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Objectif de la simulation
La simulationoscillateur à ressortde FizziQ Web permet d’étudier le mouvement oscillatoire d’une masse suspendue à un ressort.
Elle permet d’analyser :
- les oscillations d’un système masse-ressort
les oscillations d’un système masse-ressort
- l’influence de la masse
l’influence de la masse
- l’influence de la raideur du ressort
l’influence de la raideur du ressort
- l’effet de l’amortissement
l’effet de l’amortissement
- l’évolution de la position, de la vitesse et de l’accélération
l’évolution de la position, de la vitesse et de l’accélération
Cette simulation génère des données automatiquement exploitables dans lecahier d’expérience.
Ce que vous allez apprendre
À la fin de cette activité, vous saurez :
- régler les paramètres d’un oscillateur masse-ressort
régler les paramètres d’un oscillateur masse-ressort
- démarrer et arrêter une simulation
démarrer et arrêter une simulation
- enregistrer automatiquement des données
enregistrer automatiquement des données
- exporter les données vers le cahier d’expérience
exporter les données vers le cahier d’expérience
- analyser un mouvement oscillatoire amorti
analyser un mouvement oscillatoire amorti
Durée estimée : 10 à 30 minutes
Niveau conseillé : Collège – Lycée
Fonction utilisée : Simulation physique
Ouvrir la simulation oscillateur à ressort
Étape 1 : Accéder aux simulations
- Dans la barre latérale gauche, cliquer surExpérimenter
Dans la barre latérale gauche, cliquer surExpérimenter
- Ouvrir la sectionSimulations
Ouvrir la sectionSimulations
- SélectionnerSimulation oscillateur à ressort
SélectionnerSimulation oscillateur à ressort
La fenêtre affiche :
- un ressort vertical
un ressort vertical
- une masse suspendue
une masse suspendue
- un panneau de paramètres
un panneau de paramètres
- des boutons de contrôle
des boutons de contrôle
Régler les paramètres de l’oscillateur
Avant de lancer une simulation, définir les conditions initiales.
Paramètre : raideur du ressort
La raideur du ressort correspond à la constantek.
Valeurs :
- 1 à 100 N/m
1 à 100 N/m
- Valeur par défaut : 20 N/m
Valeur par défaut : 20 N/m
Lorsque la raideur augmente :
- la force exercée par le ressort augmente
la force exercée par le ressort augmente
- les oscillations deviennent plus rapides
les oscillations deviennent plus rapides
- la période diminue
la période diminue
Ce paramètre peut être modifié uniquement lorsque la simulation est arrêtée.
Paramètre : masse
La masse correspond à l’objet suspendu au ressort.
Valeurs :
- 0,1 à 5,0 kg
0,1 à 5,0 kg
- Valeur par défaut : 0,5 kg
Valeur par défaut : 0,5 kg
Lorsque la masse augmente :
- les oscillations deviennent plus lentes
les oscillations deviennent plus lentes
- la période augmente
la période augmente
Ce paramètre peut être modifié uniquement lorsque la simulation est arrêtée.
Paramètre : amplitude initiale
L’amplitude correspond à l’écart initial par rapport à la position d’équilibre.
Valeurs :
- 0,05 à 1,0 m
0,05 à 1,0 m
- Valeur par défaut : 0,3 m
Valeur par défaut : 0,3 m
Elle détermine la position initiale de la masse.
Ce paramètre peut être modifié uniquement lorsque la simulation est arrêtée.
Paramètre : amortissement
L’amortissement représente les pertes d’énergie du système.
Valeurs :
- 0 à 2,0 N·s/m
0 à 2,0 N·s/m
- Valeur par défaut : 0
Valeur par défaut : 0
Lorsque l’amortissement augmente :
- l’amplitude diminue progressivement
l’amplitude diminue progressivement
- le mouvement finit par s’arrêter
le mouvement finit par s’arrêter
Ce paramètre peut être modifié uniquement lorsque la simulation est arrêtée.
