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Présentation de l’activitéTitre Toujours plus haut... Étude d’un trampoline

Classe de Seconde Thème : La pratique du sport - L’étude du mouvementProgramme de

physique Notions et contenus Effet d’une force sur la valeur de l’énergie cinétique d’un corps La force de pesanteur terrestre

Compétences attendues Savoir qu’une force modifie éventuellement la valeur de l’énergie

cinétiqueDurée Nature de l’activité

1,5h

- Activité documentaire et expérimentale- Utilisation d’un logiciel de traitement d’images (Mesurim par exemple) et

d’un logiciel tableur grapheur- Résolution de problème

Conditions de mise en œuvre

Groupe ou classe entière, travail en ilots avec ordinateur

Prérequis Cycle 4  Physique :

Identifier les différentes formes d’énergie, énergie cinétique

(relation Ec = 12×m×V 2 ) - énergie potentielle - conversion d’un type d’énergie

en un autre- conservation de l’énergie - unités d’énergie - force de pesanteur et son expression P = mg

Mathématiques :Reconnaître des situations de proportionnalité́ Etudier des représentations graphiques entre deux grandeurs pour identifier si elles sont proportionnelles ou nonFaire le lien entre fonction linéaire et proportionnalité́

Seconde  Physique :

Actions mécaniques – modélisation par une force Mathématiques

Fonction (identifier la variable)

Connaissances visées Compétences mises en œuvre

La relation sur l’énergie cinétique

Ec = 12×m×V 2

Une force exercée sur un corps modifie la valeur de sa vitesse.

La force peut modifier la valeur de l’énergie cinétique d’un corps.

Proposer une ou des hypothèses pour répondre à une question scientifique.

Concevoir une expérience pour la ou les tester. Mesurer des grandeurs physiques de manière

directe. Lire et comprendre des documents scientifiques

Détails de l’activité (objectifs et mise en œuvre)

Scénario

Descriptif :L’objectif de cette séquence pédagogique est de recentrer l’apprentissage sur l’élève, le préparer en amont à une résolution de problème qui sera faite en classe pour qu’il soit davantage en activité lors de la séance. Elle se décompose ainsi en deux parties :

- la première partie a pour but de réinvestir, en « classe inversée », les notions découvertes en collège :

Identification de différentes formes d’énergie. Identification des sources, des transferts et des conversions d’énergie.

- la deuxième partie permet à l’élève de mettre en évidence les facteurs qui ont une influence sur la déformation du tapis du trampoline et enfin de montrer l’influence d’une force sur la valeur de l’énergie cinétique en analysant les différentes phases d’un saut en trampoline.

Scénario :

Partie I : conversion et transfert d’énergie- Les élèves répondent aux questions de la partie I à la maison.- Travail par groupe de 4 en classe pour proposer des réponses

communes aux questions de la partie I.- Les groupes les plus avancés peuvent proposer un graphique

représentant la variation des différentes formes d’énergies en fonction de l’altitude de l’athlète.

- Présentation du document trampoline.ppsx représentant les variations des différentes formes d’énergie en fonction de l’altitude de l’athlète.

Partie II : pourquoi les déformations subies par le tapis du trampoline ne sont-elles pas les mêmes pour les deux athlètes ?

- Chaque groupe doit formuler une hypothèse- Choisir les ressources permettant de vérifier l’hypothèse- Exploiter les ressources afin de vérifier l’hypothèse- Présenter un bilan au reste de la classe- Réponse à la problématique à partir des résultats des différents

groupes- Réalisation du D.O.I. de l’athlète et mise en évidence de l’effet des

différentes forces sur l’énergie cinétique de l’athlète

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Le(s) support(s) de travail

Dispositif pour l’étude du saut Bille en bois Bille en cuivre

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Matière Masse (g)

Hauteur (m)

Nombre de gouttes

pour remplir l’impact

Cuivre 71 0,5 m 4Cuivre 71 1,0 m 7Cuivre 71 1,5 m 10Cuivre 71 2,0 m 13

Matière Masse (g)

