Les connaissances acquises à la fin de cette dernière séance associée à la ressource numérique autour de la plongée du BathyBot sont de trois ordres :
- le travail d’une force,
- l’énergie cinétique,
- la résolution de problème.
120 min.
Mathématiques
Première STI2D
Rappel des contraintes du BathyBot. Le BathyBot doit être déposé au fond de l’eau sans soulever trop de sédiments sinon le soulèvement des fonds marins peut entrainer la disparition des organismes vivants que le robot doit observer.
La durée de sa descente ne doit pas excéder 1 heure afin de ne pas compromettre l’autonomie du « Nautile » qui va surveiller la progression du robot lors de sa descente et effectuer sa mise en service.
Dans l’animation « Plongée du BathyBot », la descente du BathyBot – qui se terminera à 2000m de profondeur au lieu des 2 400 m annoncés dans la vidéo du CNRS – sera considérée comme rectiligne sans courants marins. La masse volumique de l’eau de mer est considérée comme constante à 1030 kg/m3. La masse du BathyBot est réglable ainsi que sa masse volumique car le robot peut accueillir plus ou moins de matériel de formes et de masses diverses. La vitesse initiale du robot modélise l’action des vagues au moment de la mise à l’eau du BathyBot. 0 m/s correspond à une mer absolument calme et 5 m/s correspond à une mer extrêmement agitée. Les frottements sont considérés comme solides (c’est-à-dire proportionnels à la vitesse du robot), le coefficient de proportionnalité pouvant être réglable.
En fin de descente du BathyBot, trois propositions sont faites à l’élève? :
Rétro-propulseurs – Parachute – Treuil
La seule solution valide est l’utilisation d’un treuil avec une vitesse supérieure à 0,5 m/s pour que la mission n’excède pas 1h (4000 s en fait soit 1h et 7 min) en pensant que la descente ne doit pas excéder 1 m/s pour ne pas soulever trop de sédiments au fond de l’eau ce qui compromettrait les observations de la vie sous-marine.
Cette séance va permettre d’exploiter la relation entre la variation d’énergie cinétique d’un solide en translation et le travail des forces extérieures appliquées pour déterminer une force de frottement supposée constante (frottement solide-solide).
Auteurs : Florence Muratory, lycée J.-H.-Fabre, Carpentras et Gil Artaud, lycée Adam-de-Carponne, Salon
Mots-clés :
énergie mécanique / mouvement (physique) / énergie cinétique / missionocéan3d / robot / mouvement / rectiligne uniformément accéléré / vitesse / accélération / équation du second ordre
Recherche de solutions
30 minTravaux pratiques – Observer
Activité de l’élève
Le travail de l’élève est un travail de recherche par tâtonnements à l’aide de l’animation Plongée du Bathymais la justification des résultats obtenus doit être soutenue par ses calculs.
Consigne
Complétez l’étape 1 du document élève.
FICHIER À TÉLÉCHARGER
Document élève
Plongée de BathyBot, le robot des fonds marins
Dans le cadre d’une mission dirigée par une équipe du CNRS, BathyBot est le premier robot mobile téléopéré, installé de façon permanente à 2400 mètres de profondeur dans la mer Méditerranée. Il documentera en continu la colonisation du récif artificiel BathyReef dans ce milieu. Piloté depuis la terre ferme, il sera les yeux des scientifiques dans ce monde inconnu.
Rôle de l’enseignant
Rappeler aux élèves que le BathyBot doit arriver à 2000 mètres de profondeur sans soulever de sédiments (donc à une vitesse de moins de 1 m/s) mais doit aussi effectuer sa descente en 1h environ.
Conseil à l’enseignant
Afficher un chronomètre au tableau pour limiter ou activer les recherches de l’élève qui risque de s’éparpiller sur cette recherche amusante. Par exemple, dédier un temps de 20 minutes de recherche, puis mettre en commun le ou les résultats.
Production attendue
Le document élève complété et une mise en commun de la solution.
Recherche de solutions
45 minEn classe entière – Apprendre
Activité de l’élève
Valider le théorème de l’énergie cinétique.
Consigne
Complétez l’étape 2 du document élève.
Astuce pour l’élève
Rappeler les notions de produits scalaire.
Rappeler le calcul de la poussée d’Archimède.
Conseil à l’enseignant
Encourager les élèves à utiliser les expressions littérales.
Production attendue
Le document élève complété. Un corrigé est à disposition.
Recherche de solutions
45 minEn classe entière – Apprendre
Activité de l’élève
Reprendre uniquement l’étude sans force de frottements (K = 0)
Consigne
Le travail expérimental de tâtonnements revient à essayer plusieurs valeurs pour les grandeurs de masse m, de volume V et de coefficient de frottement K. Complétez l’étape 3 du document élève.
Rôle de l’enseignant
Encourager les élèves à utiliser les expressions littérales pour montrer l’impossibilité de la descente respectant les contraintes de la mission du BathyBot.
Conseil à l’enseignant
Préparer le débat : première phase : laisser les élèves proposer des solutions et deuxième phase, proposer d’autres solutions.
Demander aux élèves pourquoi ces solutions n’ont pas été retenues et pourquoi le treuil semble être la meilleure proposition pour descendre le BathyBot.
Production attendue
Le document élève complété. Un corrigé est à disposition.
FICHIER À TÉLÉCHARGER
Document élève corrigé
Conclusion
