Energie de position, énergie cinétique

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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
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 Energie
o Energie cinétique
o Energie de position
o Poids
o Vitesse
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 :
- une énergie de position au
voisinage de la Terre ;
- une énergie de mouvement
appelée énergie cinétique.
La somme de ses énergies de
position et cinétique constitue
son énergie mécanique.
Conservation d’énergie au
cours d’une chute.
Raisonner, argumenter pour
interpréter
l’énergie de mouvement
acquise par l’eau dans
sa chute par une diminution
de son énergie de position
Les énergies de position,
cinétique et mécanique sont
abordées uniquement pour
expliquer qualitativement les
conversions d’énergie dans une
chute d.eau (barrage
hydraulique).
Thème de convergence : sécurité, énergie
Niveau 3ème
Physique - Chimie
Energie de position - Energie cinétique

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Liste de matériel
Poste élève Référence
o Maquette énergie cinétique 00954
o Mesureur de vitesse 06020
o Maquette Energie cinétique 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 non-
proportionnalité 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 - 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
Théoriques - 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

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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) h1 = 15 h2 =30 h3 = 45
Distance parcourue par
la bille dans la mousse
avant son arrêt (cm)
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.
Physique – Chimie
Energie de position - Energie cinétique
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Prénom :
Classe :
Date :

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Nature de la bille ;
Poids (N) Aluminium ;
P1 = 0,4 N
Acier ;
P2 = 1,1 N
Distance parcourue par
la bille dans la mousse
avant son arrêt (cm)
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 :
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.
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 » « 2 m »
Hauteur de chute (en m) 0,10 0,10
Vitesse avant l’impact v (m/s) v1 = 1,32 v2 = 1,30
Recul de l’obstacle (en cm) R1 = 4,7 R2 = 9,2
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.
Il me reste la photo à faire j’ai le matériel mais pas le
temps matériel !

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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 m m
Hauteur de chute h
(m) 0,10 0,40
Vitesse v avant
l’impact (m/s)
v1 = 1,39 v2 = 2,80
Vitesse au carré v²
(m/s)²
v12 = 1,93 v22 = 7,84
Recul de l’obstacle
(cm)
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 :
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).
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.