Energie de position, énergie cinétique
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Document du professeur 1/5 Niveau 3ème Physique - Chimie Energie de position - Energie cinétique Programme C. De la gravitation … à l’énergie mécanique C1. Interaction gravitationnelle Cette proposition d’expérimentation illustre la partie de programme ci-dessous parue au BO spécial n°6 du 28 août 2008 Connaissances Capacités Commentaires Pourquoi un objet tombe-t-il sur Terre ? Pourquoi l’eau d’un barrage acquiert-t-elle de la vitesse au cours de sa chute ? Un objet possède : Raisonner, argumenter pour Les énergies de position, cinétique et mécanique sont - une énergie de position au interpréter abordées uniquement pour voisinage de la Terre ; l’énergie de mouvement expliquer qualitativement les - une énergie de mouvement acquise par l’eau dans conversions d’énergie dans une appelée énergie cinétique. sa chute par une diminution chute d.eau (barrage La somme de ses énergies de de son énergie de position hydraulique). position et cinétique constitue son énergie mécanique. Conservation d’énergie au cours d’une chute. Thème de convergence : sécurité, énergie Pré requis de l’élève o Rôle de l’attraction terrestre, appelée poids, dans la chute des objets o La notion d’énergie Mots-clé o o o o o Energie Energie cinétique Energie de position Poids Vitesse © PIERRON 2008 Energie de position - Energie cinétique(page 1) Document du professeur 2/5 Liste de matériel Poste élève o Maquette énergie cinétique o Mesureur de vitesse o Maquette Energie cinétique Référence 00954 06020 06021 Remarques, astuces o Les énergies de position, cinétique et mécanique sont abordées uniquement pour expliquer qualitativement les conversions d’énergie dans une chute d’eau (barrage hydraulique). o L’énergie cinétique est introduite dans le cas général d’un objet qui se déplace. L’étude est ici réduite à celle d’un solide en translation. La notion de vitesse ayant déjà été abordée en mathématiques en classe de quatrième et utilisée en physique lors de l’étude de la lumière, le professeur se limite à un rappel. o L’énergie cinétique d’un solide en translation dépend de la masse du corps et de sa vitesse ; elle croît lorsque ces grandeurs augmentent mais l’enseignant insiste sur la nonproportionnalité de l’énergie et de la vitesse. Prolongements o Activité documentaire sur l’eau et l’énergie Compétences qu’il est possible d’évaluer Expérimentales Théoriques © PIERRON 2008 - Effectuer de mesures de distances et de vitesses Répartir les rôles dans le groupe Suivre un protocole Ordonner la paillasse pour réaliser un travail correct Ranger le matériel Savoir expliquer l’énergie de position au voisinage de la Terre Indiquer à quoi est due l’énergie cinétique Compléter un tableau de mesures Utiliser la proportionnalité Réaliser une conclusion Energie de position - Energie cinétique (page 2) Document du professeur 3/5 Physique – Chimie Nom : Prénom : Classe : Date : Energie de position - Energie cinétique Objectifs o Identifier le rôle du poids et de la hauteur d’un objet par rapport à un plan de référence dans l’énergie de position o Découvrir comment l’énergie cinétique d’un objet, sa masse et sa vitesse sont liées ACTIVITE 1 : L’énergie de position d’un solide 1. Influence de la hauteur du solide par rapport à un plan de référence On dispose d’une bille en acier qui sera lâchée de différentes hauteurs dans un tube transparent vertical dont la partie inférieure est munie latéralement de bandes de mousse pour freiner et arrêter la bille. Noter la distance parcourue par la bille entre les bandes de mousse au moment de son arrêt en fonction de la hauteur h du lâcher. Hauteur h (cm) Distance parcourue par la bille dans la mousse avant son arrêt (cm) h1 = 15 h2 =30 h3 = 45 D1 = 5 D2 = 7 D3 = 10 Comparer l’évolution des distances d’arrêt dans la mousse avec celle des hauteurs de chute. Compléter alors la phrase suivante : La distance d’arrêt d’une bille de masse donnée dans la mousse est d’autant plus grande que sa position initiale au-dessus de la mousse est élevée 2. Influence du poids du solide Réaliser la même expérience avec des billes de volume identique mais de poids différents - une bille en aluminium de masse 