chap2-energie_chaines_et_conservation_2l

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2L
Cours Physique
CONSERVATION DE L’ENERGIE
Chap2 :
Dans le chapitre précédent nous avons parlé des différentes sources d’énergie que l’homme
utilise : énergie éolienne, solaire, électrique, chimique ou nucléaire en insistant sur les
sources renouvelables et les sources non renouvelables.
Dans ce chapitre, nous allons préciser cette notion d’énergie et présenter la loi fondamentale
qui l’accompagne : le principe de conservation de l’énergie. Cette nouvelle loi constituera
un outil très pratique pour résoudre rapidement certains problèmes physiques.
I.
1.
Différentes formes d’énergie
Qu’est-ce que l’énergie ?
De façon un peu plus précise qu’au chapitre précédent, on peut définir l’énergie comme :
L’énergie est la « capacité d’un système (objet) à agir sur un autre système afin de modifier son état ».
Cette modification d’état peut concerner une modification de sa position, de sa vitesse, de sa température, de son état physique
(solide, liquide, gaz), de ses propriétés physiques, chimiques ou nucléaires…
2. Différentes formes d’énergie
a) L’énergie mécanique
Il y a des formes d’énergie facilement observables par l’Homme. Ce sont des énergies dites « macroscopiques ». Ensemble, elles
forment l’énergie mécanique.
L’énergie mécanique notée Em est une énergie ………………………….. (= observable).
Compléter les trous à l’aide des mots suivants : altitude (hauteur) / déformation / vitesse
L’énergie mécanique comprend :
- l’énergie potentielle de pesanteur Epp que
- l’énergie potentielle élastique Epe
- l’énergie cinétique Ec que
possède
que possède un système du fait de sa
possède un système du fait de
un
système
du
fait
de
son
......................................... par rapport au sol
sa ..........................................
.......................................... (ex : ressort,
arc, trampoline…)
b) L’énergie interne
Il existe aussi des formes d’énergie invisible pour l’Homme. Ce sont des énergies dites « microscopiques ». Ensemble, elles forment
l’énergie interne.
L’énergie interne est une énergie ………………………………… (= invisible).
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Compléter les trous à l’aide des mots suivants : covalentes / hydrogène / mouvement / nucléaire
L’énergie interne comprend :

l’énergie thermique Eth : c’est
l’énergie
associée
Ex1 : mouvements désordonnés des
Ex2 : vibrations des atomes dans un
atomes ou des molécules dans un
solide.
liquide ou un gaz.
au
.................................................... des
particules (atomes, molécules, ions)
qui composent le système.

l’énergie « stockée » dans les liaisons :
On y trouve :
-
l’énergie physique Eph stockée dans les liaisons physiques (liaisons de Van der Waals ou liaisons ……………………………),
-
l’énergie chimiques Ech stockée dans les liaisons chimiques (liaisons …………….…………… ou ioniques),
-
l’énergie nucléaire Enucl stockée dans les liaisons ……………….……..…..
Compléter les trous à l’aide des mots suivants et de quelques chiffres : réaction chimique / réaction nucléaire / changement d’état
Ex1 : au cours d’un ………………………………………………….. (ici vaporisation de l’eau),
des liaisons de Van der Waals ou des liaisons hydrogène ont été cassées. On dit que l’énergie
physique Eph varie.
eau gaz
avant
après
eau liquide
eau liquide
Ex2 : au cours d’une ………………………………………………………. (ici C + O2  CO2), des liaisons covalentes ont été cassées
(ici une liaison O = O) et d’autres se sont formées (ici 2 liaisons C = O). On dit que l’énergie chimique Ech a varié.
avant
après
Ex3 : observons la réaction de fusion que l’on essaie de réaliser sur Terre : un noyau de
deutérium (contenant ….. proton et ……. neutron) et un noyau de tritium (contenant …..
proton et ……. neutrons) peuvent fusionner en un noyau d’hélium (contenant ……..
protons et …….. neutrons). Cette réaction libère de l’énergie et un neutron libre.
Au cours de cette …………………………………………………………. des liaisons
nucléaires ont été cassées. On dit que l’énergie nucléaire Enucl a varié.

Rem 1 : d’où vient l’énergie ? De la masse perdue au cours de la réaction.
masse (Hélium + Neutron) < masse (Deutérium + tritium) et la différence de masse m
s’est transformée en énergie d’après la célèbre formule d’Einstein : E = m*c2.

