chap2-energie_chaines_et_conservation_2l

1
2L Cours Physique
Chap2 : CONSERVATION DE L’ENERGIE
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.
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 cinétique Ec que
possède un système du fait de
sa ..........................................
- l’énergie potentielle de pesanteur Epp que
possède un système du fait de son
......................................... par rapport au sol
- l’énergie potentielle élastique Epe
que possède un système du fait de 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).
I. Différentes formes d’énergie
1. 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 ».

2
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 au
.................................................... des
particules (atomes, molécules, ions)
qui composent le système.
Ex1 : mouvements désordonnés des
atomes ou des molécules dans un
liquide ou un gaz.
Ex2 : vibrations des atomes dans un
solide.
 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.
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.
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).
eau liquide
eau gaz
eau liquide
avant
après
avant
après
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 :
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 qui
monte
Skieur qui
retombe
………..
………..
………
………
skieur
skieur
Wm
Epp
Ec

4
Exo 3 : au cours de l’explosion,
l’énergie ……………………..
contenue dans la dynamite s’est
transformée par les ……………
de pression ( …. ) en
mouvement des morceaux de
grotte (donc ………..) , en
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 !) :
Exo 4 : compléter la
chaîne énergétique
correspondant à cette
situation.
II. 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).
Ressort +
poing
Ressort +
poing
………
………..
Tête du
singe
Air
extérieur
………..
………..
………
………
………..
Dynamite
Grotte
Wm
Ech
Homme
Ec
Homme
Air extérieur
Wm
Wm
Epp
Eth
Q
Wr
Ec
dynamite
grotte

5
 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 :
Aide : 1 h = ……. min = ………………………………. S.
hkm
h
km
sm s
m/...............
......
.........
3600
................
1
1
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
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 !
z
m