Séquence d`enseignement sur l`énergie en 1ère S

1ère S – séquence énergie
Séquence d'enseignement sur l'énergie en
SESAMES
1ère
S
Objectifs principaux de la séquence (selon SESAMES)
Les objectifs principaux sont des reformulations par nos soins, volontairement peu nombreux, pour
tenter de dégager l'essentiel des objectifs d'apprentissage de la séquence.
 Savoir que l’énergie peut prendre différentes formes et qu’elle est caractérisée par ses propriétés de
conservation, stockage et transfert.


Quelle que soit sa forme, la grandeur énergie s’exprime en joules.
Distinguer puissance et énergie.
 Analyser une situation d’un point de vue énergétique à l’aide de la notion de rendement.
 Connaitre et utiliser un critère d’énergie renouvelable.
L'énergie dans le programme et hiérarchisation des compétences
Nous hiérarchisons ci-dessous les compétences du programme en trois niveaux d'importance.
Nos choix portent sur la construction du concept d’énergie de manière à ce qu’il soit utile pour interpréter
les problèmes énergétiques actuels dans nos sociétés. Cela nécessite qu’il soit différencié de la puissance.
De plus nous avons mis trois étoiles à la schématisation d’une chaine énergétique car elle contribue à
cette construction conceptuelle : Elle permet d’avoir une représentation commune à des situations
matérielles très diverses et donc permet une construction des concepts d’énergie et de puissance
opératoires. Elle permet dans les débats en classe de servir de référence.
juillet 2012
1ère S – séquence énergie
SESAMES
Partie traitée ultérieurement (chapitre 4 à venir)
Compétences non prises en charge dans cette séquence, vues plus loin :
Variation de température et transformation physique d’un système par
transfert thermique.
Interpréter à l’échelle microscopique les aspects énergétiques d’une
variation de température et d’un changement d’état.
Pratiquer une démarche expérimentale pour mesurer une énergie de
changement d’état.
Parties traitées par cette séquence
Cette séquence est construite avec l'idée qu'elle peut être mise en œuvre en début d'année de 1 ère S mais également
en fin d'année (ordre du programme).
Nous détaillons la séquence d'enseignement pour les parties :
 Formes et principe de conservation de l'énergie
 Convertir l'énergie et économiser les ressources
Le passage d'une partie à l'autre s'accompagne dans le programme d'un changement de volet dans le triptyque
Observer/Comprendre/Agir, dont nous faisons le choix de ne pas nous préoccuper ici. Ce découpage nous paraît en
effet très artificiel et en tous les cas absolument pas justifié au regard des savoirs enjeu : il ne s'agit pas de mettre
l'accent sur la compréhension dans le chapitre 1 et sur l'action pour les deux chapitre suivant.
Au contraire, le concept d'énergie est suffisamment transversal pour être un outil de compréhension de nombreuses
situations matérielles, dans des domaines variés.
C'est d'ailleurs parce que l'énergie est une notion récurrente du programme que nous proposons de commencer
l'année par cette partie, ce qui permettra d'ailleurs d'aborder de façon plus sereine les parties sur l'énergie nucléaire
ou sur les transferts thermiques.
La séquence proposée actuellement (3 chapitre) est censée durer 4 ou 5 semaines. Un chapitre 4 est en cours
d'écriture sur l'énergie chimique, son stockage et sa conservation.
Structure
L'ensemble se présente sous la forme d'une activité d'introduction et de 3 chapitres.
Activité d'introduction : l'énergie dans la vie courante et en physique…
Chapitre 1 Modèle de l'énergie, conservation de l'énergie
Activité 1 - Énergie cinétique et énergie potentielle de pesanteur
Activité 2 - Évolution quantitative des différentes formes de l'énergie
Activité 3 – Interprétation à l'aide du modèle
Activité 4 - cas d'un lancer vertical
Chapitre 2 Formes d'énergie : différentes façons de classer
Activité 1 – Formes d'énergie en physique
Activité 2 – Formes ou transferts ?
Chapitre 3 Transferts d'énergie
Activité 1 – Représenter une situation simple par une chaine énergétique
Activité 2 – Introduction à la puissance
Activité 3 – Transférer une quantité d'énergie plus ou moins rapidement : notion de puissance
Activité 4 – Rendement d'un convertisseur
juillet 2012
1ère S – séquence énergie
SESAMES
Activité d'introduction : l'énergie dans la vie courante et en physique…
Vous avez dit énergie ?
1) Quatre mots que vous associez à l'énergie. Si on vous dit énergie, vous dites (citez 4 mots) :
2) Quatre types d'énergie que vous connaissez :
énergie . . . . . . . . . . . . /
énergie . . . . . . . . . . . . /
énergie . . . . . . . . . . . . /
énergie . . . . . . . . . . . . /
3) Donner une note de 0 à 5 aux propriétés suivantes : 0 si la propriété ne caractérise pas du tout
l'énergie, 5 si la propriété la caractérise parfaitement.