Hauteur (m)

Nombre de gouttes pour

remplir l’impact

Bois 6 1,6 m 2Aluminium 23 1,6 m 6

Laiton 61 1,6 m 14Acier 68 1,6 m 16

Cuivre 71 1,6 m 18

Bibliographie – Sitographie Sources utilisées pour construire l’activité Vidéos de trampoline youtube :https://www.youtube.com/watch?v=UJwwMpLuVfIhttps://www.youtube.com/watch?v=uEZkodI9cbg

Carte mentale sur l’énergie :Manuel ESPACE 2017– Physique-Chimie Cycle 4 – Éditions Bordas Compléments éventuels pour les enseignants ou les élèves

Orientation

Auteur(s) de l’activité : Éric Barrandon et Jordi Vicens

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Fiche professeurPartie I. Travail en classe inversée : « Le trampoline, un sport acrobatique » (10-15 min) L’élève découvre ce sport en visualisant une vidéo : extraits des finales femmes et hommes des championnats du monde de trampoline 2017.https://www.youtube.com/watch?v=UJwwMpLuVfIhttps://www.youtube.com/watch?v=uEZkodI9cbg

L’élève se réapproprie les connaissances et compétences concernant les notions d’énergie et de conversions en lui fournissant un document « Énergies et conversions » extrait d’un ouvrage de collège (cycle 4)

Léa Labrousse, 1m55, 50 kg

née en 1997 à Beaumont (France)

Allan Morante, 1m80, 71kg

né en 1994 à Drancy (France)

L’élève se réapproprie les connaissances et compétences concernant les notions d’énergie et de conversions en lui fournissant un document « Énergies et conversions » extrait d’un ouvrage de collège (cycle 4)

Document 1 : Énergies et conversionsDéfinition de l’énergie : l’énergie est la capacité d’un système à produire des effets comme par exemple provoquer un changement de température, de vitesse, d’état physique ou encore de forme.

L’énergie mécanique constitue la somme de deux autres types d’énergie : l’énergie cinétique, associée au mouvement d’un corps, et l’énergie potentielle, associée à un corps qui est susceptible de fournir un travail par changement de position. Il s'agit donc du type d'énergie liée au mouvement, soit celui qui se déroule (énergie cinétique) ou celui qui pourrait se dérouler (énergie potentielle).

Document 2 : Énergie potentielle élastiqueEn physique, l’énergie potentielle élastique est l'énergie potentielle emmagasinée dans un corps à caractère élastique lorsque ce dernier est compressé ou étiré par rapport à sa position naturelle. Plus l’écart avec la position naturelle est grand, plus l’énergie potentielle élastique emmagasinée est grande. Le corps tend naturellement à retourner à sa position naturelle et transforme ainsi son énergie potentielle en énergie cinétique.

Travail à faire :I.1. Quelles formes d’énergie possède l’athlète ?

I.2. Les athlètes reviennent toujours à peu près à la même hauteur. Que peut-on en déduire à propos de l’énergie totale des athlètes au cours du mouvement ?

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I.3. Chaque rectangle ci-dessous représente l’énergie totale de l’athlète à un moment donné de sa chute. Attribuer une couleur à chaque forme d’énergie et colorier chaque rectangle en représentant la proportion de chaque forme d’énergie composant l’énergie totale. Attention, on considèrera que la hauteur minimale de l’athlète correspond à sa position quand le tapis est enfoncé.

Hauteur maximale atteinte Hauteur intermédiaire Hauteur du trampoline

I.4. Que deviennent les formes d’énergie de l’athlète lorsqu’il est enfoncé dans le trampoline ? Colorier le rectangle correspondant ci-dessous :

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I.5. Son énergie mécanique initiale a-t-elle disparue ?

Bilan en classe du travail fait à la maisonL’enseignant peut constituer des groupes et demande à chacun de proposer les différentes formes d’énergie que possède l’athlète.

