PHYS 1405 – Physique conceptuelle I
Laboratoire#. 2
La loi de Hooke
Investigation : Comment la force ressentie par un ressort varie-t-elle lorsque nous l’étirons, et comment pouvons-nous déterminer la « rigidité » d’un ressort ?
Ce qu’il faut mesurer : La distance à laquelle un ressort est étiré, la force ressentie par le ressort
Les appareils de mesure : Un bâton de mesure, un capteur de force, deux ressorts inconnus
Calculs : La constante du ressort
INTRODUCTION
Dans la première partie de cette unité, nous allons discuter et nous familiariser avec les forces. En termes simples, une force est une poussée ou une traction. Certaines forces impliquent que les choses se touchent (forces de contact), tandis que d’autres ne nécessitent pas de contact (forces à distance). Dans cette expérience, nous allons étudier les forces exercées sur et par un ressort. Ces forces ont été étudiées pour la première fois par le physicien britannique Robert Hooke, et l’équation qu’il a utilisée pour décrire ce qu’on appelle la « force élastique » a été baptisée loi de Hooke :
FSpring= -kx
Dans cette équation, F est la force exercée par quelque chose qui étire ou comprime le ressort, et x est la distance à laquelle le ressort est étiré ou comprimé par rapport à sa position de « repos ». La lettre k représente la « constante du ressort », un nombre qui nous indique essentiellement la « rigidité » d’un ressort. Si la valeur de k est élevée, cela signifie qu’une force plus importante est nécessaire pour étirer le ressort sur une certaine longueur que pour étirer un ressort moins rigide sur la même longueur. Une fois que vous avez déterminé la constante de rappel d’un ressort, vous pouvez utiliser cette valeur k pour tous les calculs futurs, à moins que le ressort ne soit endommagé d’une manière ou d’une autre.
Le signe négatif est dans l’équation parce que la force est une quantité avectorielle. Le signe négatif nous indique que la direction de la force élastique est toujours opposée à la direction du mouvement d’étirement. En d’autres termes, si vous étirez un ressort vers le bas, vous sentez que le ressort tire vers le haut. Si vous voulez étirer le ressort et le maintenir en place, vous devez appliquer la même quantité de force que le ressort, mais dans le sens opposé. Autrement dit, pour étirer un ressort avec une constante k sur une distance x et le maintenir en équilibre, vous devez appliquer une force constante dont la taille est donnée par
FApplied= +kx
Cette force que vous appliquez équilibre exactement la force opposée exercée par le ressort, pour atteindre une situation d’équilibre. Dans cette expérience, nous allons exploiter ce faitpour trouver les valeurs des constantes élastiques de deux ressorts.
PART 1 : Propriétés générales
Notez que vous disposez de deux ressorts pour ce laboratoire, de couleur verte et bleue. Le ressort vert devrait déjà être suspendu à côté du bâton de mesure. Le ressort est suspendu à un dispositif appelé capteur de force, qui est relié à l’ordinateur. Le capteur indiquera à l’ordinateur exactement la force (mesurée en newtons) que ressent le ressort.
Nous n’utiliserons pas le capteur pour cette partie du laboratoire. Tirez juste un peu sur chaque ressort (ne tirez aucun des deux jusqu’à ses limites !). Tirez chaque ressort à 10 centimètres de sa position de » repos « .
Question 1 : Quel ressort est le plus difficile à étirer ? Selon vous, quel ressort aura la constante de rappel la plus élevée ?
Question 2 : Lorsque vous tirez sur le ressort et que vous le tenez, vous devez sentir une force exercée sur vous par le ressort. Comment cette force se compare-t-elle à la force que vous appliquez ? Qu’est-ce qui vous fait dire cela ?
Question 3 : Si vous lâchez le ressort, que va-t-il lui arriver ? Expliquez pourquoi, en termes de forces.
PART 2 : Le ressort vert
La première chose à faire est de calibrer le capteur de force,afin qu’il ne lise que la force que nous exerçons sur le ressort, et aucune autre force. Accrochez le ressort vert au capteur de force, à côté du bâton de mesure. N’étirez pas encore le ressort. Appuyez sur le bouton « Collecter » sur l’écran de l’ordinateur et laissez le capteur enregistrer les données pendant un court instant. Sélectionnez cinq points de données et faites-en la moyenne.
Question 4 : Quelle est la taille de la force ressentie par le ressort non étiré ? D’où vient cette force ?
Il est important de découvrir quelle est cette force non étirée, car dans ce laboratoire, nous sommes uniquement concernés par la force que vous exercez sur le ressort. Si vous deviez tirer sur le ressort maintenant, le capteur de force enregistrerait à la fois la force que vous exercez et la force que ressent le ressort non étiré. Nous pouvons nous débarrasser de cette force » supplémentaire » en remettant le capteur de force à zéro avec le ressort. Avec le ressort suspendu au capteur de force, cliquez sur le bouton « Zero » qui se trouve à côté du bouton « Collect ». Lorsque vous appuyez à nouveau sur le bouton « Collect », le capteur doit afficher une valeur proche de 0,000.
Une fois que vous avez remis à zéro le capteur de force, cliquez sur le bouton « Collect » et étirez progressivement le ressort. La force ressentie par le ressort s’affichera sur le graphique, et sous la forme d’un flux de chiffres à droite de l’écran.
Question 5 : Comment la force change-t-elle avec la distance d’étirement ? Expliquez ce comportement en fonction de la loi de Hooke.
Étirez maintenant le ressort à 10 centimètres au-delà de sa « longueur de repos ». Cliquez sur le bouton de collecte et recueillez quelques secondes de données. Il est très important de garder l’extrémité du ressort stable à tout moment. Les valeurs de la force doivent apparaître dans le tableau de données à droite de l’écran. Faites la moyenne de cinq valeurs et déterminez la force que vous avez exercée sur le ressort. En divisant cette force par la distance étirée (10 cm), vous devriez obtenir la constante de rappel du grand ressort, en unités de newtons par centimètre (N/cm).
Répétez vosrobservations pour 20, 30, 40 et 50 centimètres. Calculez une valeur pour la constante du ressort au fil du temps. Faites la moyenne des six valeurs de la constante du ressort. Construisez un tableau de données avec les informations suivantes pour chaque essai : distance étirée (x en cm),force moyenne (F en N), constante du ressort (en N/cm).
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Distance (cm) |
Force. (N) |
k (N / cm) |
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10 |
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20 |
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30 |
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40 |
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50 |
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Moyenne = |
PART 3 : Ressort bleu
Retirez le ressort vert du capteur de force et remplacez-le par le ressort bleu. Mettez à zéro le capteur avec le ressort bleu qui y est suspendu. Prenez des mesures de force pour des étirements de 10, 20, 30, 40 et 50 centimètres. Déterminez une valeur de constante de ressort pour tous les essais, puis une constante de ressort moyenne. Créez un tableau de données comme vous l’avez fait dans la partie 2 pour ce ressort.
Question 6 : Quel ressort était le plus rigide ? Quel ressort avait réellement la constante de ressort la plus élevée ?
PART 4 : Graphiques
Créez deux graphiques pour terminer le rapport de laboratoire, un pour chaque ressort. Sur chaque graphique, l’axe des x sera la distance étirée et l’axe des y sera la force ressentie par le ressort. Inscrivez autant de points de données que possible sur chaque graphique. Tracez la meilleure ligne possible à travers tous les points de données. Calculez la pente (montée/descente) pour chaque ligne.