L'énergie :
0 1 2 3 4 5
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Ça permet d'agir
C'est produit par les êtres humains
Ça se déplace facilement
Ça peut se transformer
Ça ne disparait jamais
On peut la mettre dans un récipient
Il y a des objets qui en contiennent
Ça se consomme
C'est de plus en plus rare
Ça ne se voit pas
C'est une grandeur physique
C'est indispensable pour la croissance économique
4) Les « objets » ci-dessous contiennent-ils de l'énergie ? Notez de 0 à 5 selon votre jugement.
0 1 2 3 4 5
La batterie d'une automobile
Une éolienne
Une centrale nucléaire
Le soleil
Une planète quelconque
Un objet suspendu à un fil
Un objet qui se déplace
Un four micro-onde à l'arrêt
Un moteur électrique
Une voiture
5) Les objets ci-dessous utilisent-ils de l'énergie ? Notez de 0 à 5 selon votre jugement.
0 1 2 3 4 5
Un radiateur électrique
Un moteur à essence
Un néon
Une montgolfière
Un planeur
Une pile électrique
Un four micro-onde
Une éolienne
juillet 2012
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Commentaires
Objectif de l'activité : expliciter que le concept d'énergie est largement utilisé aussi bien dans la vie
courante qu'en physique mais avec des significations et des caractéristiques différentes.
Cette activité peut sembler secondaire ou déstabilisante. Pourtant, elle motive les élèves et leur permet
de se poser des questions. C'est une introduction qui leur permet de se positionner.
Le professeur ne corrige pas l'activité mais prend soin de collecter les réponses en mettant juste en
évidence les points de consensus et les items qui divisent nettement la classe.
Le professeur aura intérêt à faire allusion plusieurs fois dans la suite de la séquence à certaines
réponses ou certains items.
Certaines propositions sont présentes pour mettre en évidence que, selon qu'on se place dans le contexte
scientifique (ce que ne manquent jamais de faire certains élèves) ou dans le contexte quotidien, les
réponses ne sont pas du tout les mêmes. Il nous parait essentiel de faire sentir ces nuances dès le début
de la séquence car elles doivent constituer un enjeu d'apprentissage et devront donc être explicitement
prises en charge. Il serait dommage et contre-productif de nier les significations et les caractéristiques
courantes de l'énergie, en niant qu'elles peuvent être différentes de celles qu'elle reçoit en physique.
En physique, l'énergie est d'abord définie par ses propriétés. C'est la raison pour laquelle les
caractéristiques de l'énergie sont d'abord sondées. Certaines items permettent de discriminer nettement
l'usage courant de l'usage scientifique (dans la vie courante, l'énergie se consomme, est produite par les
êtres humains ou disparaît.
Les questions sur les objets qui contiennent ou utilisent de l'énergie permet, en plus de distinguer
contexte scientifique et contexte courant, d'aborder le problème de la fonction des objets vis-à-vis de
l'énergie (on dira plus tard stocker ou transférer…).
juillet 2012
1ère S – séquence énergie
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Chapitre 1. Modèle de l'énergie, conservation de l'énergie.
Compétences du BO travaillées :
 Connaitre 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 du mouvement.
Activité 1 - Énergie cinétique et énergie potentielle de pesanteur
Objectif : Se familiariser avec les grandeurs énergies cinétique et potentielle de pesanteur.
Une personne tient une balle entre ses mains au dessus du sol. Elle lâche la balle. La vitesse de la balle ne cesse
d’augmenter jusqu’à ce qu’elle atteigne le sol. On étudie ici le mouvement de la balle entre le lâcher et le moment
qui précède juste l'impact sur le sol.
1. Indiquer ci-dessous comment évoluent hauteur et vitesse pendant la descente.
Instant initial
Pendant la descente
(mettre diminue, augmente ou reste constante)
hauteur
vitesse
h
0
diminue
augmente
2. Pourquoi peut-on dire, en physique, que la balle a de l'énergie avant qu'elle ne soit lâchée ?
3. Pourquoi peut-on dire, en physique, que la balle a de l'énergie lors de la descente ?
Lire le § A du modèle de l'énergie mécanique
4. À l'aide de ce modèle, remplir le tableau ci-dessous.
Énergie cinétique
Énergie potentielle de pesanteur
Instant initial
Pendant la descente
(mettre nulle ou maximale)
(mettre diminue, augmente ou reste constante)
nulle
max
augmente
diminue
Activité 2 - Évolution quantitative des différentes formes de l'énergie
Par soucis de simplicité, on choisit de considérer que l'altitude est nulle lorsque la balle touche le sol.
L'énergie potentielle de pesanteur est donc également nulle lorsque la balle est au sol.
1. Expliquer pourquoi on peut considérer qu'elle a pourtant encore de l'énergie potentielle ?
A l’aide de deux vidéos de chute verticale de deux objets (situations 1 et 2), nous allons étudier l’évolution
temporelle des différentes formes d'énergies (énergie cinétique, énergie potentielle de pesanteur) et de l'énergie
mécanique. Chaque binôme prend en charge une des deux vidéos puis devra comparer ses résultats avec ceux d'un
binôme voisin.
