TP virtuel sur l'impulsion : courbes force–temps
Mis à jour le 2026-10-07
Ce TP virtuel sur l'impulsion transforme en activité expérimentale le chapitre quantité de mouvement et sécurité routière de GCSE, A-level et AP Physics. Un chariot muni d'un pare-chocs roule sur un banc à coussin d'air jusqu'à un mur équipé d'un capteur de force, et des barrières lumineuses le chronomètrent à l'aller et au retour. Les élèves gardent la masse et la vitesse fixes, alternent entre un ressort souple, un ressort dur, une zone déformable et un airbag, et lisent la force maximale, la durée du contact et l'impulsion de chaque essai. L'aire sous la courbe force–temps est toujours égale à la variation de quantité de mouvement mesurée avec les barrières. La séance se termine par un défi de conception : protéger un œuf sur un chariot en mouvement.
Liens avec les programmes
- AQA GCSE Physics 4.5.7.3 (variations de quantité de mouvement) : F = mΔv/Δt et dispositifs de sécurité comme les airbags, les ceintures et les zones déformables. Les barrières lumineuses fonctionnent comme dans les TP de GCSE avec chariots.
- AQA A-level Physics 3.4.1.6 (quantité de mouvement) : l'impulsion comme aire sous une courbe force–temps.
- AP Physics 1 Unit 4 (quantité de mouvement), thème 4.2 sur la variation de quantité de mouvement et l'impulsion.
- NGSS HS-PS2-3 (standard américain) : concevoir un dispositif qui réduit au minimum la force sur un objet pendant une collision.
Simulic n'est pas affilié à AQA, au College Board ni à aucun organisme d'examen, et n'est pas approuvé par eux.
Avant le TP (5 min)
Demandez aux élèves de s'engager sur une prédiction, sur papier ou comme question 1 du lien de classe :
« Un chariot de 1 kg à 3 m/s heurte un mur, d'abord avec un pare-chocs à ressort souple, puis avec un ressort dur. Les deux fois, il rebondit à 3 m/s. Comment se comparent les forces maximales sur le mur ? »
Beaucoup d'élèves répondent que la force est la même, parce que la variation de quantité de mouvement est la même. Ne les corrigez pas encore.
Protocole dans la simulation
- Appuyez sur Capteur de force et crash-test. Laissez Heurte sur « Mur avec capteur de force », Masse m₁ sur 1,0 kg, Vitesse u₁ sur 3,0 m/s et Épaisseur (du pare-chocs) sur 20 cm.
- Choisissez Pare-chocs : Ressort souple et appuyez sur Envoyer. L'essai passe au ralenti pendant le contact, puis une ligne s'ajoute au tableau.
- Recommencez avec Ressort dur, Zone déformable et Airbag. Gardez m₁ et u₁ identiques à chaque fois.
- Pour chaque essai, notez u et v donnés par la barrière, Δp, l'impulsion J (l'aire hachurée), la durée du contact Δt et la force maximale Fmax.
- Comparez la courbe rouge (force sur le mur) et la courbe bleue (force sur le chariot).
| Pare-chocs | u (m/s) | v (m/s) | Δp (kg·m/s) | J (N·s) | Δt (ms) | Fmax (N) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ressort souple | ||||||
| Ressort dur | ||||||
| Zone déformable | ||||||
| Airbag |
Résultats attendus
Toutes les valeurs viennent de la simulation, qui n'a pas d'erreur aléatoire : tous les groupes obtiennent les mêmes nombres.
| Pare-chocs | v (m/s) | Δp = J (kg·m/s) | Δt (ms) | Fmax (N) | F̄ = J/Δt (N) |
|---|---|---|---|---|---|
| Ressort souple | −3,00 | −6,000 | 157,1 | 60,0 | 38,2 |
| Ressort dur | −3,00 | −6,000 | 44,4 | 212,1 | 135,0 |
| Zone déformable | −0,24 | −3,245 | 56,6 | 60,0 | 57,4 |
| Airbag | −0,82 | −3,820 | 232,5 | 62,4 | 16,4 |
- L'impulsion mesurée par le capteur est toujours égale au Δp mesuré avec la barrière.
