Chp 7 les transferts d energie - Enseignement des Sciences

Terminale S_Thème 2_COMPRENDRE : LOIS ET MODELES
chapitre 7_Les transferts d’énergie
M.Meyniel 1/9
THEME
COMPRENDRE
Sous -thème
Temps, mouvement et évolution
Chapitre 7 : LES TRANSFERTS D’ENERGIE
NOTIONS ET CONTENUS
COMPETENCES ATTENDUES
Travail d’une force.
Force conservative ; énergie potentielle.
Forces non conservatives : exemple des frottements.
Etude mécanique.
Etude énergétique des oscillations libres d’un
système mécanique.
Dissipation d’énergie.
- Etablir et exploiter les expressions du travail d’une
force constante (force de pesanteur, force électrique
dans le cas d’un champ uniforme).
- Etablir l’expression du travail d’une force de
frottement d’intensité constante dans le cas d’une
trajectoire rectiligne.
- Analyser les transferts énergétiques au cours d’un
mouvement d’un point matériel.
- Pratiquer une démarche expérimentale pour mettre en
évidence : les différents paramètres influençant la
période d’un oscillateur mécanique / son amortissement.
- Pratiquer une démarche expérimentale pour étudier
l’évolution des énergies cinétique, potentielle et
mécanique d’un oscillateur.
SOMMAIRE
I. Le travail d’une force.
1. Définition.
2. Applications à différentes forces.
a. Travail du poids.
b. Travail de la force électrique.
c. Travail d’une force de frottement.
II. Variation d’énergie au cours d’un mouvement.
1. L’énergie mécanique.
2. Conservation de l’énergie mécanique.
III. Applications aux oscillateurs.
1. Présentation.
2. Etude énergétique.
ACTIVITE
Activité documentaire : Une histoire de seconde
Activité expérimentale : Des pendules et des formules
Energies des pendules
EXERCICES
16 ; 22 p 238-239 + 20 ; 29 p 238-241 + 26 p 240
MOTS CLES
Travail moteur ou résistant ; forces constante, conservative ou non ; énergies mécanique, cinétique et potentielle ;
conservation d’énergie mécanique ; pendule simple ; oscillations périodiques ou amorties ; régimes périodique ou
pseudo-périodique ; période propre ou pseudo-période.

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LES TRANSFERTS D’ENERGIE
Dans le cours de physique précédent, nous nous sommes intéressés aux différents mouvements qui
peuvent se produire au voisinage de la Terre et dans tout l’Univers. Ces études nous ont permis de voir l’universalité
des lois de Newton en mécanique.
Par ailleurs, nous avons aussi mis en exergue la conservation d’une grandeur au cours de ces mouvements : la
quantité de mouvement ( ).
Or, l’an dernier, notre travail avait permis de mettre en lumière la conservation d’une autre grandeur : l’énergie.
On se propose ici de s’intéresser à cette énergie et d’éprouver sa conservation.
Afin de bien comprendre cette notion, il nous faudra dans un premier temps établir le lien entre le mouvement observé
et l’énergie mis en jeu (comme nous l’avons fait pour la quantité de mouvement). Une fois que nous aurons établi cette
relation, notamment par rapport aux forces entrevues jusqu’à présent (poids, force électrique et force de frottements),
nous serons à même capables d’étudier différentes situations en s’interrogeant sur la conservation ou non de l’énergie.
Nous-mêmes, nous dépensons de l’énergie dès que nous produisons un …
I. Le travail d’une force.
1. Définition.
Un élève montant son sac de cours jusqu’au deuxième étage exerce une force dessus. Au cours de son
déplacement, il exerce donc un travail qui permet au sac d’acquérir de l’énergie (sous forme potentielle) tandis que
l’élève perd de l’énergie (sous forme biochimique). Il y a donc un transfert d’énergie permis par le travail.
Le travail mécanique d’une force correspond à l’énergie fournie au système qui la subit lors de son
déplacement. Les deux grandeurs s’expriment en joule (J).
Le travail d’une force constante 
 dont le point d’application se déplace de A vers B est défini par la
relation :
Rq : * Une force constante est une force qui conserve même direction, même
sens et même intensité au cours de son déplacement (le vecteur qui la représente reste
constant aussi).
* Le travail est une grandeur algébrique qui dépend de l’angle α entre la force 
 et le vecteur déplacement
:
Si α ϵ [0 ; 90[, alors le travail est positif (W  0) : il est dit moteur.
Si α ϵ ]90 ; 180], alors W < 0 : il est dit résistant.
Si α = 90°, alors W = 0 et la force, orthogonale au déplacement, ne travaille pas.
A
B
F
F
F
AB
𝑾𝑨𝑩𝑭
  𝑭
𝑨𝑩
𝑭𝑨𝑩𝒄𝒐𝒔𝜶
angle =
J
N
m
W(𝑷
) > 0
W(𝑷
) = 0
W(𝑷
) < 0
𝑃
𝑅