En vous aidant de la notice fournie :
- choisir un repère dont l'origine est au sol et indiquer l'échelle sur la vidéo ;
- faire le pointage des différentes positions du centre de l'objet ;
- transférer les données dans Regressi ;
- saisir les formules qui permettent de calculer :
- la vitesse pour un instant ti : v[i] = - (y[i+1]-y[i-1])/(t[i+1]-t[i-1])
- l'énergie cinétique
- l'énergie potentielle
- l'énergie mécanique
- tracer dans un même repère les courbes donnant l'évolution des trois énergies en fonction du temps
2. En comparant avec le travail d'un binôme ayant traité l'autre vidéo, remplir le tableau suivant.
Énergie cinétique
Énergie potentielle de pesanteur
Énergie mécanique (situation 1)
Énergie mécanique (situation 2)
juillet 2012
Instant initial
Pendant la descente
(mettre nulle ou maximale)
(mettre diminue, augmente ou reste constante)
nulle
max
augmente
diminue
constante
diminue
1ère S – séquence énergie
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3. Proposer une interprétation à la différence d'évolution de l'énergie mécanique entre les deux situations
étudiées.
On attend ici une réponse en termes d'objets/évènements du type "parce qu'il y a des frottements, parce que
l'objet chauffe, parce que l'objet va moins vite en bas…"
Il est important de choisir deux objets de même masse mais dont seule la résistance à l'air change car pour
l'activité suivante il est important que les élèves puissent affirmer que les valeurs et l'évolution de l'énergie
potentielle sont rigoureusement les mêmes dans les deux cas puisque l'on s'intéresse à deux mouvements
sur un même déplacement.
Activité 3 – Interprétation à l'aide du modèle
Lire le § B du modèle de l'énergie mécanique
1. D'après les observations de l'activité précédente, dans quel cas la balle en chute verticale peut être
considérée comme un système isolé ?
2. Que devient l'énergie mécanique perdue par le système balle dans la 2e situation ?
On attend seulement des termes comme chaleur, énergie thermique…
Si les élèves disposaient du modèle de l'énergie, ils disposeraient d'une description des transferts et
invoqueraient alors le transfert mécanique (car il y a variation de vitesse). Or ici le transfert mécanique a
bien lieu mais entre 2 parties du système considéré. Le système {Terre+balle} ne perd pas d'énergie par
transfert mécanique : ce qu'il gagne en énergie cinétique, il le perd en énergie potentielle. C'est toute la
difficulté, peu rigoureuse mais contrainte par le programme, de considérer que le système étudié est la
balle alors que c'est bien le système {Terre+balle} que l'on devrait étudier. Ici, on souhaite pouvoir
s'appuyer sur le sens commun : le système cède de l'énergie car il y a des frottements ou car "ça chauffe"
du fait des frottements…
Pour aller plus loin :
Cocher, en expliquant, la ou les proposition(s) qui vous paraisse(nt) en accord avec le modèle.
Dans la 1ère situation, l'énergie mécanique est constante pendant la descente car :
 la perte d'énergie potentielle est compensée par le gain d'énergie cinétique
 la perte d'énergie cinétique est compensée par le gain d'énergie potentielle
 l'énergie potentielle et l'énergie cinétique sont constantes
Dans la 2e situation, la diminution d'énergie mécanique entre le début et la fin de la chute est due :
 à une augmentation d'énergie cinétique plus faible que dans la situation.
 à une diminution d'énergie potentielle plus importante que dans la situation 1.
Cette fin d'activité n'est pas centrale au sens où elle contribue peu aux objectifs principaux et aux
compétences exigibles. Elle permet cependant aux élèves les plus à l'aise d'approfondir le sujet en prenant
en particulier conscience que le gain d'énergie cinétique se fait au détriment du gain d'énergie potentielle
dans le cas d'une chute sans frottement et que la perte d'énergie potentielle n'est, dans le cas de la situation
2, que partiellement compensée par le gain d'énergie cinétique puisqu'une partie de cette perte se fait au
profit de l'échauffement.
Activité 4 - cas d'un lancer vertical
Remplir le tableau suivant dans le cas d'un lancer vers le haut sans frottement.
Altitude
vitesse
Énergie cinétique
Énergie potentielle
pesanteur
Énergie mécanique
juillet 2012
Instant initial
Pendant la montée
Au point culminant
(mettre nulle ou maximale)
(mettre diminue, augmente ou reste constante)
(mettre nulle ou maximale)
augmente
diminue
Diminue
augmente
Max
Nulle
Nulle
max
0
max
max
de 0
constante
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Modèle de l'énergie mécanique (chapitre 1)
A- Deux formes d'énergie
En physique, lorsqu'on veut étudier du point de vue de l'énergie un système qui peut se déplacer à la
surface de la Terre, on s'intéresse aux deux formes d'énergie particulières qu'il peut avoir :
- l'une liée à son mouvement, l’énergie cinétique notée Ec
- l'autre liée à sa position par rapport à la surface de la Terre, l’énergie potentielle de pesanteur notée
Epp.
Énergie cinétique
Énergie potentielle de pesanteur
L’énergie cinétique Ec (en joule)
L’énergie potentielle de pesanteur Epp (en joule)
d’un système de masse m (en kg)
d’un système de masse m (en kg)
-1
se déplaçant à la vitesse v (en m.s )
dont l'altitude du centre d'inertie est z (en m)
s'exprime :
s'exprime :
Epp= m g z
Ec = m v2
où g est l’intensité du champ de pesanteur (N.kg-1).
