Institut National de Recherche Pédagogique
Département Technologies nouvelles et éducation
Activités scientifiques avec l'ordinateur en sciences physiques (accueil)

Expérimenter sur modèles avec les outils de simulation
Des logiciels de simulation pour des activités scientifiques
Stella - Des questions de physique et de chimie
Interactive Physique - Des questions de mécanique
Raytrace - Des questions d'optique

Des questions de mécanique - Interactive Physique

Fonctionalités de base
Activités sur modèles
Pour aller plus loin

ACTIVITÉS SUR MODÈLES

Dans une première série d'essais auprès d'étudiants préparant le CAPES, nous avons centré l'activité sur des questions qualitatives principalement issues de travaux de didactique et pointant des difficultés conceptuelles ou de représentation chez les élèves et les étudiants. Ces activités étaient proposées aux étudiants après l'écrit du concours et visaient une aide pour la préparation à l'oral. L'activité était préparée avec des documents de type hypertexte donnant accès à des aides.

Dans la seconde série d'essais, l'activité a été proposée au moment de leurs révisions de mécanique en vue de l'écrit du concours. La forme adoptée a alors été celle d'un devoir comportant des aspects quantitatifs et des démonstrations sur différents systèmes. Le devoir était fourni sous forme papier, l'aide pour la réalisation ayant été incluse dans le fichier IP.hlp accessible depuis le logiciel.

Note : dans ce qui suit, les encadrés sur fond bleu clair correspondent aux documents fournis aux étudiants ou futurs professeurs.

 
Retour au début  Des questions qualitatives pour étudiants

Les documents nécessaires à cette activité

Documents hypertexte (Word 97) Fichier Interactive Physique (.ip)
Meca_intro.doc (32 Ko)
Meca1b.doc (90 Ko)
IP_aideb.doc (69 Ko)
PAPIERG.gif (4 Ko)
BANDE1.gif (4 Ko)
Singe02.ip (5 Ko)
Zazieas.ip (24 Ko)

sont regroupés dans le fichier téléchargeable  IP21.zip (91 Ko).

 
Retour  À propos du théorème du centre d'inertie

On considère le cas théorique de deux disques identiques pouvant se déplacer sans frottement sur une surface parfaitement horizontale. Les deux disques sont initialement immobiles et on exerce une force constante sur chacun d'eux.
Les deux forces sont identiques en direction, sens et intensité, mais sont appliquées en des points différents : en un point quelconque (premier cas) et au centre d'inertie (second cas).

Quel disque arrivera le premier à droite ? Proposez votre réponse puis construire la situation avec Interactive Physique pour la confronter avec la réponse du modèle.

Image139.gif (1782 octets)

 
Retour  Histoires de pendule

Un pendule simple constitué d'une masse attachée à une tige rigide de masse négligeable oscille autour d'un axe fixe. On suppose que sur les durées observées, l'effet des frottements solides et fluides est négligeable.
  • Quelles sont les forces (nature, direction, sens) qui s'exercent sur la masse aux instants représentés ci-dessous ? Proposez une réponse sur le papier puis construire un tel pendule avec Interactive Physique et comparez vos résultats aux représentations des forces fournies par la simulation.

PENDULS.gif (2949 octets)

  • On considère la situation où le pendule est initialement à sa position d'équilibre. Quelle vitesse initiale doit-on imposer pour que le pendule fasse un tour complet ? Cette vitesse dépend-elle de la masse ?
  • Faites une estimation en prenant une valeur simple de la longueur OG puis essayez de lancer le pendule en spécifiant la valeur calculée pour la vitesse.
  • On veut réaliser la même expérience avec un pendule constitué de la même masse mais accrochée à un fil inextensible. Les résultats précédents sont-ils les mêmes ? Que répondez-vous ? Que dit le modèle ?