Lancer une simulation
Le mouvement est contrôlé par les boutonsSTARTetSTOP.
Étape 1 : Démarrer la simulation
- Régler les paramètres souhaités
Régler les paramètres souhaités
- Cliquer surSTART
Cliquer surSTART
La masse commence à osciller autour de la position d’équilibre.
Pendant la simulation :
- la masse se déplace verticalement
la masse se déplace verticalement
- le ressort s’allonge et se comprime
le ressort s’allonge et se comprime
- le temps s’écoule
le temps s’écoule
Étape 2 : Arrêter la simulation
- Cliquer surSTOP
Cliquer surSTOP
La simulation s’arrête et le système revient à sa position initiale.
Enregistrer les données
Le boutonRECpermet d’enregistrer les grandeurs physiques pendant la simulation.
Deux méthodes sont possibles.
Méthode 1 : Démarrer puis enregistrer
- Cliquer surSTART
Cliquer surSTART
- Cliquer surREC
Cliquer surREC
L’enregistrement commence immédiatement.
Les données sont enregistrées à partir de cet instant.
Cette méthode permet d’enregistrer seulement une partie du mouvement.
Méthode 2 : Enregistrer puis démarrer automatiquement
- Cliquer surREC
Cliquer surREC
La simulation démarre automatiquement.
L’enregistrement commence immédiatement.
Cette méthode permet d’enregistrer toute la simulation.
Arrêter l’enregistrement
Pour arrêter l’enregistrement :
- Cliquer à nouveau surREC
Cliquer à nouveau surREC
À cet instant :
- les données sont automatiquement exportées
les données sont automatiquement exportées
- le cahier d’expérience s’ouvre
le cahier d’expérience s’ouvre
- un graphique est créé automatiquement
un graphique est créé automatiquement
Les données sont affichées sous forme :
- d’un tableau
d’un tableau
- d’un graphique
d’un graphique
Elles peuvent ensuite être modifiées ou enrichies dans le cahier d’expérience.
Choisir les grandeurs enregistrées
Plusieurs grandeurs peuvent être sélectionnées.
Vous pouvez enregistrer :
- la distance (élongation)
la distance (élongation)
- la vitesse
la vitesse
- l’accélération
l’accélération
Par défaut :
- la distance est activée
la distance est activée
- la vitesse est désactivée
la vitesse est désactivée
- l’accélération est désactivée
l’accélération est désactivée
Le réglageMode tableaupermet d’afficher les données sous forme de tableau plutôt que de graphique.
Comprendre les grandeurs physiques mesurées
La simulation repose sur le modèle d’un oscillateur harmonique amorti.
Élongation
L’élongation correspond à la distance entre la position actuelle et la position d’équilibre.
Elle est notée :
x
Elle décrit le déplacement de la masse.
Vitesse
La vitesse décrit la rapidité du mouvement.
Elle dépend du sens du déplacement.
Elle est :
- maximale au passage par l’équilibre
maximale au passage par l’équilibre
- nulle aux positions extrêmes
nulle aux positions extrêmes
Accélération
L’accélération dépend de la position et de la vitesse.
Relation utilisée :
a = -(k/m) x - (b/m) v
où :
- k est la raideur du ressort
k est la raideur du ressort
- m est la masse
m est la masse
- b est l’amortissement
b est l’amortissement
- x est l’élongation
x est l’élongation
- v est la vitesse
v est la vitesse
Cette relation combine :
- la force de rappel du ressort
la force de rappel du ressort
- la force d’amortissement
la force d’amortissement
Comprendre le modèle physique
Le modèle utilisé repose sur deux lois physiques.
Loi de Hooke
La force exercée par le ressort est :
F = -k x
Cette force ramène la masse vers la position d’équilibre.
Amortissement visqueux
La force d’amortissement est :
F = -b v
Elle réduit progressivement l’énergie du système.
Sans amortissement :
- l’oscillation se poursuit indéfiniment
l’oscillation se poursuit indéfiniment
Avec amortissement :
- l’amplitude diminue progressivement
l’amplitude diminue progressivement
Observer le mouvement de l’oscillateur
Pendant la simulation, plusieurs éléments visuels apparaissent.
