Balle sur une rampe : énergie sur une pente sans friction
1 · Prédire
Une balle plus lourde et une balle plus légère sont chacune libérées du repos à la même hauteur sur une rampe sans friction. Lequel atteint le fond le plus rapidement ?
- La balle la plus lourde atteint le fond plus rapidement.
- Les deux balles atteignent le fond à la même vitesse.
- La balle la plus légère atteint le fond plus rapidement.
2 · Configurer
- Ouvrez le préréglage Inclinaison. Notez l'angle d'inclinaison de la rampe, la masse de la balle et sa hauteur de départ au-dessus de la base de la rampe.
- Utilisez l'Inspecteur pour définir la masse de la balle et l'angle de la rampe pour cet essai, et notez la hauteur de départ verticale de la balle au-dessus de la base de la rampe.
- Exécutez la simulation et enregistrez la vitesse de la balle (sonde) au moment où elle atteint le bas de la rampe.
3 · Collecter les Données
| Messe (kg) | Angle de rampe (°) | Hauteur de chute (m) | PE gravitationnelle (J) | Vitesse en bas (m/s) |
|---|---|---|---|---|
| 1.00 | 15.00 | 0.30 | ||
| 1.50 | 25.00 | 0.50 | ||
| 2.00 | 35.00 | 0.70 |
Graphiquez la vitesse en bas (axe des y) par rapport à la hauteur de départ (axe des x) pour vos trois essais. La relation est-elle une ligne droite ?
4 · Analyser
- Pour chaque ligne, calculez 1/2 m v^2 en utilisant votre vitesse de fond mesurée. Comparez-le à la colonne Gravitational PE. Que remarquez-vous ?
- Vos trois essais utilisent des angles de rampe différents. Le simple changement d'angle, avec la même hauteur de départ, change-t-il la vitesse finale ? Utilisez la conservation de l’énergie pour expliquer pourquoi ou pourquoi pas.
5 · Approfondir
- Votre colonne Gravitational PE dépend de la masse, mais pas la vitesse finale mesurée. Expliquez pourquoi une balle plus lourde n'atteint pas le fond plus rapidement qu'une balle plus légère sur une rampe sans friction.
- Une vraie rampe a une certaine friction, et une vraie balle qui roule doit également dépenser une partie de son énergie à tourner pendant qu'elle roule. Vous attendriez-vous à ce que la vitesse finale d’une balle réelle soit supérieure ou inférieure à votre prédiction sans friction ? Pourquoi ?
La physique derrière cette expérience
Énergie potentielle gravitationnelle
La hauteur de la balle au-dessus de la base de la rampe stocke le PE gravitationnel avant sa libération – le budget énergétique qui se transforme en mouvement lorsqu'elle roule.
Énergie cinétique
Sur une rampe sans friction, tout le PE de départ s'est converti en KE au moment où la balle atteint le fond, ce qui fixe sa vitesse finale.