 
Retour  Le singe et le chasseur

Un singe assis sur une branche est visé par un (vilain) chasseur muni d'un arc et de flèche. Ce dernier vise le signe dans l'alignement de la flèche qu'il va décocher. Mais à l'instant précis où il lâche la corde, le singe se laisse tomber de sa branche pour échapper à la mort.
  • Va-t-il ainsi y parvenir ? Toujours, jamais, à condition ?
  • Construire le système flèche + singe et comparer votre réponse à celle du modèle. (On pourra utiliser le fichier Singe02.ip).
  • Quelle est la trajectoire de la flèche dans le référentiel du singe ?

  
Retour  Zazie dans l'ascenseur

Zazie est dans un ascenseur panoramique qui la ramène du 20e étage d'une tour. Alors qu'elle passe devant le dixième étage, Zazie voit un pot de fleur se détacher d'un balcon juste en face.
Quelle est la trajectoire du pot de fleur pour Zazie ?

Construire la situation en utilisant les objets d'Interactive Physique ou avec les objets du fichier Zazieas.ip : système en translation rectiligne uniforme, objet en chute, changement de référentiel et comparez vos prévisions aux réponses du modèle…

Image142.gif (3486 octets)


 
Retour au début  Un devoir de mécanique pour de futurs professeurs

Les documents nécessaires à cette activité

Documents hypertexte (Word 97) Fichier Interactive Physique (.ip)
Devoir1.doc (42 Ko)
IP_aide_devoir.doc (103 Ko)
Singe.ip (5 Ko)
Esquimau.ip (5 Ko)
Ascense.ip (18 Ko)
Bascul.ip (6 Ko)
Resonan.ip (7 Ko)

sont regroupés dans le fichier téléchargeable  IP22.zip (75 Ko).


 
Retour au début  Une activité en TS et en CPGE (Classes préparatoires aux grandes écoles) :
favoriser une recherche "ouverte"

Les exemples proposés portent sur les trajectoires dans un champ constant, les changements de référentiels, les oscillateurs. Selon la classe concernée, les situations sont proposées en mécanique du point (en TS et en PCSI) ou en mécanique du solide (en PC).

Le travail en autonomie est favorisé par la présence, sous forme de page HTML, de guides et d'aides portant sur le logiciel, les questions de méthode et de physique (visible en haut de chaque page). L’écran est partagé en deux fenêtres, l’une contenant la page précédemment décrite, l’autre contenant le logiciel Interactive Physique.

Après une description de l’environnement à étudier, la question proposée est très ouverte, pour inciter l’étudiant à un questionnement pertinent.

Pour quelques exemples proposés, après une période de réflexion-essai-erreurs, un " guidage "(des pages HTML imbriquées) est proposé pour permettre à l’étudiant de vérifier si tous les points intéressants ont été abordés.

Une étude théorique est souvent demandée et un compte-rendu termine l’activité.

Dans la pratique, le tiers gauche de l'écran est occupé par l'énoncé du sujet à traiter, les aides et/ou guides associés, alors que les 2/3 restants de l'écran sont réservés au logiciel Interactive Physique. Ainsi, l'étudiant peut travailler simultanément dans les deux fenêtres (cliquer ici pour voir une copie d'écran).

La liste ci-dessous détaille le contenu de chaque exemple proposé.

Consulter toute l'activité

Pour les enseignants qui souhaitent recevoir les documents contenant les solutions (exercices répertoriés ci-dessous par "Fichier solution" non barré), envoyer un message électronique à letouze@inrp.fr

L'oscillateur élastique horizontal

L'objectif de cette étude est la détermination qualitative et quantitative des paramètres ayant une influence sur la période des oscillations d'un "pendule élastique" horizontal en l'absence de tout frottement (support ou résistance de l'air).

Une étude complémentaire porte sur la périodicité des échanges d'énergie pendant les oscillations libres non amorties.

Les aides sont adaptées à cette séquence. Le fichier réponse est au format PDF, l'élève doit le compléter en faisant "fonctionner" le modèle (fichier Interactive physique). Des connaisances de références ou des éléments de réponses sont également utilisables (par exemple sur la méthode d'Euler).

