II. Travail du poids et d`une force électrostatique

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TS
Thème : Comprendre
Activités
Physique
Travail et énergies
Chap.8
I. Travail d’une force constante
Activité
3. Définition
Soit une force
Error!
constante appliquée entre les points A et B. Le travail de cette force entre le point A et
B, notée WAB(
Error!
) est égal au produit scalaire du vecteur force
Error!
par le vecteur déplacement
Error!
:
Error!
avec WAB en joule (J), F en Newton(N), AB en mètre (m).
Exercice 1 p.229 sauf c)
4. Travail moteur, travail résistant
Lorsque le système reçoit du travail d’une force extérieure, alors ce travail est positif, il s’agit d’un travail
moteur.
Lorsque le système fournit du travail au milieu extérieur alors le travail est négatif, il s’agit d’un travail
résistant.
Compléter le tableau suivant :
Valeur du travail
Travail moteur ou résistant ?
= 0
WAB(Error!) =
...........................................
Travail ............
0 < <
Error!
WAB(Error!) =
...........................................
Travail ............
= Error!
WAB(Error!) =
...........................................
Travail nul
Error! <
<
WAB(
Error!
) =
...........................................
Travail ............
=
WAB(Error!) =
...........................................
Travail ............
Error!
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II. Travail du poids et d’une force électrostatique conservative
1. Travail du poids
Soit un objet de masse m se déplaçant d’un point A à un point B dans un référentiel galiléen. Le vecteur
déplacement à pour expression dans le repère cartésien orthonormé :
Error!
Error!
Le champ de pesanteur a pour intensité g.
Calcul du travail du poids (force constante) le long du chemin AB :
Error!
= m
Error!
soit
Error!Error!
WAB (
Error!
) =
Error!
.
Error!
=
Error!
.
Error!
WAB (
Error!
) = 0 (xB – xA) + (yB – yA) (-mg)
Error!
avec WAB (
Error!
) en joules, m en kg, yA et yB en mètres.
Le travail du poids ne dépend pas du chemin suivi (voir document 5 ci-dessous) mais uniquement de
l’altitude initiale et de l’altitude finale : le poids est une force conservative.
Exercice 1 p.225+ exercice 4 p.229
2. Travail d’une force électrostatique conservative
Rappel: entre 2 plaques chargées règne un champ électrique
Error!
orienté de la plaque positive vers la plaque
négative. La valeur du champ électrostatique entre 2 plaques P (plus) et N (négative) est égale à la tension UPN
divisée par la distance d entre les plaques : E =
Error!
avec UPN en volts, d en mètres et E en V/m (ou V.m-1)
Une particule de masse M , supposée ponctuelle, de charge électrique q et de masse m, est placée dans un
champ électrostatique uniforme
Error!
. Elle est soumise à une force électrostatique
Error!
= q
Error!
. Elle se
déplace d’un point A à un point B. Le travail de la force électrostatique le long de n’importe quel chemin AB
vaut :
WAB(
Error!
) = q
Error!
.
Error!
= q E AB cos() ; AB cos() = L or E =
Error!
donc E =
Error!
(voir
ci-dessus)
soit WAB(
Error!
) = q E L = q E
Error!
= q UAB
Error!
avec WAB(
Error!
) en J, q en C, E en V.m-1 et UAB en V
Le travail de la force électrostatique ne dépend pas du chemin suivi, (Doc. 5 ci-dessus) mais uniquement de
la tension électrique entre les points A et B. La force électrostatique est donc une force conservative.
le travail de la force électrostatique est moteur ou résistant, tout dépend du signe de la tension UAB et du signe de
la charge q.
Exercice 2 p.225+ exercice 2 p.229
Travail du poids
Travail d’une force électrostatique
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III. Force de frottement non conservative
Soit une force de frottement
Error!
constante appliquée entre les points A et B. Le travail de cette force entre
le point A et B est : WAB (
Error!
) =
Error!
.
Error!
= f AB
cos()
Error!
avec WAB (
Error!
) en J, f en N, AB en m.
En général, le travail de la force de frottement est négatif, il est
résistant car la force de frottements est généralement opposée au
sens du mouvement.
Ce travail dépend du chemin suivi. Considérons un chemin 1, AB, puis un chemin 2, ADCB. Le
travail W1 de la force de frottement le long du chemin 1 et W2 le long du chemin 2 sont différents. En valeur
absolue W1 < W2.
