Formes et principe de conservation de l`énergie

Formes et principe de conservation de l’énergie
Notions et contenus
Compétences attendues
 Énergie d’un point matériel en mouvement
dans le champ de pesanteur uniforme : énergie
cinétique, énergie potentielle de pesanteur,
 Conservation ou non de l’énergie mécanique
Em.
 Frottements ; transferts thermiques ;
dissipation d’énergie.
 Formes d’énergie
 Principe de conservation de l’énergie.
 Application à la découverte du neutrino dans
la désintégration.
 Connaître et utiliser l’expression de l’énergie
cinétique d’un solide en translation et de l’énergie
potentielle de pesanteur d’un solide au voisinage de la
Terre.
 Réaliser et exploiter un enregistrement pour
étudier l’évolution de l’énergie cinétique, de l’énergie
potentielle et de l’énergie mécanique d’un système au
cours d’un mouvement.
 Connaître diverses formes d’énergie.
 Exploiter le principe de conservation de l’énergie
dans des situations mettant en jeu différentes
formes d’énergie.
I - L'énergie
1- Qu'est-ce que l'énergie ?
La notion d'énergie est associée à des situations très diverses et la définition de l'énergie est
très vaste:
On dit qu'un corps possède de l'énergie s'il peut agir sur lui même ou sur d'autres corps.
Dans cette définition " agir " signifie qu'il peut provoquer des modifications:
 de forme
 de trajectoire
 de vitesse
 de position
 de température
 de pression
 de composition chimique
 d'état électrique
2- Les principales sortes d'énergie
Les principales formes que peut prendre l'énergie sont:
 L'énergie cinétique liée au mouvement,
 L'énergie potentielle de position liée à la position,
 L’énergie potentielle élastique (un ressort),
 L’énergie thermique due à l’agitation des particules,
 L'énergie chimique (libérée lors d’une combustion par exemple),
 L'énergie électromagnétique associée à un rayonnement,
 L'énergie électrique pour les entités chargées,
 L’énergie nucléaire entre les nucléons.
3- Les transferts et conversion d'énergie
Lorsque l'énergie d'un corps est transmise à d'autres corps, on parle alors de transfert
d'énergie. Lorsque l'énergie d'un corps change de forme on parle alors de conversion d'énergie.
Thème 2 : Comprendre
- Conservation de l’énergie -
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A propos des transformations chimiques Lavoisier avait énoncé une règle simple:
" Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme"
Cette règle est aussi vraie pour l'énergie :
- Lorsqu'une énergie diminue celle-ci n'est pas perdue : elle est soit transférée à d'autres
corps soit convertie en d'autres formes d'énergie.
- Lorsqu'une énergie augmente elle ne se crée pas à partir de rien : elle provient d'autre
corps ou résulte de la conversion d'autres énergies.
En résumée tout changement d'énergie correspond soit à un transfert d'énergie vers un autre
corps soit à une conversion d'énergie.
II – Energies d’un objet ponctuel
1- L'énergie potentielle de position
Une bille, lâchée au dessus d'un récipient contenant du sable, creuse un cratère dont les
dimensions dépendent de l'énergie de la bille au moment de l'impact: plus l'énergie est élevée
plus le cratère formé est grand.
Or on peut remarquer que la taille du cratère dépend de deux facteurs. Il est d'autant plus vaste
que:
- la bille est lâchée d'une hauteur importante.
- le poids de la bille est élevé.
On peut donc en conclure qu'un corps possède une énergie qui dépend de sa hauteur et de son
poids.
On associe ainsi à tout corps une énergie de position notée E pp qui est d'autant plus élevée que
sa hauteur et sa masse sont importantes.
E
pp
= m
x
g
x
z
- m, la masse de l’objet considéré (en kg)
- g, l’intensité de pesanteur (en kg/N)
Avec
- z, l’altitude de l’objet par rapport à une référence (en général, le sol) (en m)
- E pp, en Joule (J)
Thème 2 : Comprendre
- Conservation de l’énergie -
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2- L'énergie cinétique
a) Qu'est ce que l'énergie cinétique ?
L'énergie cinétique (notée Ec) est l'énergie que possède un corps grâce à son mouvement.
Cette énergie est notamment liée à la vitesse de déplacement d'un corps : plus un corps se
déplace vite plus son énergie cinétique est grande.
Et si un corps est immobile alors son énergie cinétique est nulle.
