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Physique-Chimie · 2ème Année Bac — Sciences Mathématiques B

مجموعة ميكانيكية متذبذبة

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Le chapitre traite des systèmes oscillants mécaniques, principalement le pendule élastique (ressort) et le pendule de torsion.

  1. Pendule élastique horizontal : Un solide de masse $m$ attaché à un ressort de raideur $k$. L'équation différentielle est : $\frac{d^2x}{dt^2} + \frac{k}{m}x = 0$.
  2. Période propre : $T_0 = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}$.
  3. Énergie : $E_m = E_c + E_{pe} = \frac{1}{2}mv^2 + \frac{1}{2}kx^2 = \text{constante}$ (en l'absence de frottements).
  4. Pendule de torsion : Un solide suspendu à un fil de torsion. Équation : $\frac{d^2\theta}{dt^2} + \frac{C}{J_\Delta}\theta = 0$. Période : $T_0 = 2\pi\sqrt{\frac{J_\Delta}{C}}$.

Méthodes à maîtriser

  • Établir l'équation différentielle : Utiliser la deuxième loi de Newton (système, référentiel, bilan des forces, projection sur l'axe du mouvement).
  • Utiliser la conservation de l'énergie : Dériver l'expression de l'énergie mécanique par rapport au temps ($\frac{dE_m}{dt} = 0$) pour retrouver l'équation différentielle.
  • Déterminer les constantes : Utiliser les conditions initiales ($x(0)$ et $v(0)$) pour trouver $X_m$ et $\varphi$ dans la solution $x(t) = X_m \cos(\frac{2\pi}{T_0}t + \varphi)$.

Exemples corrigés

  • Calcul de période : Pour $m = 100\text{ g}$ et $k = 25\text{ N/m}$, $T_0 = 2\pi\sqrt{0,1/25} = 2\pi\sqrt{0,004} \approx 0,40\text{ s}$.
  • Énergie : Si $X_m = 0,05\text{ m}$, $E_m = \frac{1}{2} \times 25 \times (0,05)^2 = 0,03125\text{ J}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de convertir les unités (masse en kg, raideur en N/m).
  • Confondre la période propre $T_0$ avec la pseudo-période $T$ (en présence de frottements, $T > T_0$).
  • Mauvais signe lors de la projection des forces (le vecteur force de rappel est $-k \cdot x \cdot \vec{i}$).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 مجموعة ميكانيكية متذبذبة

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Quelle est l'unité de la constante de raideur $k$ ?

❓ Questions fréquentes

Est-ce que la période dépend de l'amplitude Xm ?

Non, pour les oscillations harmoniques (petites oscillations), la période propre $T_0$ est indépendante de l'amplitude $X_m$. Elle ne dépend que des caractéristiques du système (masse $m$ et raideur $k$ pour le ressort).

💡 À retenir : $T_0$ est une caractéristique intrinsèque du système oscillant.

Kifach n7seb JDelta dial wahed l'objet f pendule de torsion ?
  1. $J_\Delta$ est le moment d'inertie.
  2. Pour un solide simple, on utilise les formules du cours (ex: $J_\Delta = \frac{1}{2}mR^2$ pour un disque).
  3. Si le solide est complexe, on utilise la relation $T_0 = 2\pi\sqrt{\frac{J_\Delta}{C}}$ en mesurant $T_0$ et en connaissant $C$.

💡 À retenir : $J_\Delta$ mesure la répartition de la masse par rapport à l'axe de rotation.

Pourquoi l'énergie mécanique est constante ?

L'énergie mécanique $E_m = E_c + E_p$ est constante si le système est conservatif, c'est-à-dire s'il n'y a pas de forces de frottement (non conservatives) qui dissipent de l'énergie sous forme de chaleur.

💡 À retenir : En l'absence de frottements, $\frac{dE_m}{dt} = 0$.

Chno hiya l'equation differentielle exactement ?