Énergie mécanique
La somme de ces 2 énergies constitue l’énergie mécanique du système notée Em.
Ainsi, Em= Ec + Epp.
B- Conservation de l’énergie mécanique
Dans le cas d’un système isolé, c’est à dire d’un objet pour lequel il n’y a pas de transfert d’énergie avec
l’extérieur. On dit que l’énergie mécanique se conserve : elle ne peut être ni créée ni détruite dans un
système isolé.
juillet 2012
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Chapitre 2 Formes d'énergie : différentes façons de classer
Compétences BO travaillées :
 Connaitre diverses formes d'énergie
 Recueillir et exploiter des informations pour identifier des problématiques d'utilisation des ressources énergétiques et
de stockage et de transport de l'énergie.
 Argumenter en utilisant le vocabulaire scientifique adéquat
Dans ce chapitre, on sort du cadre de la mécanique, tout en s'appuyant sur ce qui a été construit dans le
chapitre précédent.
Au début de ce chapitre, on part des terminologies courantes au sujet de l'énergie, connues des élèves et
on demande aux élèves de formuler intuitivement un critère pour savoir si une ressource peut être
considérée comme renouvelable.
La deuxième partie de l'activité 1 s'intéresse plus particulièrement aux formes d'énergie et aux liens avec
les ressources.
Enfin, l'activité 2 explicite la distinction entre formes et transferts à partir d'un texte issue de la vie
quotidienne qui mélange les deux.
L'objectif du chapitre est d'entrainer les élèves à croiser les ressources en énergie et les formes d'énergie.
Dans la vie courante ou dans le domaine économique, les ressources matérielles, les formes d'énergie
stockée (concept au programme qui donne son nom au chapitre), les technologies de productions
d'électricité voire même les types de transferts (objets du chapitre suivant) sont souvent confondus. On
remarquera d'ailleurs que le programme ne précise jamais ce qu'il faut entendre par forme d'énergie,
comme si le mélange scientifique/quotidien convenait. Nous pensons au contraire que dans une logique
d'apprentissage, pour favoriser la compréhension des enjeux de sociétés autour de l'énergie, il est
important d'expliciter les différentes formes d'énergie et les différentes façons de les classer, ainsi que de
faire le lien avec les ressources énergétiques. Pour parfaire cette compréhension, il est crucial de
distinguer les formes d'énergie, qui font forcément référence à des énergies stockées et les transferts
d'énergie. C'est d'ailleurs la raison pour laquelle nous avons proscrit de la séquence l'expression "énergie
électrique" qui apparait pourtant explicitement dans le programme. L'énergie ne peut pas être électrique
puisqu'elle ne peut pas être stockée sous cette forme (le terme adéquat pour évoquer la forme de stockage
dans un condensateur est électrostatique). Évidemment, le physicien (ou l'enseignant) n'est pas choqué
par cette expression puisqu'il y voit immédiatement l'énergie transférée par l'électricité. Mais l'électricité
n'est qu'un mode de transfert et dans une logique d'apprentissage, y compris pour comprendre des enjeux
énergétiques courants, il nous parait essentiel de bien distinguer ce qui relève des formes d'énergie
stockée et des transferts.
Le chapitre permet en outre d'évoquer la distinction des ressources (et non des formes) selon qu'elles sont
renouvelables ou non, distinction explicitement au programme. L'institutionnalisation sur ce point se fait
à la fin de l'activité 1. La recherche de critère oblige à comprendre un des enjeux du défi énergétique
posé aux sociétés modernes. En effet, l'utilisation du modèle de l'énergie permet de comprendre qu'il
s'agit en fait d'un problème de réservoirs et de flux, avec un flux entrant correspondant au renouvèlement
des ressources et un flux sortant correspondant à ce que nous prélevons pour nos transferts d'énergie.
Nous aurions pu ajouter à ce chapitre la classification forme microscopique / forme macroscopique. Nous
avons choisi de ne pas l'évoquer ici pour ne pas surcharger avec un point qui n'est pas essentiel pour le
programme. De plus, ceci est conforme à notre choix d'aborder plus tard les aspects microscopiques de
l'énergie (et en particulier de ses transferts).
juillet 2012
1ère S – séquence énergie
SESAMES
Activité 1 – Formes d'énergie en physique
Objectifs :
Faire des liens entre la classification quotidienne des sources d'énergie et les différentes formes de stockage de l'énergie en
physique.
Apprendre, avec les termes de la physique pour gagner en précision et en compréhension, à parler de situations
énergétiques de la vie de tous les jours et liées aux enjeux énergétiques.
1) Rappeler les types de sources d'énergie qu'on utilise dans la vie courante ou dans le monde économique.
Les élèves proposent à la fois des ressources au sens de la physique et des transferts d'énergie (l'électricité
par exemple) au sens de la physique. Ceci est normal et un des objectifs de ce chapitre est d'apprendre à
bien distinguer les deux. Cette question est aussi l'occasion de repartir des propositions faites dans la
première question du questionnaire d'introduction (quatre termes associés à l'énergie et quatre types
d'énergie).
