Physique : chute d'un objet et choix de modèle
Lors d'une séance de travaux pratiques, un groupe filme la chute d'une bille d'acier de masse 50 g lâchée sans vitesse initiale d'une hauteur de 2,0 m. Le traitement vidéo donne, pour les premiers instants, une accélération de 9,6 m/s² ; vers la fin du mouvement, l'accélération mesurée décroît jusqu'à 9,0 m/s². Le groupe applique le modèle de la chute libre, calcule une durée de chute de 0,64 s et trouve, par la vidéo, 0,66 s. Un élève affirme : « La bille ne tombe pas en chute libre, donc la théorie est fausse. » Le professeur précise que l'incertitude de pointé est d'environ 0,02 s et que l'air n'est pas négligeable pour un objet léger.
1. Le modèle de la chute libre est-il réfuté par ces mesures ? Discute en termes d'écarts et d'incertitudes.
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Non, il n'est pas réfuté. Écart sur la durée : 0,66 − 0,64 = 0,02 s, exactement l'ordre de grandeur de l'incertitude de pointé annoncée. L'écart est donc non significatif. Écart sur l'accélération : 9,6 m/s² mesuré contre 9,81 m/s² attendu, soit environ 2 % ; la décroissance vers 9,0 m/s² en fin de chute s'explique par la résistance de l'air, croissante avec la vitesse, et par le pointé plus difficile quand l'objet va vite (flou de bougé). Distinction essentielle : un modèle est une simplification ; il est valide dans un domaine, pas « vrai » absolument. La chute libre néglige les frottements ; pour une bille d'acier de 50 g sur 2,0 m, cette approximation reste acceptable, ce que confirment les mesures. Conclusion : les données valident le modèle à l'incertitude près ; c'est la conclusion de l'élève qui est fausse, car elle confond écart et désaccord significatif.
2. Rédige une conclusion expérimentale correcte et indique une amélioration du protocole.
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Conclusion rédigée : « Les durées de chute mesurées (0,66 s) et calculées dans le modèle de la chute libre (0,64 s) sont compatibles compte tenu de l'incertitude de pointé (≈ 0,02 s). L'accélération mesurée en début de chute (9,6 m/s²) est proche de g = 9,81 m/s². Le modèle de la chute libre est donc validé dans les conditions de l'expérience ; la légère diminution de l'accélération en fin de chute s'interprète par la résistance de l'air et les limites du pointé vidéo. » Améliorations : augmenter la fréquence d'acquisition et utiliser un éclairage adapté pour réduire le flou ; répéter la mesure plusieurs fois et calculer un écart-type ; utiliser une bille plus dense ou chuter dans le vide partiel pour tester l'effet de l'air. Point de méthode : une conclusion expérimentale doit citer les valeurs, l'incertitude, puis trancher explicitement - compatible ou incompatible - sans jamais écrire « la théorie est fausse » à partir d'un écart non significatif.