C'est une équation qui relie la position $x(t)$ (ou l'angle $\theta(t)$) et sa dérivée seconde par rapport au temps. Elle traduit la deuxième loi de Newton. Pour un ressort, elle s'écrit $\ddot{x} + \omega_0^2 x = 0$.

💡 À retenir : La solution est toujours de la forme $x(t) = X_m \cos(\omega_0 t + \varphi)$.

Kifach n3ref wach l'oscillation hiya harmoniques wla la ?

Une oscillation est dite harmonique si son équation différentielle est de la forme $\ddot{x} + \omega_0^2 x = 0$. Cela correspond à un système sans frottements. Si l'équation contient un terme de vitesse ($\dot{x}$), l'oscillation est amortie.

💡 À retenir : Harmonique = pas de frottement = $E_m$ constante.

Est-ce que le pendule de torsion fonctionne avec la gravité ?

Non, le pendule de torsion est basé sur l'élasticité du fil (couple de rappel $C\theta$). Il fonctionne même en apesanteur, contrairement au pendule pesant.

💡 À retenir : Le moment de rappel est $M_\Delta = -C\theta$.

Comment déterminer la phase à l'origine varphi ?
  1. Utilise les conditions initiales à $t=0$ : $x(0) = X_m \cos(\varphi)$.
  2. Utilise la vitesse initiale $v(0) = -X_m \omega_0 \sin(\varphi)$.
  3. Calcule $\cos(\varphi)$ et $\sin(\varphi)$ pour trouver l'angle unique.

💡 À retenir : $\varphi$ dépend du choix de l'origine des temps.

Est-ce que k change si on coupe le ressort ?

Oui. La raideur $k$ est inversement proportionnelle à la longueur du ressort. Si tu coupes un ressort de longueur $L$ en deux, chaque moitié aura une raideur $2k$.

💡 À retenir : $k \cdot L = \text{constante}$.

C'est quoi la différence entre T0 et T ?

$T_0$ est la période propre (système idéal sans frottement). $T$ est la pseudo-période (système réel avec frottements). En général, $T > T_0$.

💡 À retenir : $T_0$ est théorique, $T$ est mesurable expérimentalement.

Est-ce que la masse m influence la période du pendule de torsion ?

Non, la période du pendule de torsion dépend du moment d'inertie $J_\Delta$ (qui dépend de la masse et de sa répartition) et de la constante de torsion $C$. La masse seule ne suffit pas.

💡 À retenir : $T_0 = 2\pi\sqrt{J_\Delta / C}$.

Kifach n7seb l'energie mecanique f l'equilibre ?

À l'équilibre, $x = 0$ et $v = v_{max}$. Donc $E_m = E_c = \frac{1}{2}mv_{max}^2$. Ou encore, aux extrémités, $v = 0$ et $E_m = E_{pe} = \frac{1}{2}kX_m^2$.

💡 À retenir : $E_m = E_{c,max} = E_{pe,max}$.

Est-ce que le ressort peut avoir une masse ?

Dans le programme, on considère toujours des ressorts à spires non jointives de masse négligeable. Si le ressort avait une masse, le calcul serait beaucoup plus complexe (à vérifier par le professeur).

💡 À retenir : Ressort idéal = masse négligeable.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un solide de masse $m = 200\text{ g}$ est attaché à un ressort de raideur $k = 20\text{ N/m}$. On écarte le solide de $x_0 = 4\text{ cm}$ et on le lâche sans vitesse initiale.

  1. Établir l'équation différentielle.
  2. Déterminer $T_0$.
  3. Donner l'expression de $x(t)$.
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Exercice 2

Un pendule de torsion a une période $T_0 = 1\text{ s}$ avec un disque de moment d'inertie $J_1$. On ajoute une masse ponctuelle $m$ à une distance $d$ du centre. La nouvelle période est $T'_0 = 1,2\text{ s}$. Calculer $J_1$.

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Exercice 3

Démontrer la conservation de l'énergie mécanique pour un ressort horizontal.

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