Vous pouvez observer :
- l’allongement du ressort
l’allongement du ressort
- le déplacement de la masse
le déplacement de la masse
- la position d’équilibre
la position d’équilibre
- les flèches représentant les grandeurs physiques
les flèches représentant les grandeurs physiques
- le temps écoulé
le temps écoulé
Ces éléments facilitent la compréhension du mouvement oscillatoire.
Export automatique des données
Lorsque l’enregistrement s’arrête, les données sont automatiquement envoyées vers lecahier d’expérience.
Aucune action supplémentaire n’est nécessaire.
Les grandeurs disponibles sont :
- Temps (s)
Temps (s)
- Distance (m)
Distance (m)
- Vitesse (m/s)
Vitesse (m/s)
- Accélération (m/s²)
Accélération (m/s²)
Ces données peuvent être étudiées dans le tableau :
- ajout de grandeurs
ajout de grandeurs
- modification du graphique
modification du graphique
- analyse des oscillations
analyse des oscillations
Exploiter les données dans le cahier d’expérience
Une fois exportées, plusieurs analyses sont possibles.
Vous pouvez :
- tracer la distance en fonction du temps
tracer la distance en fonction du temps
- mesurer la période
mesurer la période
- comparer plusieurs oscillations
comparer plusieurs oscillations
- analyser l’effet de l’amortissement
analyser l’effet de l’amortissement
- ajouter une grandeur calculée
ajouter une grandeur calculée
Ces outils permettent d’étudier précisément le mouvement oscillatoire.
Activités pédagogiques recommandées
Activité 1 : Étudier l’effet de la masse
- Fixer la raideur
Fixer la raideur
- Faire varier la masse
Faire varier la masse
- Mesurer la période
Mesurer la période
Objectif :
Observer que la période augmente lorsque la masse augmente.
Activité 2 : Étudier l’effet de la raideur
- Fixer la masse
Fixer la masse
- Faire varier la raideur
Faire varier la raideur
- Comparer les oscillations
Comparer les oscillations
Objectif :
Observer que les oscillations deviennent plus rapides lorsque la raideur augmente.
Activité 3 : Étudier l’amortissement
- Fixer la masse et la raideur
Fixer la masse et la raideur
- Faire varier l’amortissement
Faire varier l’amortissement
- Observer la diminution de l’amplitude
Observer la diminution de l’amplitude
Objectif :
Comprendre comment l’énergie diminue dans un système amorti.
Limites du modèle physique
La simulation repose sur des simplifications.
Principales limites :
- ressort supposé linéaire
ressort supposé linéaire
- ressort sans masse
ressort sans masse
- amortissement purement visqueux
amortissement purement visqueux
- absence d’effets non linéaires
absence d’effets non linéaires
- absence de frottements supplémentaires
absence de frottements supplémentaires
Ces hypothèses simplifient le modèle pour un usage pédagogique.
Questions fréquentes (FAQ)
Pourquoi les oscillations ne s’arrêtent-elles pas quand l’amortissement vaut zéro ?
Sans amortissement, aucune perte d’énergie n’est modélisée.
Le mouvement se poursuit donc indéfiniment.
Pourquoi la période augmente-t-elle quand la masse augmente ?
Une masse plus grande réagit plus lentement à la force du ressort.
La période devient donc plus grande.
Pourquoi l’amplitude diminue-t-elle quand l’amortissement augmente ?
L’amortissement dissipe l’énergie mécanique du système.
Le mouvement devient progressivement plus faible.
Peut-on enregistrer seulement une partie du mouvement ?
Oui.
Il suffit d’appuyer surRECpendant l’oscillation.
Voir aussi
- Créer un tableau de données
Créer un tableau de données
- Ajouter une grandeur calculée
Ajouter une grandeur calculée
- Tracer un graphique
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- Étudier un mouvement oscillatoire
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- Simulation pendule
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