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1ère S
Thème : Comprendre
Activités
Physique
Principe de conservation de lénergie
Chap.16
Connaissances
Connaître et utiliser lexpression de lénergie cinétique dun solide en translation et de lénergie potentielle de
pesanteur dun solide au voisinage de la Terre.
Réaliser et exploiter un enregistrement pour étudier lévolution de lénergie cinétique, de lénergie potentielle et de
lénergie mécanique dun système au cours dun mouvement.
Connaître diverses formes dénergie.
Exploiter le principe de conservation de lénergie dans des situations mettant en jeu différentes formes dénergie.
I. Lénergie potentielle
1. Définition
Lénergie potentielle est une énergie dont dispose un corps du fait
de sa forme ou de sa position dans un champ.
Exemples :
Energie potentielle de pesanteur champ de pesanteur
Energie potentielle électrique champ électrique
Energie potentielle élastique déformation dun objet
2. Exercice
Lénergie potentielle électrique dune particule de charge q
dans un champ électrique est donnée par la relation
qVEPél
avec V le potentiel électrique du point de lespace
où se trouve la particule.
Un condensateur plan est constitué de deux plaques
métalliques entre lesquelles règne un champ électrique E
uniforme (fig. 2).
Un corps de charge q = + 2,3 C se déplace du point A vers
le point B.
2.1. Déterminer lénergie potentielle électrique du corps en
A.
2.2. Même question en B.
2.3. Déterminer la variation de lénergie potentielle de ce corps lorsquil passe de la position A à la position B.
3. Lénergie potentielle de pesanteur
3.1. Quelle est la situation de la
figure 3 qui semble la plus
confortable ?
3.2. Où se trouve cachée et
stockée lénergie qui pose
problème sur lune de ces
images ?
3.3. Quels sont les paramètres
qui semblent influer sur la
valeur de cette énergie
cachée ?
Lénergie potentielle de pesanteur : Lénergie potentielle de pesanteur Epp dun corps de masse m et daltitude z
est définie par la relation :
Epp = m g z avec g le champ de pesanteur (N.kg-1) ; m en kg ; z en m et Epp en J
Remarque : laxe Oz est vertical ascendant.
Figure 1 : Energie potentielle élastique
E
3V 2V 1V 0V -1V -2V -3V
Figure 2 : charge dans un condensateur
Situation 1
Situation 2
Figure 3
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Exercice
On considère une pomme de masse m = 120 g posée sur une
étagère dont les dimensions sont données figure 4. On
prendra g = 10 N
kg -1
Dans un premier temps, laltitude de référence (0 m) sera
définie au niveau du sol sur lequel se trouve létagère.
3.4. Calculer lénergie potentielle de pesanteur de la pomme
telle que représentée sur la figure 4.
3.5. Que vaut cette énergie potentielle si la pomme est à
présent au sol ?
3.6. Calculer la variation de lénergie potentielle de la pomme
en supposant quelle tombe au sol.
On définit à présent laltitude de référence (z = 0 m) au
sommet de larmoire. Reprendre les trois questions
précédentes.
3.7. Conclure quant à limportance de laltitude de référence
lorsquon calcule une variation dénergie potentielle.
II. Lénergie cinétique
1. Analyses dimpacts
Lénergie cinétique est une énergie liée au mouvement dun
objet.
Figure 5a : impact dune bille daluminium de masse 10 mg
à 100 km/h
Figure 5b : impact dune bille daluminium de masse 10 mg
à 400 km/h
Figure 6a : impact dun projectile de masse 3 g à 200 km/h
Figure 6b : impact dun projectile de masse 30 g à 200 km/h
Plus un projectile possède dénergie cinétique plus les
dégâts quil occasionne sur une cible sont importants.
Questions :
1.1. Daprès les figures 5, de quelle grandeur physique
semble dépendre lénergie cinétique dun corps ?
1.2. Même question pour les figures 6.
2. Définition
Lénergie cinétique : Lénergie cinétique EC dun corps de
masse m se déplaçant à la vitesse v est donnée par la
relation : EC =
Error!
m v² avec m en kg ; v en m.s-1 et EC
en J
90 cm
40 cm
40 cm
Figure 4
Figure 5a
Figure 5b
Figure 6a
Figure 6b
Figure 7 :
Dégâts causés sur un satellite de communication par
une particule de la taille d'un grain de sable se
déplaçant à 10 km/s.
1 mm
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III. Conservation de lénergie
1. Principe de la conservation
« En toute rigueur, lénergie dun système isolé demeurant constante au cours
du temps, il est impropre de parler comme on le fait trop souvent de
« production » ou de « consommation » dénergie, comme si lénergie pouvait
émerger du néant ou y disparaître. Dans tous les cas, il ne sagit jamais que
de changement de la forme que prend lénergie, ou de transfert dénergie dun
système à un autre.
Par exemple, « produire » de lénergie électrique dans une centrale
hydroélectrique signifie transformer lénergie potentielle de leau du barrage
en énergie cinétique de cette eau dans les conduites, puis transférer cette énergie cinétique aux turbines et au rotor
des alternateurs, qui en définitive la transforment en énergie électrique. La viscosité de leau, les frottements et
leffet Joule soustraient de ce flux une faible partie, transformée en chaleur.
Et « consommer » de lénergie électrique pour faire fonctionner un téléviseur, cela nest jamais que la transformer
en énergie lumineuse émise par lécran, en énergie acoustique diffusée dans lair ambiant et surtout en chaleur
inutile. […]
Les technologies de lénergie visent à contrôler ses divers processus de transformation, afin de réduire la part des
formes dénergie inutiles face à la forme dénergie que lon souhaite en définitive extraire. Le premier principe de
la thermodynamique limite drastiquement les possibilités, puisque la conservation de lénergie impose que les
bilans soient équilibrés. […] Finalement, parler de l’énergie en physique, c’est parler… de toute la physique. »
Extrait de « Quelques mots sur lénergie » Etienne Klein
Questions
1.1. Dans le langage courant, quentend-on par « consommer de lénergie » ?
1.2. Lors du fonctionnement dun téléviseur, qui assure lémission d« énergie acoustique diffusée dans lair
ambiant » ?
1.3. Comment se nomme le phénomène physique qui génère de la chaleur lorsquun appareil électrique
fonctionne ?
1.4. Quelle grandeur cherche-t-on à augmenter lorsquon « visent à contrôler ses divers processus de
transformation, afin de réduire la part des formes dénergie inutiles face à la forme dénergie que lon
souhaite en définitive extraire. » ?
Principe de conservation : Lénergie dun système isolé ne peut ni être créée ni être détruite. Elle peut changer de
nature mais se conserve toujours.
2. Conservation de lénergie mécanique
Lénergie mécanique : Lénergie mécanique EM dun corps est égale à la somme de son énergie cinétique et de
son énergie potentielle : EM = EC + EP
Définition : Un corps est dit « en chute libre » sil nest soumis quà son poids.
Conclusions :
Si lénergie mécanique dun système se conserve alors sa variation EM est nulle : EM = constante ; EM = 0
En cas de force de frottement lénergie mécanique dun système ne se conserve pas : EM 0
Figure 8 : Etienne Klein
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