2) Rédiger un critère qui permet de savoir si une source d'énergie peut être considérée comme renouvelable
ou non.
Il est probable que sur cette question, les élèves mélangent le caractère "renouvelable" avec le caractère
"non polluant" aussi subjectif que celui-ci puisse être. Les ressources renouvelables sont généralement
assez bien reconnues même si certains élèves considèrent parfois la ressource nucléaire comme
renouvelable : certains élèves associent le caractère renouvelable au caractère non polluant et associent la
pollution au dégagement de gaz à effet de serre. Sur cette question également, les élèves mélangent les
ressources, les formes d'énergie, ainsi que les dispositifs technologiques qui permettent le transfert
d'énergie (les centrales, les barrages, les éoliennes, les panneaux solaires…).
-----------------------------------------
En physique, on peut distinguer deux classifications principales des différentes formes d'énergie :
1ère façon de classer les formes d'énergie (généralisation de la distinction faite au chapitre 1 dans le cas
particulier d'un système potentiellement en mouvement) :
 Un système stocke de l'énergie cinétique s'il est en mouvement. Cette énergie dépend également de sa masse,
elle s'exprime par la relation
.
 Un système stocke de l'énergie potentielle si le système peut potentiellement, en étant libéré de certaines
contraintes, transférer de l'énergie à d'autres systèmes. L'énergie potentielle de pesanteur est un cas particulier
d'énergie potentielle (si on lâche un objet, il tombe).
2e façon de classer les formes d'énergie :
Dans un réservoir, l'énergie est stockée sous une certaine forme. La physique nomme ces formes en faisant
référence à différents domaines de la physique : la mécanique, l'électricité, le magnétisme, la chimie, le nucléaire,
etc… Néanmoins, la correspondance entre ces domaines et les formes d'énergie n'est pas systématique.
Ceci induit une 2e façon de classer les formes d'énergie :
 Énergie mécanique : c'est l'énergie que possède un système du fait de son mouvement ou de son altitude.
 Énergie thermique ou calorifique : c'est l'énergie que possède un système parce qu'il a une certaine
température
 Énergie électrostatique : c'est l'énergie que possèdent par exemple deux charges électriques "statiques" qui
s'attirent. Cette forme d'énergie est souvent abusivement appelée "énergie électrique".
 Énergie chimique : c'est l'énergie contenue dans les espèces chimiques. En effet, les transformations chimiques
peuvent s'accompagner de libération d'énergie, l'association de deux atomes par une liaison chimique donnant
de l'énergie, et casser une liaison nécessite de l'énergie.
 Énergie nucléaire : c'est l'énergie contenue dans les noyaux des atomes et qu'on va pouvoir récupérer si on
casse ces noyaux (fission nucléaire) ou si on les assemble (fusion nucléaire).
Cette 2e classification n'est pas tout à fait la même que la classification utilisée dans la vie de tous les jours, qui
fait davantage référence aux sources d'énergie et aux modes de transfert (voir chapitre suivant).
Le document ANNEXE fournit une description simplifiée des différentes sources d'énergie.
3) A partir des informations ci-dessus sur les deux classifications et du document annexe, indiquer dans le tableau
suivant, à l'aide de croix, de quelle nature est l'énergie stockée dans ces ressources. Dans chaque ligne on mettra
une croix pour la 1ère classification et au moins une croix dans la 2e classification.
L'élaboration de critères clairs pour affecter une forme d'énergie à une ressource n'est pas simple. Cela nécessite
de faire l'objet d'une activité en tant que telle.
juillet 2012
1ère S – séquence énergie
SESAMES
Formes d'énergie
1ère classification
…renouvelables
Ressources…
…non renouvelables
cinétique
Pétrole,
charbon, gaz
naturel
(ressource
fossile)
Uranium
(ressource
nucléaire)
Vent (ressource
éolienne)
Biomasse
(ressource de la
biomasse)
Terre
(ressource
géothermique)
Soleil
(ressource
solaire)
Eau retenue
(ressource
hydraulique)
Eau en
déplacement
(ressource
hydraulique)
Marées
(ressource
maréemotrice)
potentielle
2e classification
Mécanique
Thermique
x
Électrostatique
Chimique
x
x
x
Nucléaire
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
4) À l'aide de l'indication de la colonne de gauche (ressources renouvelables ou non) et de l'annexe 1, indiquer si le
critère écrit en question 2 (qui permet de décider si une ressource est renouvelable) vous semble valide et
corriger-le si besoin.
5) Quelle est la colonne vide ? Quelle ressource naturelle non encore exploitée correspond à cette forme d'énergie ?
Pour aller plus loin
Le dihydrogène peut être stocké dans des réservoirs pour servir de source d'énergie (on dit que c'est un vecteur
d'énergie car il n'existe pas à l'état naturel, donc il faut le fabriquer en utilisant de l'énergie…). Dans un tel
réservoir de dihydrogène, quelle est la forme d'énergie stockée ? Utiliser les deux façons de classer ci-dessus.
Question possible du même type sur les piles
juillet 2012
1ère S – séquence énergie
Activité 2 – Formes ou transferts ?
