Buts du cours

Rendre l'adulte apte à traiter efficacement des situations des familles Recherche et Expertise où il est possible de décrire le mouvement des objets ou de représenter la déviation de la trajectoire de la lumière à l'aide de la géométrie.

Au terme de ce cours, l'adulte sera en mesure:
  • de mettre en oeuvre une démarche d'investigation intégrant une expérimentation qui lui permet de résoudre un problème de cinématique ou d'optique géométrique;
  • d'analyser un phénomène ou une application technologique impliquant le mouvement d'un objet ou encore la déviation de la lumière par un dioptre ou un miroir;
  • de prédire la portée et la hauteur maximale d'un projectile ou la position et les caractéristiques d'une image formée par un miroir ou une lentille;
  • de préparer, en étant guidé par des consignes, un protocole expérimental pour répondre à une question liée au mouvement d'un objet ou à la déviation de la lumière;
  • de rédiger, à l'aide d'un canevas, un rapport de laboratoire en lien avec la cinématique ou l'optique géométrique.

Concepts prescrits

Tous les concepts de ce cours s'inscrivent dans l'univers matériel.

Concept général: Cinématique

Les changements de position, les vitesses et les accélérations sont considérés comme des grandeurs vectorielles et les opérations sur celles-ci doivent être maîtrisées. Les mouvements complexes, comme celui des projectiles, sont décomposés en mouvements plus simples.

Pour les expériences avec la robotique, consultez les liens suivants:

Changements de vitesse

  •  Identifier des mécanismes permettant des variations de vitesse dans la conception d'objets techniques.

Mouvement rectiligne uniforme 

  • Relation entre la vitesse, la distance et le temps. 
    • Décrire qualitativement la relation entre la vitesse, la distance et le temps.
    • Appliquer la relation mathématique entre la vitesse constante, la distance et le temps. 
  • Relation entre la position par rapport à l'origine, la vitesse et le temps.
    • Expliquer qualitativement et à l'aide d'un graphique la relation entre la position d'un objet par rapport à l'origine (déplacement), sa vitesse et le temps pendant lequel il est mouvement.
    • Appliquer la relation mathématique entre la position par rapport à l'origine, la vitesse et le temps dans une situation donnée. 
  • Déplacement et distance parcourue.
    • Distinguer le déplacement de la distance parcourue.

    Système de référence

    • Choisir un système approprié à la situation.

    Mouvement rectiligne uniformément accéléré

    Expérience avec la robotique:
    Le mouvement rectiligne uniformément accéléré (MRUA): http://robotiquenxt.wordpress.com/2011/05/24/le-mouvement-rectiligne-uniformement-accelere/
    • Relation entre l'accélération, la variation de la vitesse et le temps.
      • Expliquer qualitativement et à l'aide d'un graphique la relation entre l'accélération d'un corps, la variation de sa vitesse et le temps pendant lequel elle varie.
      • Appliquer la relation mathématique entre l'accélération, la variation de la vitesse et le temps dans une situation donnée. 
    • Relation entre l'accélération, la distance parcourue et le temps.
      • Expliquer qualitativement et à l'aide d'un graphique la relation entre l'accélération d'un corps, la distance qu'il a parcourue et le temps écoulé.
      • Appliquer la relation mathématique entre l'accélération, la distance parcourue et le temps dans une situation donnée. 
    MRU vs MRUA: Activité mettant en scène un robot policier et un robot en excès de vitesse. Comparaison des représentations graphiques du mouvement rectiligne uniforme et du mouvement rectiligne uniformément accéléré:  http://robotiquenxt.wordpress.com/2011/05/24/mru-vs-mrua/
    • Vitesse moyenne et vitesse instantanée.
      • Expliquer la distinction entre vitesse moyenne et vitesse instantanée.
      • Déterminer la vitesse instantanée d'un objet.
      • Déterminer la vitesse moyenne d'un objet.
    • Chute libre. Expérience: http://robotiquenxt.wordpress.com/2011/05/25/la-chute-libre/
      • Expliquer qualitativement et à l'aide d'un graphique le mouvement d'un corps en chute libre (position, déplacement, vitesse moyenne, vitesse instantanée, accélération).
      • Déterminer la position, le déplacement, la vitesse moyenne, la vitesse instantanée ou l'accélération d'un corps en chute libre.
    • Mouvement d'un corps sur un plan incliné.
      • Expliquer qualitativement et à l'aide d'un graphique le mouvement d'un corps sur un plan incliné (position, déplacement, vitesse moyenne, vitesse instantanée, accélération).
      • Déterminer la position, le déplacement, la vitesse instantanée, la vitesse moyenne ou l'accélération d'un corps sur un plan incliné.