Rem 2 : une réaction de fusion assez proche a lieu dans le Soleil, c’est ce qui lui
permet de briller et de nous éclairer (réchauffer).
avant
après
3
3.
Transferts énergétiques
Compléter les trous à l’aide des mots suivants : courant électrique / chaleur / force / rayonnement
L’énergie d’un système peut augmenter ou diminuer en changeant de formes.
Ceci peut se réaliser par 4 moyens différents :
a) par travail mécanique Wm lorsqu’une …………………… est responsable de la variation d’énergie.
b) par travail électrique We lorsqu’un …………………………………… est responsable de la variation d’énergie.
c) par travail rayonnant Wr lorsqu’un ………………….………… (une onde) est responsable de la variation d’énergie.
d) par chaleur Q lorsque la …………………… est responsable de la variation d’énergie.
Rem : un système possède de l’énergie mais ne possède pas de travail ou de chaleur. Les travaux et la chaleur sont comme les
« coups de poing » : on peut en donner 2, en recevoir 3 mais on ne peut pas en posséder « en stock ».
Trouver les erreurs dans cette animation.
http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations-flash/energies/l-energie-et-ses-transformations
Exo 1 : au point A, le skieur possède une ……………………….. supérieure à celle du
point B, il possède donc une énergie ………………………………………………
Cette énergie permet de le mettre en mouvement : il descend. En descendant, son
altitude diminue (donc ……… ) mais sa ………………………… augmente.
L’énergie
potentielle
de
pesanteur
s’est
donc
transformée
en
énergie
………………………………... ( …… ) Cette transformation s’est réalisée grâce à
une
……………………..
(le
poids
du
skieur),
donc
par
………………………………………………………………………..
On peut schématiser cette situation par la chaîne énergétique suivante :
Epp
Ec
Wm
skieur
skieur
Exo 2 : dans la situation suivante, on
suppose que le skieur est immobile en A. Le
bateau le tire jusqu’en B puis le laisse. Le
skieur monte alors sur le tremplin BC puis
saute : il monte jusqu’en D puis retombe
dans l’eau où il finit par s’arrêter.
Compléter
la
chaîne
énergétique
correspondant au système { skieur }.
Rem : on ne représente que les formes d’énergie les plus intéressantes (les plus significatives) qui se transforment.
………..
………
Skieur
immobile
Skieur
en
mouvement
………..
………
Skieur
monte
………..
qui
………
Skieur qui
retombe
4
Exo 3 : au cours de l’explosion,
grotte
l’énergie ……………………..
contenue dans la dynamite s’est
transformée par les ……………
de
pression
(
….
)
en
mouvement des morceaux de
grotte (donc ………..) , en
dynamite
mouvement puis altitude du
frère d’Ali Baba (donc …… puis ……) , en énergie ……………………. de l’air extérieur qui a vu sa température augmenter par 2
moyens : chaleur ( ……. ) et bruit (qui est une onde donc ……..).
La
chaîne
énergétique
correspondant à cette situation
est donc la suivante (si, si !) :
Ec
Wm
Ech
Dynamite
Grotte
Ec
Wm
Homme
Epp
Wm
Homme
Eth
Q
Wr
Air extérieur
Exo 4 : compléter la
chaîne
énergétique
correspondant à cette
situation.
………..
………..
………..
………
Ressort +
poing
II.
Ressort
poing
+
………
Tête
singe
………..
du
………
Air
extérieur
Etude de l’énergie potentielle de pesanteur et de l’énergie cinétique
1. Rappels du 1er cycle
On s’intéresse à un objet de masse m qui se déplace à la vitesse v.
 Sur la Terre, cet objet possède un poids P proportionnel à sa masse m et à
l’intensité g du champ de pesanteur (gravité) de la Terre. On a donc la relation :
P = ………………………
Unités : P en …………….……….. de symbole ………., m en …………….………….. de symbole …………....
et g = ……………………….. (valeur + unité).
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 La vitesse moyenne de l’objet vm correspond au rapport de la distance d
parcourue par la durée t du parcours. On a donc la relation :
vm = ………………………
Unités officielles : vm en …………….………………..…... de symbole ………., d en …………….……….. de symbole …………....
et t en ……………………….. de symbole ………..
Rem : l’unité de vitesse la plus couramment utilisée est le kilomètre par
heure (km/h) ; c'est l'unité usuelle mais ce n'est pas l'unité légale
(officielle). Calculer la correspondance entre les deux unités :
1m ................m .........km


 ...............km / h
1s
3600s
......h
Aide : 1 h = ……. min = ………………………………. S.
Exo 5 : a) Calculer le poids d’une voiture de masse m = 1,25 tonne.
b) Cette voiture roule à la vitesse de 100 km/h, calculer sa vitesse en m/s.
c) Cette voiture roule à 35 m/s, calculer sa vitesse en km/h.
2. Etude de Epp
a) Exemple
Une personne souhaite placer un objet de masse m sur une étagère à l’altitude z. Cet objet est
initialement posé sur le sol. Pour y parvenir, la personne doit fournir un effort.