- Les deux ressorts donnent le même Δp, mais le contact du ressort souple dure 3,5 fois plus longtemps et sa force maximale est 3,5 fois plus petite.
- La zone déformable et l'airbag rebondissent à peine : Δp est donc environ deux fois plus petit. Ils absorbent aussi environ 4,2 à 4,5 J d'énergie cinétique.
- Les courbes rouge et bleue sont symétriques : le mur pousse le chariot aussi fort que le chariot pousse le mur.
Questions pour les élèves
- (Prédiction, reposée après le TP) Comment se compare la force maximale avec un ressort souple et avec un ressort dur ?
- Quelles grandeurs doivent rester identiques quand vous comparez les pare-chocs ?
- Avec un ressort dur, m₁ = 1,0 kg et u₁ = 3,0 m/s, quelle est la force maximale ?
- Combien de fois la durée du contact avec le ressort souple est-elle plus longue qu'avec le ressort dur ?
- Utilisez la quantité de mouvement pour expliquer pourquoi un airbag réduit la force sur le conducteur lors d'un choc.
Réponses pour l'enseignant : (1) Le ressort souple donne une force maximale plus petite (60 N contre 212 N), parce que le contact dure plus longtemps. (2) La masse m₁ et la vitesse u₁, pour que la variation de quantité de mouvement soit comparable. (3) 212 N (accepter ±2). (4) 157,1 ÷ 44,4 ≈ 3,54. (5) La variation de quantité de mouvement du conducteur est fixée par sa masse et sa vitesse. Force = variation de quantité de mouvement ÷ durée : un airbag qui allonge la durée de l'arrêt donne donc une force plus petite.
Idées fausses fréquentes
- « Même variation de quantité de mouvement, même force. » L'impulsion est la même, mais force = Δp/Δt. Étalez la variation sur une durée plus longue et la force diminue.
- « Un pare-chocs plus souple est toujours plus sûr. » Réglez Vitesse u₁ sur 4,5 m/s avec le ressort souple : il est complètement écrasé et la force grimpe à environ 1210 N. Un dispositif de sécurité doit être souple et assez épais.
- « L'objet le plus lourd pousse plus fort. » Choisissez Chariot 2 au repos : les forces sur les deux chariots sont égales et opposées, quelles que soient leurs masses.
Prolongement
- Défi de conception (NGSS HS-PS2-3) : réglez Tâche sur Défi de conception. Un chariot de 2 kg portant un œuf heurte le mur à 3 m/s ; gardez Fmax à 100 N au plus avec un pare-chocs de 15 cm d'épaisseur au maximum. Dans la simulation, aucun ressort ne réussit : ceux qui sont assez souples arrivent en butée. Un airbag de 15 cm réussit avec 88 N ; une zone déformable avec une force d'écrasement de 90 N réussit avec exactement 90 N.
- Choisissez Heurte « Chariot 2 au repos » et vérifiez que J₁ = −J₂ pour les deux chariots.
Questions fréquentes
Le lien de classe peut-il s'ouvrir directement sur l'écran du capteur de force ?
Oui. Dans la page de partage, fixez Écran sur « Capteur de force et crash-test » dans les valeurs de départ du lien. Vous pouvez aussi fixer Pare-chocs et Heurte. Sinon, la première étape du protocole demande aux élèves d'appuyer sur le bouton.
Pourquoi J est-il négatif ?
Le chariot se dirige vers le mur dans le sens positif, et le mur le repousse. L'impulsion reçue par le chariot et sa variation de quantité de mouvement sont donc toutes deux négatives.
Où est la partie sur la conservation de la quantité de mouvement ?
Appuyez sur Retour au banc pour voir deux chariots en collision élastique ou inélastique. Le plan de séance forces et mouvement traite plus en profondeur la partie sur les forces.
Simulations et guides associés
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