Lire les § 1 et 2 du modèle de l'énergie
Le texte ci-contre fournit toute une liste de formes
d'énergie. Parmi elles, indiquer celles qui
correspondent effectivement à une forme d'énergie au
sens du modèle de l'énergie.
1) A quoi correspondent, au sens du modèle, les
autres formes d'énergie ?
2) Quelles sont les parties de l'avion qui stockent
de l'énergie ?
3) Quelles sont les parties de l'avion qui jouent le
rôle de convertisseur ?
juillet 2012
SESAMES
1ère S – séquence énergie
SESAMES
Document ANNEXE (activité 1)
Ressources fossiles : pétrole, charbon, gaz
Le pétrole, le charbon, le gaz sont des ressources d'énergie dites fossiles. Les stocks ont été constitués à l'aire primaire (250 millions d'années). Pendant des dizaines de millions d'années, le
rayonnement solaire a permis le développement des plantes et de la biomasse en
général ; lorsqu'une petite partie de cette biomasse (moins de 1%) s'est trouvée
enfouie, elle a pu évoluer jusqu'à former du pétrole, du gaz et du charbon. Le
transfert d'énergie à partir de ces ressources nécessite de les bruler : cette
combustion est à l'origine de l'augmentation des gaz à effet de serre (CO2 en
particulier) dans l'atmosphère.
Ces ressources assurent actuellement encore environ les trois quarts de nos
usagesd'énergie à l'échelle mondiale. En deux siècles d'usage, nous avons presque
totalement utilisé un réservoir qui a mis environ 200 millions d'années à se former.
Uranium
Certains atomes d'uranium constituent une ressource d'énergie car leur fission libère de l'énergie.
Ces atomes d’uranium sont extraits d’un minerai produit dans les mines
d’uranium. L’uranium disponible sur Terre est celui formé lors de la formation de
la Terre. La quantité d’uranium est donc limitée.
Si la fusion nucléaire (ayant lieu dans les étoiles) venait à être maitrisée et
rentable, il serait possible d’avoir une nouvelle ressource d’énergie nucléaire
constituée d'atomes tels que le deutérium et le tritium (isotopes de l'hydrogène).
Vent
Le vent est un déplacement de l’air dans l’atmosphère. Il résulte, sous l’effet du rayonnement
solaire, d’une inégale répartition des conditions de température et de pression dans l’atmosphère
ainsi que de la rotation de la Terre sur elle-même.
Biomasse
La biomasse est l’ensemble des matières organiques, essentiellement d'origine
végétale, qui peuvent donner lieu à des combustions ou permettent des combustions
après transformations chimiques (le méthane formé dans certains cas par la matière
organique en l'absence de dioxygène est un bon combustible). Même s'ils sont issus
de transformations chimiques de matière organique, les agrocarburants (ou
biocarburants) entrent également dans cette catégorie.
Terre
La Terre est un système "chaud" dont la température est sans cesse maintenue grâce aux
éléments radioactifs qu'elle contient. En effet, comme notre système solaire, la Terre s'est
formée à partir des vestiges d’étoiles ayant explosé à la fin de leurs vies. Parmi les
poussières d’étoiles qui se sont accumulées pour former la Terre, certaines étaient
constituées d'atomes radioactifs. Leurs transformations nucléaires spontanées libèrent de
l’énergie qui est responsable d’un important échauffement des couches géologiques situées
sous la croute terrestre.
juillet 2012
1ère S – séquence énergie
SESAMES
Soleil
Le soleil est une étoile naine jaune qui s’est formée il y a 4,6 milliards d’années à partir des
nuages de d’hydrogène d’une nébuleuse. Au sein du soleil ont lieu des réactions de fusion
nucléaires (l’hydrogène se transforme en hélium) qui libèrent de l’énergie par transfert
thermique et par rayonnement.
Ce rayonnement électromagnétique est à l'origine de pratiquement toutes les ressources d’énergies dont nous
disposons. On prévoit que ce mécanisme se poursuivra encore pendant 5 milliards d’années environ jusqu’à
épuisement du stock d’hydrogène et transformation du soleil en géante rouge.
Eau retenue et eau en déplacement
L’évaporation de l’eau, par l’action du rayonnement solaire, permet le déplacement de
quantités importantes d’eau sous la forme de nuages. Les précipitations permettent de
stocker de l’eau en altitude à l’aide de retenues mais aussi d'alimenter tous cours d'eau et
lacs. L'eau «libérée » ou celle des cours d'eau peut faire tourner des turbines dites
hydroélectriques et permettre la production d’électricité.
Marées et courants sous-marins
Les marées sont les mouvements montants et descendants des eaux des mers et
des océans sur la côte causés par les interactions gravitationnelles entre ces
masses d’eau et la Lune et le Soleil. Comme pour l’eau des cours d'eau,
l’installation de turbines hydroélectriques dans les zones de forts déplacements
d’eau permet la production d’électricité.
Marées et courants sous-marins sont les seuls cas de ressources qui ne
désignent pas de la matière mais un évènement.
Ils peuvent être présentés comme un cas particulier du cas précédent (eau en
mouvement).