Ensuite chaque groupe propose un graphique donnant les évolutions des différentes énergies en fonction de l’altitude.

Un débat s’engage et les groupes visualisent et analysent le graphique représentant les différentes formes d’énergie en fonction de l’altitude (document : le diaporama).

Les élèves comprennent que :

• Lorsque la déformation du trampoline augmente, son énergie potentielle élastique augmente et l’énergie cinétique de l’athlète diminue.

L’énergie cinétique (et potentielle) de l’athlète est transférée au trampoline lors de la chute.

• Lorsque la déformation du trampoline diminue, son énergie potentielle élastique diminue et l’énergie cinétique de l’athlète augmente.

L’énergie potentielle élastique du trampoline est transférée à l’athlète lors de la remontée.

Partie II : Le problème scientifique : « Pourquoi les déformations subies par le tapis du trampoline ne sont-elles pas les mêmes pour les deux athlètes ? »

Étape 1 : S’approprier le problème scientifiqueLes groupes proposent des hypothèses ; réponses attendues par exemple « il est plus lourd », « il va plus vite », « il monte plus haut »...

Étape 2 : Analyser le problème scientifiqueLes élèves doivent choisir parmi les ressources disponibles (résultats d’expériences de lâchers de billes) celles qui leur permettront de vérifier leur hypothèse.

Étape 3 : Valider l’hypothèse en exploitant les ressources- Comparer les déformations (mesure du diamètre et exploitation du nombre de gouttes nécessaires

pour remplir la déformation) laissées par la chute de billes de masses différentes lâchées d’une même hauteur.

- Comparer les déformations (mesure du diamètre et exploitation du nombre de gouttes nécessaires pour remplir la déformation) laissées par la chute de billes de mêmes masses lâchées à différentes hauteurs.

- Comparer la vitesse de chute de deux billes de masses différentes.

Les chronophotographies montrent que les billes ont la même vitesse lors de l’impact.

Pour des billes de masses différentes tombant de la même hauteur, la pénétration dans la pâte à modeler est d’autant plus importante que le poids de la bille est élevé.

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La bille possède de l’énergie puisqu’elle peut fournir une « action » qui consiste ici à déformer la toile du trampoline.

Les élèves déduisent une proportionnalité entre la déformation totale du trampoline (liée au volume de l’impact mesuré) et la masse de l’athlète (liée à son énergie cinétique) lors de l’impact.

L’étude est identique concernant la proportionnalité entre la déformation et la hauteur de chute.

On peut donc en déduire que l’énergie cinétique de l’athlète augmente au cours de la chute sous l’action du poids.

Une force qui s’exerce sur un corps peut donc éventuellement modifier l’énergie cinétique de ce corps.

Pour aller plus loin…

Faire un DOI de l’athlète pour les situations suivantes :

• Chute avant le contact avec le trampoline : Athlète soumis à son pois• Déformation du trampoline lors du contact : Athlète soumis à son poids et à l’action du trampoline.

Comment l’énergie cinétique de l’athlète évolue lorsqu’il remonte ? Donner en une explication ?• L’action du trampoline permet d’augmenter son EC

L’action du poids diminue son Ec

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Fiche élèvePartie I : Le trampoline, une histoire d’énergie

A. À faire à la maison

Document 1 : Extrait vidéo du championnat du monde de trampoline 2017

https://www.youtube.com/watch?v=UJwwMpLuVfIhttps://www.youtube.com/watch?v=uEZkodI9cbg

Léa Labrousse, 1m55, 50 kg

née en 1997 à Beaumont (France)

Allan Morante, 1m80, 71kg

né en 1994 à Drancy (France)

Document 2 : Énergies et conversionsDéfinition de l’énergie : l’énergie est la capacité d’un système à produire des effets comme par exemple provoquer un changement de température, de vitesse, d’état physique ou encore de forme.