    Mouvement des projectiles

    Les mouvement complexes, comme celui des projectiles, sont décomposés en mouvements plus simples.
    • Expliquer le mouvement d'un projectile (combinaison d'un mouvement rectiligne uniforme et d'un mouvement rectiligne uniformément accéléré).
    • Déterminer la position, le déplacement, le temps écoulé ou la vitesse instantanée d'un projectile.

    Concept général: Optique géométrique

    Les notions portent sur les phénomènes qui concernent la trajectoire de la lumière, en particulier les déviations qu'elle subit en présence d'obstacles tels que la surface de l'eau, les miroirs et les lentilles. L'optique s'appuie sur le concept de rayon lumineux, une construction théorique indiquant la direction de la propagation de la lumière.

    Lien se rapportant au cours d'Optique du programme de 1996. L'intérêt se trouve dans les animations et les vidéos sur les notions à l'étude.

    Lois de Snell-Descartes

    Les lois énoncées par Snell et Descartes permettent de prédire, de façon qualitative et quantitative, les phénomènes de réflexion et de réfraction observés lorsqu'un ensemble de rayons lumineux (faisceau incident) atteint la surface de séparation de deux milieux différents. L'une de ces lois permet de calculer l'indice de réfraction de chaque milieu transparent traversé par la lumière. 

    Biographie de Willebrord Snell (1580 - 1626) sur Wikipedia.
    Biographie de René Descartes (1596 - 1650) sur Wikipedia.
    Malgré que la loi porte les deux noms, les hommes n'ont pas travaillé ensemble. Les lois de la réflexion et de la réfraction avaient été découvertes dans les civilisations arabes, mais Snell et Descartes les ont redécouvertes chacun de leur côté, mais à peu près au même moment. Bien qu'ils pouvaient décrire et démontrer expérimentalement cette lois, les mathématiciens et physiciens de l'époque ne pouvait l'expliquer théoriquement. Les travaux de Fermat, puis, bien plus tard, les expériences de Foucault et Fizeau ont apporté des explications sur le comportement de la lumière. Voir plus d'explications sur des ouvrages ou sites spécialisés.

    Réflexion
    • Rayon incident et rayon réfléchi
      • Définir un rayon lumineux comme étant une construction théorique indiquant la direction de la propagation de la lumière;
      • Identifier les rayons indicent et réfléchi sur une représentation schématique ou dans une situation réelle;
      • Distinguer la réflexion diffuse de la réflexion spéculaire dans diverses situations.
    • Angle d'incidence et angle de réflexion
      • Mesurer les angles d'incidence et de réflexion sur une représentation schématique ou de façon expérimentale;
      • Expliquer un phénomène, de manière qualitative et quantitative, à l'aide de la loi de la réflexion (ex.: déterminer la hauteur minimale d'un miroir qui permet de voir son corps en entier)
    Réfraction
    Expérience sur la loi de la réfraction: http://robotiquenxt.wordpress.com/2010/12/15/la-refraction-avec-nxt/
    • Rayon incident et rayon réfracté
      • Identifier les rayons incident et réfracté sur une représentation schématique ou dans une situation réelle.
    • Angle d'incidence et angle de réfraction
      • Mesurer les angles d'incidence et de réfraction sur une représentation schématique ou de manière expérimentale.
    • Indice de réfraction
      • Définir l'indice de réfraction d'un milieu comme étant le rapport entre la vitesse de propagation de la lumière dans ce milieu par rapport à sa vitesse dans le vide (n=c/v)
      • Déterminer de façon expérimentale ou mathématique l'indice de réfraction de divers milieux.
      • Expliquer un phénomène de façon qualitative et quantitative à l'aide de la loi de la réfraction. 
      • Expliquer le phénomène de réflexion totale interne (ex.: mirage, fibre optique).