Les photos ne sont pas obligatoires mais nous les proposons afin de mettre l'accent sur l'aspect matériel des sources. Nous
avons tenté, dans le choix des photos, de limiter au maximum la présence des systèmes technologiques qui permettent
d'utiliser cette ressource par transfert électriques (centrales, chaudières, turbines, barrages, usine marée-motrice…).
juillet 2012
1ère S – séquence énergie
SESAMES
Modèle de l’énergie (chapitres 2 et 3)
I. Les trois propriétés essentielles de l’énergie
L'énergie est une grandeur définie par ses propriétés essentielles :
 Elle peut être stockée par un système, sous différentes formes, dans un réservoir d'énergie.
 Elle peut être transférée d'un système à un autre : c'est suite à un ou plusieurs transferts, d'un réservoir à un autre,
que l'énergie peut changer de forme. Les différents modes de transfert sont :





le transfert électrique (lorsqu'il y a de l'électricité) ;
le transfert thermique (ou transfert par chaleur) ;
le transfert par rayonnement (cas particulier : la lumière) ;
le transfert mécanique (lorsqu'il y a une variation de vitesse).
Elle est conservée : quelles que soient les différentes transformations et les différentes transferts qu’elle subit,
l’énergie ne peut être ni créée ni détruite. C'est le principe fondamental de la conservation de l’énergie
L'unité de l'énergie est le joule (symbole J).
II. Les différents types de systèmes : réservoirs et convertisseurs
Dans une situation donnée :
- un système sera considéré comme un réservoir quand il peut stocker de l’énergie ;
- un système sera considéré comme un convertisseur quand il fournit autant d’énergie qu’il en reçoit et que les
modes de transferts "en amont" ne sont pas les mêmes que ceux "en aval".
III. Chaine énergétique
Pour décrire du point de vue énergétique une situation donnée, on utilise une représentation particulière, la chaîne
énergétique. On choisit d'utiliser les symboles suivants :
pour réservoir
pour convertisseur
pour transfert
en indiquant :
- sous chaque rectangle ou cercle le nom du système correspondant dans la situation décrite ;
- au-dessus de chaque flèche le mode de transfert.
et en mettant une flèche par mode de transfert.
Selon le principe fondamental de conservation de l'énergie,
-toute l'énergie entrant dans un convertisseur en sort ;
-une chaine énergétique complète commence et se termine par un réservoir ;
On peut décrire une situation par un extrait de chaine énergétique : dans ce cas, on représente le système étudié et les transferts
d’énergie dans lesquels il est impliqué.
IV. Puissance d'un transfert
La puissance est une grandeur physique qui caractérise tout transfert d'énergie. Sa valeur permet d'indiquer le débit
d'énergie, c'est-à-dire, la quantité d'énergie transférée par unité de temps. Pour une énergie E (exprimée en joule)
transférée durant une durée t (exprimée en seconde), la puissance associée est donnée, en watt (symbole W), par la
relation :
On peut donc écrire : 1W = 1 J.s-1.
On peut aussi écrire 1Ws = 1 J. ceci permet de définir le watt-heure (1Wh = 3600 J) : c'est la quantité l'énergie transférée
lors d'un transfert d'un watt pendant une heure soit pendant 3600 secondes.
V. Rendement d'un convertisseur
Le rendement d'un convertisseur (ou rendement de conversion) indique la part de l'énergie convertie qui est
jugée utile pour l'utilisateur. Il s'exprime de la façon suivante :
Énergie
convertie
Énergie utile
Pertes
juillet 2012
1ère S – séquence énergie
SESAMES
Chapitre 3 : Transferts d'énergie
Compétences du BO travaillées :
 Exploiter le principe de conservation de l'énergie dans des situations mettant en jeu différentes formes d'énergie.
 Distinguer puissance et énergie.
 Connaitre et exploiter la relation liant puissance et énergie.
 Connaitre et comparer les ordres de grandeur de puissances.
 Schématiser une chaine énergétique pour interpréter les conversions d'énergie en termes de conservation, de dégradation.
 Recueillir et exploiter des informations portant sur un système électrique à basse consommation.
Objectifs reformulés et ajoutés par nos soins :
 Analyser des situations en termes de chaine énergétique et percevoir l'intérêt de cette représentation
 Associer des types de transferts à des phénomènes (ça chauffe, ça brille, ça bouge)
 Montrer l'intérêt de la grandeur puissance ; distinguer puissance et énergie.
 Comprendre que la notion de rendement dépend du convertisseur et de l'énergie considérée utile.
Pour introduire ce chapitre il suffit juste de faire observer que l'énergie stockée ne sert à rien, elle n'est utile que si on la
transfère : c'est que ce que nous faisons quotidiennement.
Pour ce chapitre, les élèves disposent toujours du modèle de l'énergie mais vont découvrir les paragraphes III
(chaines), IV (puissance) et V (rendement).
Remarque :
Les zooms suivants sont reportés plus loin dans la progression.
 ZOOM sur le transfert thermique. Il peut servir à des changements de t° ou à des changements d'états.
Intro du modèle micro, fonctionnel pour changement de température et changement d'état.
Lien t°-agitation. Lien agitation-apport d'énergie. Lien agitation-état, puis comme conséquence agitation-changement
d'état.