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2. Applications à différentes forces.
a. Travail du poids.
 Système : Soit un skieur descendant une piste.
Rq : * Si zA > zB, W > 0. La force est motrice lorsque le skieur descend.
Si zA < zB, W > 0. La force est résistante lorsque le skieur monte.
* Le travail du poids ne dépend que du point de départ et du point d’arrivée.
Il est indépendant du chemin suivi.
 La force est dite conservative.
b. Travail de la force électrique.
 Système : Soit un électron se baladant un condensateur plan
avec : E = UAB / AC = UCB / AC
Rq : * Le travail de la force électrique ne dépend que du point de départ et du point d’arrivée.
Il est indépendant du chemin suivi.
 La force est dite conservative.
c. Travail d’une force de frottement.
 Système : Soit un cycliste subissant des forces de frottement
dues à l’action de l’air
Rq : * Le travail de la force de frottement dépend de la trajectoire suivi.
 La force est dite non conservative.
* Les forces de frottements sont opposées au mouvement, le travail est donc résistant (W < 0) => perte
d’énergie.
Conséquence des applications : * Pour une trajectoire fermée (A = B), le travail d’une force conservative
est nul contrairement au travail d’une force non conservative (d’où leur dénomination).
A
α
zA
zB
H
B
𝑃
+ + + + +
- - - - -
𝐸
A
B
𝑭𝑬
𝑨𝑩
C

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II. Variation d’énergie au cours d’un mouvement.
1. L’énergie mécanique.
L’énergie mécanique Em d’un système est égale la somme de son
énergie cinétique EC et de ses énergies potentielles :
 L’énergie cinétique vaut :
 Une énergie potentielle est associée à chaque force conservative. Elle est définie par sa variation lors du
déplacement du système.
La variation d’énergie potentielle est égale au travail de la force conservative associée :
Application à l’énergie potentielle de pesanteur :
L’énergie potentielle de pesanteur est associée à la force de pesanteur c’est-à-dire le poids :
∆Epp = Epp(B) - Epp(A) = - W(  = - m.g.(zA - zB) = m.g.(zB - zA)
=>
Faire mettre les unités
2. Conservation de l’énergie mécanique.
Théorème de l’énergie mécanique :
La variation de l’énergie mécanique d’un système, en mouvement entre deux points A et B, est égale à
la somme des travaux des forces non conservatives qu’il subit au cours du mouvement :
Applications :
Si le système ne subit que des forces conservatives alors son énergie mécanique d’un système reste
constante au cours du mouvement. ∆Em = 0
Si le système subit des forces non conservatives alors son énergie mécanique d’un système varie au
cours du mouvement. ∆Em ≠ 0 & ∆Em = Σ [ WAB(  ]
Em = Ec + Ep
Ec = ½.m.v²
∆Ep = Ep(B) - Ep(A) = - W(
Epp = m.g.z
∆Em = Em(B) – Em(A) = Σ [ WAB(
 ] avec 
une force non conservative

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III. Applications aux oscillateurs.
1. Présentation.
Un oscillateur mécanique est un système dont le centre d’inertie possède un mouvement périodique
autour d’une position d’équilibre stable.
Ex : balancier d’une horloge, balançoire, suspension d’un véhicule, sauteur à l’élastique, …
Rappel : Un mouvement est périodique s’il se reproduit identique à lui-même à intervalles de temps réguliers.
Abandonné à lui-même, le système possède des oscillations libres caractérisées par leur durée appelée
période propre T0 , c’est-à-dire la durée d’un aller-retour.
La période propre d’un oscillateur dépend de plusieurs paramètres :
Ex : Cas du pendule simple (pour des amplitudes θ < 20°) : T0 = 
Cas du pendule élastique (ressort) de constante de raideur k : T0 = 
Rq : * Dans le cas du pendule simple, on parle d’énergie potentielle de pesanteur : Epp = m.g.z
Dans le cas du pendule élastique, on parle d’énergie potentielle élastique : Epe = ½.k.x2
avec x l’allongement du ressort par rapport à la position d’équilibre
2. Etude énergétique.
Lorsqu’il est en mouvement, un oscillateur est le siège d’une succession d’échanges énergétiques :
- lors du rapprochement vers la position d’équilibre : l’énergie potentielle emmagasinée est
transférée sous forme d’énergie cinétique,
- lors de l’éloignement de la position d’équilibre : l’énergie cinétique acquise est transférée
sous forme d’énergie potentielle.
Il y a transfert continuel entre l’énergie potentielle élastique et l’énergie cinétique.
(1) Absence de frottements :
Si les frottements sont négligeables,
on observe un régime périodique de période T0 :
Le système ne subit aucune force non conservative,
son énergie mécanique demeure constante au cours du temps.
(sa valeur dépend des conditions initiales : vitesse, amplitude)
m
l
θ
t (s)
θ
T0
θmax
Régime périodique
t (s)
Ec
Ep
Em
T0/4
T0/2
3T0/4
T0
0
x
k
m