L’énergie mécanique constitue la somme de deux autres types d’énergie : l’énergie cinétique, associée au mouvement d’un corps, et l’énergie potentielle, associée à un corps qui est susceptible de fournir un travail par changement de position. Il s'agit donc du type d'énergie liée au mouvement, soit celui qui se déroule (énergie cinétique) ou celui qui pourrait se dérouler (énergie potentielle).

Document 3 : Énergie potentielle élastiqueEn physique, l’énergie potentielle élastique est l'énergie potentielle emmagasinée dans un corps à caractère élastique lorsque ce dernier est compressé ou étiré par rapport à sa position naturelle. Plus l’écart avec la position naturelle est grand, plus l’énergie potentielle élastique emmagasinée est grande. Le corps tend naturellement à retourner à sa position naturelle et transforme ainsi son énergie potentielle en énergie cinétique.

Travail à faire :I.1. Quelles formes d’énergie possède l’athlète ?

I.2. Les athlètes reviennent toujours à peu près à la même hauteur. Que peut-on en déduire à propos de l’énergie totale des athlètes au cours du mouvement ?

I.3. Chaque rectangle ci-dessous représente l’énergie totale de l’athlète à un moment donné de sa chute. Attribuer une couleur à chaque forme d’énergie et colorier chaque rectangle en représentant la proportion de chaque forme d’énergie composant l’énergie totale. Attention, on considèrera que la hauteur minimale de l’athlète correspond à sa position quand le tapis est enfoncé.

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Hauteur maximale atteinte Hauteur intermédiaire Hauteur du trampoline

I.4. Que deviennent les formes d’énergie de l’athlète lorsqu’il est enfoncé dans le trampoline ? Colorier le rectangle correspondant ci-dessous :

I.5. Son énergie mécanique initiale a-t-elle disparue ?

B. Bilan en classeI.6 Après discussion avec votre groupe, remplissez à nouveau les rectangles ci-dessous.

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Hauteur maximale atteinte

Hauteur intermédiaire

Hauteur du trampoline

Hauteur minimale atteinte

Partie II. Variation de l’énergie cinétique de l’athlèteA. Pourquoi les déformations subies par le tapis du trampoline ne sont-elles pas les

mêmes pour les deux athlètes ?II.1 Proposer une hypothèse par groupe pouvant expliquer les différences de déformations subies par le tapis du trampoline entre les deux athlètes.

Différentes expériences de lâcher de billes sur de la pâte à modeler (telles que sur la photo ci-contre) ont été réalisées. Les billes déforment la pâte à modeler lors de l’impact. Les billes ont des masses différentes et sont lâchées à différentes hauteurs. Vous disposez de photos des déformations accompagnées des conditions expérimentales (masse de bille et hauteur de chute) ainsi que du nombre de gouttes nécessaires pour remplir les déformations.

II.2 Parmi les ressources à votre disposition, choisir l’expérience qui permet de vérifier votre hypothèse.

II.3 En utilisant le logiciel Mesurim, exploiter les résultats de l’expérience choisie afin de valider ou pas votre hypothèse.

II.4 Utiliser un logiciel tableur/grapheur pour tracer le graphique de l’évolution du volume des déformations (en nombre de gouttes) en fonction du paramètre choisi dans votre hypothèse.

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II.5 Modéliser la courbe obtenue et en déduire une relation mathématique entre le volume des déformations et le paramètre choisi.

B. Comment expliquer les variations d’énergie cinétique de l’athlète ?II.6 Faire un D.O.I. de l’athlète lorsqu’il n’est pas en contact avec le trampoline.

II.7 Quel est l’effet du poids de l’athlète sur son énergie cinétique pendant la chute ? Et pendant la montée ?

II.8 Faire un D.O.I de l’athlète lorsqu’il est en contact avec le trampoline.

II.9 Quel est l’effet de la force qui modélise l’action du trampoline sur l’athlète, sur l’énergie cinétique de l’athlète pendant la chute ? Et pendant la montée ?

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