1 activité qualitative qui fait l'articulation micro/macro
1 activité sur mesure de chaleur latente
 ZOOM sur le transfert électrique
Activité 1 – Représenter une situation simple par une chaine énergétique
Vous disposez du § III du modèle de l'énergie, qui indique les symboles utilisés pour décrire du point de vue de l'énergie
des situations variées.
Le texte ci-dessous est issu d'un dépliant destiné au grand public :
Une ampoule a certes pour objectif d'éclairer mais sachez qu'une ampoule produit également de
l'énergie thermique. Près de 95% de l'énergie que consomme une ampoule à incandescence est
consacrée à ce dégagement de chaleur. Cette énergie, vous la payez également alors qu'elle ne sert
pas à éclairer. Les ampoules "basse consommation" permettent de réduire cette énergie thermique.
La part de l'énergie lumineuse par rapport à l'énergie payée est donc plus grande.
1) Réécrire ce texte en reformulant les passages en gras conformément au modèle.
2) En respectant les règles indiquées dans le paragraphe III du modèle, représenter l'extrait de chaine énergétique
correspondant à une ampoule en fonctionnement : pour cela, représenter l’ampoule et les transferts d’énergie en
jeu lorsqu’elle fonctionne, mais pas les réservoirs en jeu.
3) A l'aide du texte de l'activité 2 du chapitre précédent, représenter l'extrait de chaine énergétique qui permet
de décrire la fonction énergétique :
- des cellules photovoltaïques de SolarImpulse ;
- du moteur électrique de SolarImpulse.
juillet 2012
1ère S – séquence énergie
SESAMES
Activité 2 – Introduction à la puissance
Certaines grues miniatures fonctionnent à pile. On souhaite décrire ici la situation
correspondant à la grue en trian de monter une charge.
 Compléter la chaine énergétique ci-dessous correspondant à cette situation, en
particulier en indiquant le nom des deux réservoirs et du convertisseur, ainsi que des
transferts 1 et 2.
2
1
Réservoir B
Transfert mécanique 3 (frottements)
Transfert thermique 4
Transfert thermique 5
Réservoir A
1) Sur la chaine, représenter le réservoir (on l'appelle C) auquel arrive les transferts 3, 4 et 5. Proposer un nom pour
ce réservoir.
2) Pour chacun des réservoirs représentés, comment varie l’énergie stockée ? Remplir le tableau.
réservoir
L’énergie au sein du réservoir
Réservoir A
diminue est constante augmente
Réservoir B
diminue est constante augmente
Réservoir C
diminue est constante augmente
Justification
Tous les transferts partent de ce réservoir
Ec et Ep augmente. Même lorsque la charge
est à l'arrêt, Ep est plus grande qu'au départ.
Tous les transferts arrivent à ce réservoir
3) Quel évènement néglige-t-on si on ne représente pas le transfert thermique 5 ?
4) Dans l’expérience précédente, on imagine qu’on change de pile, mais pas la charge à monter. Si l’objet est mis en
mouvement moins rapidement qu’avec la première pile, peut-on en déduire que : (cocher la ou les bonnes
réponses)
 la pile 2 contient moins d’énergie que la pile 1
 la pile 2 transfère moins d’énergie par seconde au moteur que la pile 1
 il faudra plus de temps qu'avec la pile 1 pour augmenter la charge de la même hauteur
Activité 3 – Transférer une quantité d'énergie plus ou moins rapidement : notion de puissance
A- Un coureur de 100 m, qui court pendant un peu plus de 10 s, peut utiliser la
même quantité d’énergie qu’un coureur de 400 m qui court pendant un peu plus de
40 s.
1) À l'aide du § IV du modèle de l'énergie, déterminer quel coureur effectue un
transfert d'énergie le plus puissant ?
2) Quel mot utiliserait-on dans la vie courante pour décrire la différence entre
les deux coureurs ?
3) Pourquoi ne peut-on pas utiliser ce terme en physique ?
B- Puissance d'une ampoule
1) A votre avis, la puissance indiquée sur une ampoule caractérise-t-elle le transfert électrique ou le
transfert thermique ? Justifier à l'aide d'un argument de votre choix.
2) Commenter l'étiquette ci-contre trouvée sur un emballage d'ampoule "basse-consommation".
juillet 2012
1ère S – séquence énergie
SESAMES
3) Calculer l'énergie consommée pendant la durée de fonctionnement maximale de l'ampoule dite "basseconsommation" et l'économie d'énergie (en kWh) faite durant ce fonctionnement par rapport à l'autre ampoule
plus "consommatrice" mentionnée sur l'étiquette.
Activité 4 – Rendement d'un convertisseur
Lire le § V du modèle.
On a représenté ci-dessous les chaines énergétiques de deux ampoules, l'une à incandescence l'autre dite "basse
consommation".
(d'après Hatier Microméga)
1)
2)
3)
4)
Indiquer le transfert "utile" pour chacune des ampoules.
Indiquer le transfert « perdu » pour chacune des ampoules.
Calculer le rendement de chacune des deux ampoules.
Proposer une expression davantage en accord avec le modèle en remplacement de l'expression "ampoule basseconsommation".
juillet 2012