Le travail d’une force de frottement dépend du chemin suivi: la force de frottement est une force non
conservative.
Forces de frottements : Exercice 3 p.225+ exercice 5 p.229
Forces conservatives ou non : exercice 4 p.225 + exercice 8 p.229
IV. Energies et travaux des forces conservatives
Remarque préalable : une variation d’une grandeur est toujours la différence entre la grandeur à l’état final et celle
à l’état initial
1. Variation d’énergie potentielle de pesanteur Epp et travail du poids
Considérons une altitude de référence z0 = 0 m. Un solide de masse m placé dans le champ de pesanteur
terrestre g à une altitude z possède une énergie potentielle de pesanteur :
Epp = mg(z- z0) = m g z avec Epp en J, m en kg, z en m
La variation d’énergie potentielle d’un objet de masse m se déplaçant d’un point A d’altitude zA à un point B
d’altitude zB est : Epp = Epp(B) – Epp (A) = mgzB – mgzA = mg (zB – zA)
Le travail du poids d’un objet de masse m se déplaçant d’un point A d’altitude zA à un point B d’altitude zB dans
un référentiel galiléen était : WAB (
Error!
) = mg (zA – zB)
Le travail du poids, force conservative, est égale à l’opposée de la variation d’énergie potentielle :
Error!
2. Variation d’énergie potentielle électrique et travail de la force électrostatique
La tension UAB est égale à la différence de potentiel électrique entre les points A et B : UAB = VA - VB
avec VA et VB respectivement potentiel électrique au point A et B ; Unité : potentiel et tension en volts
L’énergie potentielle électrique d’une charge q dont le potentiel électrique est V est :
Epe = q V ; Unité: Epe en J, q en C, V en V
La variation d’énergie potentielle électrique entre le point A de potentiel VA et le point B, de potentiel VB est :
Epe = Epe(B) – Epe(A) = qVB – qVA = q(VB – VA)
Error!
Variation d'énergie potentielle de pesanteur
Variation d'énergie potentielle électrique
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Or le travail de la force conservative électrostatique entre le point A et le point B est :
WAB(
Error!
) = q
Error!
.
Error!
= q UAB = q(VA – VB)
Par conséquent le travail de la force conservative électrique est égale à l’opposé à la variation de l’énergie
potentielle électrique :
Error!
3. Généralisation
la variation d’énergie potentielle d’un système se déplaçant d’un point A à un point B est égale à l’opposé du
travail effectué par les forces conservatives entre le point A et le point B.
4. L’énergie mécanique: cas du mouvement sans frottement
L’énergie mécanique d’un système de masse m, se déplaçant à une vitesse v dans un champ de pesanteur
uniforme g est :
EM = EC + Epp = ½ mv² + mg(z – z0)
Si z0 = 0 alors EM = EC + Epp = ½ mv² + mgz
Le théorème de l’énergie cinétique dit que la variation de
l’énergie cinétique d’un système de masse m entre un point A et
un point B est égale à la somme du travail de toutes les forces
(conservatives ou non conservatives) :
Error!
Lorsqu’un système en mouvement n’est soumis à aucune force de
frottement (force non conservative) la variation d’énergie
mécanique est nulle au cours du temps. L’énergie mécanique se
conserve. EM = 0
En effet, pour un système soumis au poids
Error!
:
EM = EC + Epp or EcA B = WAB(
Error!
) et Epp = - WAB (
Error!
)
donc EM = WAB(
Error!
) + (- WAB (
Error!
) = 0
L’énergie cinétique se transforme en énergie potentielle de pesanteur et inversement au cours du mouvement.
5. L’énergie mécanique: cas du mouvement avec frottement
Considérons un système évoluant d’un point A à un point B soumis à des forces de frottements. La variation
d’énergie mécanique entre le point A et le point B est :
EM = EC + Epp or EcA B = WAB(
Error!
) + WAB(
Error!
) et Epp = - WAB (
Error!
)
EM = WAB(
Error!
) + WAB(
Error!
) + (-WAB (
Error!
)) = WAB(
Error!
) < 0
Lorsqu’un système en mouvement est soumis à des forces non conservatives (forces de frottement) la
variation d’énergie mécanique est égale au travail des forces non conservatives. L’énergie mécanique ne se
conserve plus. EM < 0
Tests : exercices 5-6-7 p.225
Travail des forces et théorème de l’énergie cinétique : Exercice 14 p.230
Théorème de l’énergie mécanique : exercices 11-13 p230
Exercice 24 p.233
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