Si la masse de l’objet augmente, l’effort à fournir est-il plus important ?

Si l’altitude de l’étagère augmente, l’effort à fournir est-il plus important ?

Si cette expérience pouvait avoir lieu sur la Lune où le champ de pesanteur est moins
m
z
important, l’effort à fournir serait-il plus important ?
Lors de cette expérience, l’objet reçoit de la personne un travail mécanique (grâce à une force) qui
lui a fait gagner de l’altitude, donc de l’énergie ………………………………………………………
Cette énergie est d’autant plus grande que la masse m du système est …………………., que l’altitude z du système est …………….
et que le champ de pesanteur g est ………………………...
b) Expression de Epp
Pour un objet de masse m et situé à l’altitude z par rapport au sol, on a :
Epp= m.g.z
Unités : Epp en ………….., m en ………….. , z en ………….. et g = 9,8 N/kg : intensité du champ de pesanteur de la Terre.
Exo 6 : calculer l’énergie potentielle de pesanteur d’un ballon de foot de 600 g situé à une altitude de 9,5 m au-dessus du sol.
Attention aux unités !
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3. Etude de Ec
a) Exemple
m
Une personne souhaite aider un enfant à faire du vélo. Pour cela elle le pousse et lui transmet ainsi
une vitesse v. On suppose que la route est horizontale. Tout comme dans l’exemple précédent, la
personne doit fournir un effort.

Si la masse de l’enfant (ou du vélo) augmente, l’effort à fournir est-il plus important ?