    Images

    La réflexion et la réfraction sont associées à divers phénomènes et sont à la base d'applications courantes. L'utilisation de lentilles minces (convergentes, divergentes) et de miroirs (plans, sphériques) permet d'observer les objets microscopiques ou lointains ou encore de corriger certains défauts de vision. :es manipulations seront l'occasion de distinguer les images réelles des images virtuelles et d'étudier la relation qui permet de calculer et de prévoir la position et la grandeur de l'image en fonction de celles de l'objet.

    • Types d'images (réelle, virtuelle)
      • Expliquer la distinction entre image réelle et image virtuelle.
    • Caractéristiques de l'image (grandissement, position)
      • Décrire de façon qualitative les caractéristiques de l'image obtenue dans une situation donné (miroirs et lentilles).
      • Appliquer les relations mathématiques qui permettent de déterminer la position et la grandeur d'un objet ou de son image dans le cas des miroirs ou des lentilles.

    Expériences avec la robotique, documentation supplémentaire

    Adapter les expériences du programme actuel en physique avec les expériences proposés dans le blogue de robotique.

    Ressources

    Expériences avec Logger Pro faites à la Commission Scolaire des Laurentides: http://rbeauchamp.profweb.ca/labpro/projet.html
    Évaluer les ressources suivantes:

    But du cours

    Rendre l'adulte apte à traiter efficacement des situations des familles Recherche et Expertise, qui concernent l'application de forces sur un corps, le concept de travail ou celui d'énergie mécanique.

    Au terme de ce cours, l'adulte sera en mesure:
    •  de mettre en oeuvre une démarche d'investigation intégrant une expérimentation qui lui permet de résoudre un problème lié à l'application de plusieurs forces sur un corps ainsi qu'aux aspects énergétiques qui lui sont associée;
    • d'analyser un phénomène ou une application technologie liés aux concepts de force et d'énergie mécanique;
    • de prédire les conséquences de l'application d'une force sur un corps à l'aide des lois de Newton;
    • de vérifier le principe de conservation de l'énergie mécanique dans un phénomène ou une application;
    • de suivre un protocole expérimental qu'il a lui-même préparé et qui traite de l'action d'une ou plusieurs forces sur un corps sous l'angle ou non de l'énergie mécanique en cause;
    • de rédiger un rapport de laboratoire portant sur l'action d'une ou plusieurs forces sur un corps sous l'angle ou non de l'énergie mécanique en cause.

    Concepts prescrits

    Tous les concepts de ce cours s'inscrivent dans l'univers matériel.

    Concept général: Dynamique

    La dynamique s'intéresse aux causes de la variation du mouvement. Les lois de Newton permettent de décrire l'effet des forces qui s'exercent sur un corps (force de frottement, force gravitationnelle, force centripète). Les systèmes mécaniques, qu'ils soient en équilibre ou non, sont abordés par la construction d'un diagramme de corps libre, c'est-à-dire une représentation vectorielle des forces auxquelles ils sont soumis. Diverses méthodes peuvent être utilisées pour déterminer les caractéristiques des vecteurs résultant et équilibrant qui ont trait au système de forces considéré. Dans le cas des corps en chute libre, on portera une attention particulière à la force gravitationnelle, laquelle conduit au concept d'accélération gravitationnelle.

    Adhérence et frottement entre les pièces (rappel)

    • Décrire les avantages et les inconvénients liés à l'adhérence et au frottement entre les pièces dans un objet technique.

    Contraintes (rappel)

    • Décrire les contraintes auxquelles sont soumis divers objets techniques: traction, compression, torsion, cisaillement.