40g et une bille en acier de masse 110g - qui seront lâchées d’une même hauteur h =15 cm Noter vos résultats dans le tableau ci-dessous et compléter la dernière ligne par la mesure réalisée. © PIERRON 2008 Energie de position - Energie cinétique (page 3) Document du professeur 4/5 Nature de la bille ; Poids (N) Distance parcourue par la bille dans la mousse avant son arrêt (cm) Aluminium ; P1 = 0,4 N Acier ; P2 = 1,1 N D1 = 2,5 D2 = 5 Comparer l’évolution des valeurs des poids des billes et celle de leurs pénétrations dans la mousse. Compléter alors la phrase suivante : Pour des billes de poids différents tombant de la même hauteur, la pénétration dans la mousse est d’autant plus importante que le poids de la bille est élevé. 3. Conclusion : La bille possède de l’énergie puisqu’elle peut fournir une « action » qui consiste ici à déformer la mousse. On appelle « énergie de position » notée Ep, l’énergie que possède un objet à cause de son poids et de sa hauteur par rapport au sol. L’énergie de position d’un objet est d’autant plus élevée que sa hauteur au-dessus du sol est importante et que son poids est élevé. Tant que la bille ne tombe pas, cette énergie est en réserve dans la bille. Elle se manifeste lors de la chute en se transformant, lors du choc, en énergie de déformation ACTIVITE 2 : L’énergie de mouvement ou énergie cinétique 1. Influence de la masse On dispose d’un mobile de masse « m » qui sera lâché sur un plan incliné à partir d’une hauteur h constante par rapport au plan horizontal. Ce mobile passe devant un capteur de vitesse sur la partie horizontale du dispositif avant de percuter un obstacle qui recule proportionnellement à l’énergie transmise par le mobile. Il me reste la photo à faire j’ai le matériel mais pas le temps matériel ! Noter la vitesse du mobile et le recul de l’obstacle dans le tableau ci-dessous. Partant de la même hauteur h, lâcher maintenant un mobile de masse « 2m ». Compléter le tableau de résultats. Masse du mobile «m» Hauteur de chute (en m) 0,10 Vitesse avant l’impact v (m/s) v1 = 1,32 Recul de l’obstacle (en cm) R1 = 4,7 © PIERRON 2008 «2m» 0,10 v2 = 1,30 R2 = 9,2 Energie de position - Energie cinétique (page 4) Document du professeur 5/5 Comparer le recul de l’obstacle et la valeur de la masse du mobile. Que constate-t-on ? Le solide de masse « 2m » fait reculer deux fois plus l’obstacle. Il y a proportionnalité entre la masse et le recul de l’obstacle. Quelle relation existe-t-il entre la valeur de la masse du mobile et son énergie cinétique pour une même vitesse ? L’énergie cinétique du mobile est proportionnelle à sa masse. 2. Influence de la vitesse Reprendre le mobile de masse « m » et le lâcher d’une hauteur h = 40 cm. Noter les résultats dans la seconde colonne du tableau ci-dessous dont les deux premières cases de la première colonne correspondent à celles de la première colonne du tableau précédent. Masse du mobile Hauteur de chute h (m) Vitesse v avant l’impact (m/s) Vitesse au carré v² (m/s)² Recul de l’obstacle (cm) m 0,10 m 0,40 v1 = 1,39 v2 = 2,80 v12 = 1,93 v22 = 7,84 R1 = 4,7 R2 = 19,6 Comparer le recul de l’obstacle et la vitesse du mobile. Que constate-t-on ? L’obstacle ne recule pas proportionnellement à la vitesse du mobile. Comparez le recul de l’obstacle et la vitesse au carré du mobile. Que constatez-vous ? L’obstacle recule proportionnellement au carré de la vitesse du mobile. Si la vitesse v du mobile double, l’obstacle ne recule pas 2 fois plus mais 4 fois plus. Quelle relation existe-t-il entre la valeur du carré de la vitesse d’un solide de masse donnée et son énergie cinétique ? L’énergie cinétique du mobile est proportionnelle au carré de sa vitesse 3. Conclusion : On appelle « énergie cinétique » notée Ec, l’énergie qu’un objet possède du fait de son mouvement, donc grâce à sa vitesse mais aussi à sa masse. L’énergie cinétique est proportionnelle à la masse du mobile. L’énergie cinétique n’est pas proportionnelle à la vitesse, mais est proportionnelle au carré de la vitesse. Des calculs plus approfondis montrent que Ec = 1/2 m.v2 avec Ec exprimée en joules (J), m exprimée en kilogrammes (kg) et v exprimée en mètres par seconde (m/s). © PIERRON 2008 Energie de position - Energie cinétique (page 5)
