex: $0{,}25\text{ kg}$).
- Incliner le rail de guidage et mesurer la hauteur verticale $h$ entre le point de départ du chariot et le bas du rail (ex: $h = 0{,}20\text{ m}$).
2
Alignement de la Cellule Photoélectrique de Mesure
⏱ 5 min
- Fixer la cellule photoélectrique en bas de la rampe à l'altitude zéro ($h = 0$).
- Mesurer la largeur de la languette d'occultation fixée sur le chariot (ex: $d = 0{,}05\text{ m}$).
- Relier la cellule au chronomètre numérique réglé en mode "durée d'occultation $\Delta t$".
3
Lâcher du Chariot et Relevé de la Vitesse Instantanée
⏱ 8 min
- Placer le chariot au sommet sans lui donner de vitesse initiale ($v_A = 0$).
- Lâcher le chariot et relever la durée de passage $\Delta t$ affichée par le chronomètre.
- Calculer la vitesse instantanée de passage au bas de la rampe : $v = \frac{d}{\Delta t}$ (en m/s).
4
Calculs d'Énergie et Bilan
⏱ 8 min
- Calculer l'énergie potentielle initiale : $E_p = m \cdot g \cdot h$ (avec $g = 9{,}81\text{ N/kg}$).
- Calculer l'énergie cinétique au bas de la rampe : $E_c = \frac{1}{2} m v^2$.
- Comparer $E_c$ et $E_p$. Calculer la perte d'énergie thermique due aux frottements : $E_{frot} = E_p - E_c$.
Tableau de Relevé des Mesures Réelles du Labo
Saisissez vos mesures réelles ci-dessous| Essai N° | Masse $m$ (kg) | Hauteur $h$ (m) | $E_p = mgh$ (J) | Temps $\Delta t$ (s) | Vitesse $v$ (m/s) | $E_c = \frac{1}{2}mv^2$ (J) | Frottements $E_{frot}$ (J) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Essai 1 | 0.49 J | 1.92 m/s | 0.46 J | 0.03 J | |||
| Essai 2 (Surcharge) | 1.47 J | 2.38 m/s | 1.42 J | 0.05 J |
Compte-rendu — Bilan de TP & Interprétation des frottements
SIMULATION TEMPS RÉEL • RAMPE 60 FPS
ÉNERGIE POTENTIELLE
0.0 J
ÉNERGIE CINÉTIQUE
0.0 J
ÉNERGIE MÉCANIQUE
0.0 J
FROTTEMENT THERMIQUE
0.0 J
Défi Mode Masqué (Auto-Évaluation)
Observez la hauteur et la vitesse affichées par le simulateur, puis calculez l'énergie mécanique :
Paramètres de la Rampe
Hauteur $h$ :
2.0 m
Masse du mobile $m$ :
1.0 kg
Coefficient de frottement $\mu$ :
0.05
Valeurs Instantanées
Vitesse instantanée $v$ :
0.00 m/s (0 km/h)
Vitesse max théorique $v_{th}$ :
6.26 m/s
Taux de conservation :
100 %
Module Expérimental Hybride (Réel & Virtuel) • Propulsé par Labo Maths Sciences