Si la personne veut donner plus de vitesse à l’enfant (et à son vélo), l’effort à fournir est-il plus
v
important ?
Lors de cette expérience, l’enfant et son vélo reçoivent de la personne un travail mécanique (grâce à
une force) qui leur a fait gagner de la vitesse, donc de l’énergie ……………………………………
Cette énergie est d’autant plus grande que la masse m du système {enfant + vélo} est …………………. et que la vitesse v du système
{enfant + vélo} est ……………..…….
b) Expression de Ec (voir le TP)
 Etablir une chaine énergétique simple de la situation du TP.
voiture
z
cale
 Conclure en complétant le texte : au cours de la descente, l’énergie potentielle de pesanteur de la voiture s’est transformée en
………………………………………….. de cette même voiture.
 Rappeler la relation entre v, g et z obtenue en TP : …………………………………………………………………………….
 Multiplier chaque côté de la relation par le facteur « ½ m » : …………………………………………………………………………
 Conclure : l’énergie potentielle de pesanteur de la voiture de valeur EPP = m*g*z s’est transformée en ……………………………
…………………….. de valeur ………………………
Conclusion :
Pour un objet de masse m et de vitesse v, on a :
Ec = ½ m .v2
Unités : Ec en ………….., m en ………….. et v en ………………….
Exo 6 : a) Calculer l’énergie cinétique d’une personne de 70 kg roulant à 50 km/h. Attention aux unités !
b) A quelle altitude doit se situer cette personne pour avoir une énergie potentielle de pesanteur équivalente ? On donne : g = 9,8 N/kg
c) A combien d’étages d’une maison correspond cette altitude sachant qu’un étage mesure 2,5 m ?
d) Refaire tous les calculs pour une vitesse de 100 km/h .
Rem : 1. On voit bien que Ec ↑ si v ↑ mais pas de façon proportionnelle.
2. Lors d’un choc entre véhicules, l’énergie cinétique des véhicules sert à déformer les carrosseries et à les échauffer : les dégâts sont
donc globalement proportionnels au carré de la vitesse des véhicules : un accident à 160 km/h est …………… fois plus dangereux
qu’un accident à 80 km/h et …………… fois plus dangereux qu’un accident à 40 km/h !!
C’est entre autre pour cette raison que les distances de freinage recommandées par le code de la route ne sont pas proportionnelles à la
vitesse de la voiture (mais plutôt au carré de la vitesse).
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III. Conservation de l’énergie mécanique
1. Expression de Em
On rappelle que l’énergie mécanique Em est la somme de l’énergie cinétique et des énergies potentielles de pesanteur et élastique :
Em = Ec + Epp + Epe
On supposera pour la suite que le système ne possède pas d’énergie potentielle élastique : Epe = 0 donc
Em = Ec + Epp
Exo 7 : calculer l’énergie mécanique que possède un avion de masse m = 240 tonnes volant à l’altitude z = 9,5 km à la vitesse
v = 850 km/h. Attention aux unités ! On donne g = 9,8 N/kg : intensité du champ de pesanteur de la Terre.
2. Retour sur le TP
Au cours de son mouvement, l’énergie ………………….. gagnée par la voiture est …………………… à son énergie ………………
……………………………… perdue.
Au bilan, la voiture n’a ni gagné ni perdu d’énergie ; sa quantité totale d’énergie mécanique est restée ………………………….
Ce résultat est valable pour tous les mouvements lorsqu’il n’y a pas de frottements ni de chocs « mous ».
Pour s’amuser et comprendre :
http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/lycee/premiere_1S/energie_potentielle_cinetique_mecanique.htm
http://phet.colorado.edu/en/simulation/energy-skate-park-basics
3. Généralisation : conservation de l’énergie mécanique
CONSERVATION de L’ENERGIE MECANIQUE : en l’absence de…………………………….. (et de chocs mous) l’énergie
mécanique d’un système est ……………………….
4. Exemples (tous les frottements seront négligés)
z
a) Exo 8 : saut à l’élastique : un élève de masse 60 kg ayant raté son dernier devoir de
physique se laisse tomber sans vitesse (v1 = 0) d’un pont situé à une altitude z1 = 120 m au
dessus du sol.
Pont (1)
z1
 Calculer EC1 , Epp1 et Em1 de l’élève en haut du pont (position 1). On prendra g = 10
N/kg.
 Puisqu’on néglige les frottements, l’énergie mécanique est……………………….
Ainsi Em2 = ………… = ………………..
 Calculer Epp2 lorsque l’élève arrive au sol (position 2) à l’altitude z2 = 0 m.
 En déduire les valeurs de EC2 puis de la vitesse v2 atteinte par l’élève au niveau du sol.
Vous donnerez le résultat en m/s puis en km/h.
z2
Sol (2)
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b) Exo 9 : tir au pistolet : un individu tire au pistolet verticalement à partir du sol. La balle de masse m = 5,0 g
part à la vitesse v1 = 600 m/s. On veut connaitre l’altitude z2 atteinte par la balle avant de retomber.
 Faire un dessin de la situation en trouvant les positions (1) et (2)
intéressantes.
 Calculer EC1 , Epp1 et Em1 de la balle au moment où elle sort du
pistolet au niveau du sol. On prendra g = 10 N/kg.
 Si
on
néglige
les
frottements,
l’énergie
mécanique
est………………………. Ainsi Em2 = ………… = ………………..
 En déduire les valeurs de Epp2 puis de l’altitude théorique maximale
z2 atteinte par la balle en appliquant la loi de conservation de l’énergie.
 En réalité la balle atteint une altitude de 1,5 km. Que pouvez-vous en déduire ?
IV. Cas où l’énergie mécanique n’est pas conservée
1.
Effet des frottements ou d’un choc « mou »
Si les frottements (du sol, de l’air ou autres…) ne sont pas ……………………………… ou si le système subit un choc
« mou », son énergie mécanique n’est plus …………………………….
2.
Exemples
z
a) Exo10 : descente à vélo : un cycliste de masse m = 90 kg
(avec son vélo), initialement au repos, descend une côte en
freinant et se retrouve immobile en bas de cette côte.
haut
z1
 Calculer Em1 en haut de la descente si z1 = 200 m.
On prendra g = 10 N/kg et z2 = 0 m.
 Calculer Em2 en bas de la descente.
z2
 En quoi s’est transformée cette énergie mécanique ? Justifier
votre réponse par une chaine énergétique de la situation.
bas
0
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b) Exo11 : l’omelette à un seul œuf…
Un œuf cru de masse m = 60 g est lâché sans vitesse initiale au dessus d’un sol dur d’une hauteur de z1 = 1,5 m.
On prend comme origine des altitudes la position la plus basse : z2 = 0.
 Calculer Em1 position initiale. On prendra g = N/kg.
 Calculer Em2 lorsque l’œuf s’est écrasé au sol.