    Pression (rappel)

    • Définir la pression comme étant la force exercée par les particules lorsqu'elles entrent en collision avec une serface contraignante.

    Relation entre la masse et le poids (rappel)

    • Décrire qualitativement la relation entre la masse et le poids;
    Vidéos
    Qu'est-ce que la masse? Universalité de la chute libre

     La masse ou le poids?

    • Appliquer la relation mathématique entre la masse et le poids (Fg=mg).

    Lois de Newton

    La physique au temps de Newton, le contexte de l'époque et les étapes des différentes découvertes de Newton.
    Les énoncés des lois proviennent du livre "La physique au lit" édition du TRÉCARRÉ pp. 56 & 57
    • Décrire, de manière qualitative, la loi d'inertie (1re loi de Newton).
    Un corps au repos demeure au repos et un corps se déplaçant à vitesse constante en ligne droite conserve ce mouvement jusqu'à ce qu'une nouvelle force extérieure agisse sur eux.

    • Décrire, de façon qualitative, la relation entre la force appliquée sur un corps, sa masse et son accélération (2e loi de Newton).

    La force appliquée à un corps produit une accélération qui lui est proportionnelle; la relation qui lie l'une à l'autre est F=ma.

    En vidéo

    • Appliquer la relation mathématique entre la force appliquée, la masse et l'accélération (F=ma).
    Laboratoire de robotique pour étudier la deuxième loi de Newton
    Relation entre la masse d'un chariot et son accélération lorsque la force exercée sur le système reste constante et lorsque la masse reste constante. http://robotiquenxt.wordpress.com/2011/05/24/2e-loi-de-newton/. L'expérience peut également être faite avec un autre modèle de chariot: http://robotiquenxt.wordpress.com/2011/07/11/2e-loi-de-newton-prise-2/. Les rapports de laboratoire et le programme restent les mêmes, seulement le montage est différent.

    • Décrire, de manière qualitative, le principe d'action-réaction (3e loi de Newton).

    À tout action correspond toujours une réaction égale et opposée.

      • Expliquer un phénomène ou le fonctionnement d'un objet technique à l'aide des lois de Newton.

      Force centripète

      • Expliquer qualitativement l'effet d'une force centripète sur un corps en mouvement

      Diagramme de corps libre

      • Représenter, à l'aide de vecteurs, les forces qui s'exercent sur un corps.

      Équilibre et résultante de plusieurs forces

      • Déterminer la grandeur et l'orientation du vecteur associé à la force résultante d'un système de forces.
      • Déterminer la grandeur et l'orientation du vecteur associé à la force équilibrante d'un système de forces.

      Force de frottement

      • Expliquer les effets possibles d'une force de frottement (ralentir, arrêter ou empêcher le mouvement d'un corps).
      • Nommer des facteurs qui modifient la grandeur de la force de frottement pour une situation donnée (ex.: nature des surfaces en contact, forme d'un corps qui se déplace dans un fluide).
      • Déterminer la valeur de la force de frottement dans une situation donnée
        (force de frottement = force motrice - force résultante)
      Laboratoire de robotique pour étudier le coefficient de frottement
      http://robotiquenxt.wordpress.com/2011/05/24/la-friction/

      Accélération gravitationnelle

      • Comparer les valeurs moyennes de l'accélération gravitationnelle terrestre et lunaire (9,8 m/s sur Terre, 1,6 m/s sur la Lune).

      Force gravitationnelle

      • Associer la chute libre d'un corps à l'effet de la force gravitationnelle.
      •  Associer la force gravitationnelle d'un corps à son poids.
      • Déterminer la composante de la force gravitationnelle parallèle au déplacement d'un corps (ex.: plan incliné).

      Loi de Hooke

      • Décrire de manière qualitative la relation entre la force appliquée sur un ressort hélicoïdal et la variation de sa longueur.
      • Appliquer la relation mathématique qui unit la force appliquée, la constante d'élasticité et l'allongement d'un ressort hélicoïdal (F=kl).