L'oscillateur pendule simple

L'objectif de cette étude est la détermination qualitative et quantitative des paramètres ayant une influence sur la période des oscillations d'un "pendule simple".

Une étude préliminaire permet de détailler le modèle utilisé (forces et conditions).

Une étude complémentaire permet une visualisation de la périodicité des échanges d'énergie pendant ce mouvement et introduit les frottements par la dissipation d'énergie (résistance de l'air).

Les aides sont adaptées à cette séquence. Le fichier réponse est au format PDF, l'élève doit le compléter en faisant "fonctionner" le modèle (fichier Interactive physique). Des connaisances de références ou des éléments de réponses sont également utilisables.

L'oscillateur amorti en oscillations forcées

Cette simulation présente les oscillations forcées d'un système masse + ressort.

Une première partie permet de détailler le modèle utilisé (forces et conditions) et de faire une description qualitative du phénomène. Une deuxième partie permet une construction de la courbe de résonance

Le " guide " permet à l’élève de vérifier si toutes les "observations" sont faites, et un fichier réponse au format PDF est disponible.

Les cylindres et la plaque

Cet exemple complet permet d’étudier le mouvement d’une plaque entraînée par deux cylindres en rotation. L’étude peut porter sur le glissement, sur l’influence des conditions initiales, sur l’hypothèse d’une plaque mince ou épaisse.

Le " guide " permet à l’étudiant de vérifier si toutes les observations sont faites, puis donne un enchaînement pour la partie théorique.

Les aides sont adaptées spécialement à cette séquence et le fichier réponse au format PDFcontient le schéma et les axes.

Le cerceau

Cet exemple permet l’étude des conditions initiales nécessaires au mouvement " rétro " du cerceau. Ensuite, l’observation de la simulation permet de constater le changement de régime.

Le fichier IP est à construire par l’étudiant. Les guides et aides spécifiques à cet exemple sont en cours de réalisation.

Un fichier IP avec la solution est néanmoins fourni, ainsi que les références pour élaborer la solution théorique.

Le disque sur un plan incliné

Cet exemple complet permet d’étudier le mouvement d’un disque lancé du bas d’un plan incliné vers le haut, sa mise en rotation, le demi-tour en haut du plan. L’observation de la simulation permet de constater le changement de régime.

Le " guide " permet à l’étudiant de vérifier si toutes les observations sont faites, puis donne un enchaînement pour la partie théorique avec des éléments de la réponse.

Le fichier IP est à construire par l’étudiant.

Les aides sont adaptées spécialement à cette séquence et le fichier réponse au format PDF contient un schéma, des axes et quelques indications supplémentaires.

Les deux disques

Cet exemple traite une situation-problème pas tout à fait évidente mais qui doit être bien comprise des étudiants de PCSI ou MPSI.

Le fichier IP est complet.

L’observation du résultat de la simulation débouche sur la recherche de la justification qui ne s’appuie que sur le théorème du centre d’inertie.

Les rebonds d’une balle sur un plan horizontal

Cet exemple permet plus d’étudier le fonctionnement du logiciel que le mouvement de la balle, mouvement assez bien connu des étudiants de PCSI ou MPSI.

C’est une façon de prendre en main IP, à utiliser sous forme de démonstration par le professeur suivi d’une première application par les étudiants. L’importance du choix du pas de calcul est mise en évidence.

Le fichier IP est complet : plan, balle et graphes à commenter. Les guides et aides spécifiques à cet exemple sont en cours de réalisations, en fait c’est la démonstration faite par le professeur qui les remplace.

L’observation de la simulation débouche sur l’identification des courbes donnant les énergies et sur une première approche des lois du frottement.

Le détecteur de mouvement

Cet exemple complet permet d’étudier les oscillations d’un système masse + ressort + amortisseur enfermé dans une cage en mouvement. Le résultat peut être visualisé dans deux référentiels différents.