Em2……… Em1 : en quoi s’est transformée l’énergie mécanique initiale de l’œuf ? Justifier votre réponse par une chaine
énergétique de la situation.
 Qu’est-ce qui est responsable de cette diminution d’énergie mécanique ?
3.
Conclusion : dégradation d’énergie mécanique
Les exemples précédents montrent qu’une diminution d’énergie mécanique d’un système s’accompagne d’une augmentation
d’énergie du milieu extérieur (air, sol…) ou d’une partie du système (freins du vélo, œuf cassé…). On peut retenir que :
Les frottements et les chocs « mous » permettent un transfert d’énergie. L’énergie mécanique ………………………………. et
la même quantité d’énergie apparait sous d’autres formes souvent ……………………………………… Eth ou Eph, ch, nucl…)
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Chap2 :
Cours Physique
CONSERVATION DE L’ENERGIE : EXERCICES
Ex 1 : trouver 4 moyens différents (un moyen par transfert) d’augmenter l’énergie thermique (donc la température) d’un litre de
Glühwein contenu dans un récipient.
Ex 2 : représenter les chaînes énergétiques simples (2 ou 3 cases maximum) correspondant aux
situations suivantes :
a) On fait chauffer son bol de thé au four à micro-onde.
b) On fait chauffer ses tartines au grille-pain
c) On éclaire sa maison grâce à des panneaux solaires
d) Une voiture à essence avance sur un sol horizontal
e) voir figure de droite
Ex 3 : trouver l’erreur et corriger les phrases fausses.
a) Sur un paquet de sucre, on peut lire : « poids net : 1 kg »
b) Le docteur demande à Niels « quel est ton poids ? ». Niels répond « 65 kg ». « Faux » affirme le docteur.
Pour apporter la preuve, Niels monte sur un pèse-personne et l’aiguille s’arrête sur « 65 »
b.1) Qui a raison ?
b.2) Quel est le « vrai poids » de Niels. On donne l’intensité du champ de pesanteur de la Terre : g = …. à savoir !
b.3) Choisir la bonne réponse : sur la Lune, l’aiguille du pèse-personne indiquerait-elle une valeur inférieure /
supérieure à « 65 » ?
égale
/
Ex 4 : service express !
Le service de tennis le plus rapide a été chronométré à 263 km/h (Samuel Groth en 2012).
1) Calculer cette vitesse en unité légale.
2) Calculez la durée écoulée entre l’instant de la frappe et celui du contact avec le sol pour un trajet rectiligne de longueur 20 m.
Ex5 : énergies
a) Calculer l’énergie cinétique d’un pétrolier de 500 000 tonnes navigant à la vitesse de 10 nœuds (1 nœud = 1,854 km/h).
b) Calculer la vitesse (en km/h) d’un ballon de foot de 600 g pour avoir une énergie cinétique de 50 J.
c) Calculer l’énergie potentielle de pesanteur d’une balle de tennis de 58 g située au 67 ème étage d’un gratte-ciel (hauteur d’un étage =
2,80 m).
d) Calculer la hauteur à laquelle doit se situer un ballon de foot de 600 g pour avoir une énergie potentielle de pesanteur de 50 J.
Ex6 : chute libre
Une chute est dite « libre » si on néglige les frottements (résistance) de l’air.
Aide : utiliser la conservation de l’énergie comme en classe en trouvant les positions (1) et (2).
a) Une balle est lâchée sans vitesse à une altitude z1 = 60 m. Quelle est sa vitesse d’arrivée au sol ?
b) Une balle lâchée verticalement arrive au sol avec une vitesse v2 = 72 km/h. Déterminer la hauteur (altitude) de chute.
z
Ex7 : conservation de l’énergie mécanique ?
un cycliste de masse m = 90 kg (avec son vélo), initialement au repos,
descend une côte.
 Calculer EC1 , Epp1 et Em1 en haut de la descente si z1 = 120 m.
On prendra g = 10 N/kg et z2 = 0 m.
 Déterminer EC2 en bas de la descente si on néglige tous les frottements.
En déduire la valeur de sa vitesse v2 en bas de la descente (en km/h).
 En réalité v2 = 72 km/h. Calculer alors Em2 en bas de la descente. Que
pouvez-vous en déduire ?
 En quoi s’est transformée cette énergie mécanique ? Faire une chaîne
énergétique de la situation.
haut
z1
z2
bas
0