L'énergie cinétique (Ec) d'un objet en translation est liée à sa vitesse (v) et à sa masse (m) par
la relation suivante:
2
E
c
= 1
2
x
m
x
v
- m s'exprime en kilogramme (kg)
- v s'exprime en mètre par seconde (m/s)
- E c s'exprime en joule (J)
b) Energie cinétique et chute d'un corps
Si l'on reprend l'exemple de la bille lâchée au dessus d'un récipient contenant du sable (voir II -1
L'énergie de position). On constate qu'avant de produire un cratère au contact du sable la bille
est d'abord animée d'un mouvement de chute au cours de laquelle la vitesse croît. L'énergie de
position que possède la bille, au moment où l'on la lâche, est donc progressivement convertie en
énergie cinétique au cours de la chute.
Au moment de l'impact de la bille dans le sable, son énergie cinétique est transférée aux grains
de sable qui sont projetés: il se forme alors un cratère.
III - L'énergie mécanique
Lors de la chute d'un corps l'énergie de position se convertit en énergie cinétique. Cet exemple
témoigne du lien qui existe entre ces deux énergies et qui conduit à définir une nouvelle énergie:
l'énergie mécanique.
Par définition, l'énergie mécanique d'un corps (notée Em) est la somme de son énergie
potentielle de position et de son énergie cinétique :
E
m
= E
c
+ E
p
IV – Principe de la conservation de l’énergie
L’énergie totale (celle du système étudié et du milieu extérieur), qui prend en compte toutes
les formes d’énergies possibles, se conserve : E totale = constante
1- Cas de la chute libre d’un corps
Si l'on reprend l'exemple de la bille lâchée au dessus d'un récipient contenant du sable (voir II -1
L'énergie de position). On constate qu'avant de produire un cratère au contact du sable la bille
est d'abord animée d'un mouvement de chute au cours de laquelle la vitesse croît. L'énergie de
position que possède la bille, au moment où l'on la lâche, est donc progressivement convertie en
énergie cinétique au cours de la chute.
Au moment de l'impact de la bille dans le sable, son énergie cinétique est transférée aux grains
de sable qui sont projetés: il se forme alors un cratère.
Thème 2 : Comprendre
- Conservation de l’énergie -
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Lorsqu'un corps n'est soumis à aucune autre action que son propre poids alors son énergie
mécanique se conserve. On dit que ce solide est animé d’un mouvement de chute libre (dans
le vide).
On peut alors écrire que l’énergie mécanique de ce corps est :
E
m
= E
c
+ E
pp
= constante
ou encore
E
m
= 0
Il y a conservation de l’énergie mécanique (qui représente l’énergie totale du système
étudié)
2- Cas de la chute d’un corps avec frottements
Une capsule spatiale en entrant dans l’atmosphère subit des frottements intenses qui élèvent
considérablement sa température, ce qui indique qu’un transfert thermique s’opère. L’énergie
cinétique de la capsule diminue ainsi que son énergie potentielle de position. L’énergie mécanique
diminue donc aussi alors que l’agitation thermique microscopique du solide et de son
environnement augmente.
S’il y a des frottements, l’Em ne se conserve plus, mais décroît sans cesse. Le transfert
thermique est responsable de la dissipation de l’énergie mécanique.
D’après le principe de la conservation de l’énergie, lorsqu’un corps chute avec frottements,
une partie de son énergie mécanique est :
- soit transférée à un autre système,
- soit transformée en une autre forme d’énergie.
Si le système échange avec le milieu extérieur, l’augmentation ou la diminution de l’énergie totale
du système est égale à l’énergie transférée entre le milieu extérieur et le système.
3- Application au transfert thermique
Lorsqu’un corps chaud et un corps froid, isolés du milieu extérieur, sont en contact l’un vers
l’autre, il y a transfert thermique spontané du corps chaud vers le corps froid. Ce transfert
s’accompagne de variations de température ou de changements d’état. (chapitre B5).
4- Application à la découverte du neutrino
, un noyau radioactif
père est transmuté en un noyau fils plus léger avec émission d'un électron. En 1914, James
Chadwick mesure la distribution en énergie de cet électron. Le résultat est contraire au principe
de conservation de l'énergie:
E fils + E électron < E père
Au début des années 1930, Wolfgang Pauli propose que lors de cette désintégration, il y ait aussi
émission d'une particule neutre, jusqu'alors inconnue, afin que le principe de conservation de
l'énergie soit respecté: il s'agissait du neutrino, dont l'existence ne fut attestée qu'en 1956.
Belin page 245
Thème 2 : Comprendre
- Conservation de l’énergie -
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Exercice résolu
Hachette page 228
Thème 2 : Comprendre
- Conservation de l’énergie -
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