      Force efficace

      • Définir la force efficace comme étant la composante de la force appliquée qui est exercée parallèlement au déplacement.
      • Déterminer graphiquement la grandeur de la force efficace dans une situation donnée.

      Concept général: Transformation de l'énergie

      Les concepts relatifs à la transformation de l'énergie mécanique vus antérieurement ont été traités dans un contexte environnemental. Le présent programme permet de les réinvestir dans d'autres contextes. Que ce soit par l'étude d'une application comprenant un ressort, une machine simple ou un système complexe, la transformation de l'énergie est principalement étudiée sous l'angle des énergies cinétique et potentielle. C'est donc dans cette perspective que sont abordés les concepts de travail, de puissance, d'énergies, d'élasticité et de chaleur.
      Note: la loi de Hooke se limite à l'étude des ressorts hélicoïdaux.

      Formes d'énergie (rappel)

      • Décrire les formes d'énergie chimique, thermique, mécanique et rayonnante.
      • Définir le joule comme étant l'unité de mesure de l'énergie.

      Loi de la conservation de l'énergie (rappel)

      • Expliquer qualitativement la loi de la conservation de l'énergie.
      • Appliquer la loi de la conservation de l'énergie dans divers contextes.

      Rendement énergétique (rappel)

      • Définir le rendement énergétique d'un appareil ou d'un système comme étant la proportion de l'énergie consommée qui est transformée en travail efficace (quantité d'énergie utile/quantité d'énergie consommée x 100).

      Relation entre puissance et énergie électrique (rappel)

      • Décrire qualitativement la relation entre l'énergie électrique consommée par un appareil, sa puissance et son temps d'utilisation.
      • Appliquer la relation mathématique entre l'énergie électrique consommée, la puissance d'un appareil électrique et le temps d'utilisation. 

       Énergie mécanique

      • Expliquer qualitativement une transformation d'énergie mécanique dans une situation donnée.
      • Appliquer les relations mathématiques associées à l'énergie cinétique, aux types d'énergie potentielle (gravitationnelle, élastique), au travail et à la chaleur.
      • Analyser quantitativement une transformation d'énergie mécanique dans une situation donnée.
      Laboratoire de robotique pour étudier la conservation de l'énergie
      http://robotiquenxt.wordpress.com/2011/05/25/la-conservation-de-lenergie/

      Relation entre le travail, la force et le déplacement

      • Décrire, de manière qualitative, la relation entre le travail, la force appliquée sur un corps et son déplacement.
      • Appliquer la relation mathématique qui unit le travail, la force efficace et le déplacement. 

      Relation entre l'énergie, la constante d'élasticité et la variation de la longueur d'un ressort hélicoïdal

      • Expliquer, de manière qualitative, la relation entre l'énergie d'un ressort hélicoïdal, sa constance d'élasticité et la variation de sa longueur dans une situation donnée.
      • Appliquer la relation mathématique qui unit l'énergie, la constante d'élesticité et la variation de longueur dans une situations donnée. 

      Relation entre la puissance, le travail et le temps

      • Expliquer, de manière qualitative, la relation entre la puissance d'un système, le travail accompli et sa durée.
      • Appliquer la relation mathématique entre la puissance, le travail et le temps. 

      Relation entre le travail et l'énergie

      • Décrire, de manière qualitative, la relation qui unit le travail effectué sur un corps et sa variation d'énergie.
      • Appliquer la relation mathématique entre le travail et l'énergie. 

      Relation entre l'énergie potentielle, la masse, l'accélération et le déplacement

      • Décrire, de manière qualitativement, la relation entre l'énergie potentielle d'un corps, sa masse, l'accélération gravitationnelle et son déplacement.
      • Appliquer la relation mathématique qui unit l'énergie potentielle, la masse, l'accélération gravitationnelle et le déplacement. 

      Relation entre l'énergie cinétique, la masse et la vitesse

      • Décrire, de manière qualitativement, la relation entre l'énergie cinétique d'un corps, sa masse et sa vitesse.
      • Appliquer la relation mathématique qui unit l'énergie cinétique, sa masse et sa vitesse.