Le fichier IP est complet. Les guides et aides spécifiques à cet exemple sont progressives. L'activité se termine par la réalisation du programme résolvant l'équation différentielle du mouvement (on utilise le langage Maple).

Galilée

Cet exemple permet d’étudier les conclusions d’un texte de Galilée concernant les mouvements dans des référentiels en mouvement.

Le fichier IP est complet et l’étude proposée vise à reproduire les conditions de l’expérience de Galilée : choix de la vitesse initiale, choix du référentiel.

L’étude théorique termine cet exemple dans le cas d’un référentiel en mouvement uniformément accéléré.

Singe

Cet exemple permet de constater un résultat tout en fixant de façon claire les conditions du problème.

Le fichier IP est complet et l’étude proposée vise à reproduire ces conditions : choix de la vitesse initiale et surtout de sa direction, choix du référentiel.

L’étude théorique permet ensuite de vérifier la capacité à traduire en équation les conditions de l’expérience.

Résonance

Cet exemple permet des investigations sur modèle en utilisant tous les paramètres intervenant sur le mouvement.

Le fichier IP est complet.

L’étude théorique, très longue, pose l’ensemble des questions relatives à ce sujet.

 

Histoires de ressort

Cet exemple illustre les oscillations d’un système qui peut se désolidariser selon les conditions initiales.

Un questionnaire guide les observations, puis donne un enchaînement pour la partie théorique.(un fichier réponse donne les notations à utiliser et un schéma détaillé).

La plaque

Cet exemple illustre les oscillations d’un système selon les frottements sur un cylindre en mouvement.

Le fichier IP existant permet de préciser le problème et des références pour retrouver la solution sont données

Judoka

Ce modèle fait intervenir des actions de contact qui pourraient expliquer certains gestes d’un judoka.

L’étude permet de déterminer si le basculement autour de l’arête s’accompagne d’un glissement et une étude théorique complète peut être faite.

Inuit glissant

Le problème d’une sphère glissant sur une autre sans frottement est illustré sur cet exemple : l’intérêt de ce modèle est la détermination de la date du décollage, en plus de l’angle auquel a lieu ce décollage.

L’étude théorique demandée est très classique, elle permet de vérifier la validité du modèle. L'importance du pas de calcul peut être évoquée.

 

Inuit roulant ! !

Le problème d’une sphère roulant sur une autre avec frottement est illustré sur cet exemple : l’intérêt de ce modèle est la détermination de la date du décollage, en plus de l’angle auquel a lieu ce décollage. Mais on constate l’apparition d’un glissement.

La bonne compréhension des différentes représentations graphiques(ici à propos des valeurs des composantes de la réaction), permet de bien comprendre l’apparition du glissement.

L’étude théorique demandée est corrigée dans le manuel de Physique de Paul ROUX ( page 119 Mécaniques des systèmes matériels solides et fluides, chez Ellipses).

Zazie dans l’ascenseur

Une balle est lâchée par une personne hors de l’ascenseur alors que celui-ci passe à sa hauteur. L’étude envisage le mouvement de la balle vue de l’intérieur de l’ascenseur (paroi en verre bien sûr).

Le fichier IP est complet, l’étudiant doit choisir la vitesse de la balle et il peut changer de référentiel. La vitesse de l’ascenseur est constante.

Zazie dans l’ascenseur(bis)

Une balle est lâchée dans un ascenseur au repos et rebondit sur le sol. Au même instant une autre balle, identique à la première est lâchée dans un ascenseur en mouvement uniforme.

Le fichier IP est complet, l’étudiant doit choisir la vitesse de la balle et il peut changer de référentiel.

L’étude consiste à comparer les deux mouvements dans les deux référentiels. La solution est donnée sous forme de représentations graphiques permettant d’observer les lois horaires sur une verticale, mais en prenant comme origine des espaces un point du sol de chaque ascenseur pour pouvoir comparer les deux mouvements (la solution pouvant être masquée ou non).

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INRP-TECNE
Unité Informatique et enseignement
17/10/2002