Documents de Physique

Documents de Physique-Chimie – M. MORIN
1
Thème : Lois et modèles
Partie : Temps, mouvement et évolution.
Cours 21 : Travail d’une force-Energies
I. Travail d’une force.
1. Effets d’une force.
Les forces appliquées à un système peut :
- Déformer le système.
- Mettre en mouvement le système s’il était initialement immobile.
- Modifier son mouvement s’il était déjà mobile.
- Echauffer le système (freinage).
2. Travail et énergie.
Lorsqu’une force est appliquée à un système et qu’elle a un effet sur lui, elle fait varier son « capital » énergie :
elle lui apporte ou lui enlève de l’énergie.
On dit que la force « travaille ».
Le travail d’une force peut donc transférer de l’énergie.
Exemple :
Système
Auteur de la force
Effet sur la vitesse
(diminution/augmentation)
Capital énergie
(diminution/augmentation)
Lancement d’un
javelot.
Athlète
Augmentation de la vitesse
Augmentation du capital
énergétique
3. Définition du travail d’une force.
3.1. Expression du travail d’une force constante 
 lors du déplacement rectiligne 
.
W AB ( ) =         Produit scalaire
WAB (
 ) est le travail de la force et s’exprime est Joule.
F est la force constante et s’exprime en Newton.
AB est la longueur du déplacement et s’exprime en mètre.
est l’angle entre le vecteur force 
 et le déplacement 

Documents de Physique-Chimie – M. MORIN
2
3.2. Travail moteur, résistant et nul.
- Si la force agit dans le sens du déplacement du solide ( < 90°), le travail est moteur.
= 0 alors cos
W AB ( ) =      > 0
Travail moteur
 [0 ; 90°[ alors cos  [1 ; 0[
W AB ( ) =      > 0
Travail moteur
Remarque : la position symétrique par rapport à
AB est identique.
- Si la force agit dans le sens contraire du déplacement du solide ( > 90°), le travail est moteur.
W AB ( ) =      < 0
alors cos  [-1 ; 0[
Travail résistant
- Si le point d’application de l’objet ne bouge pas, le travail est nul.
Si la direction de la force est perpendiculaire à
celle du déplacement (cos = 0), le travail est
nul.

Documents de Physique-Chimie – M. MORIN
3
4. Travail de la force de pesanteur (du poids). Notion de force conservative.
h
C
Le travail du poids dépend-il du chemin suivi ?
Le travail du poids ne dépend donc du chemin suivi.
Expression du travail du poids :
Le travail du poids d’un corps qui se déplace d’un point A à un point B, ne dépend pas du chemin suivi, mais
uniquement de l’altitude du point de départ et du point d’arrivée.
L’altitude étant mesurée sur un axe vertical orienté vers le haut, le travail s’exprime par la relation :
WAB ( ) = mg(zA-zB) = m.g.h (Départ – Arrivée)
WAB ( ) s’exprime en joule (J) ; m est la masse du corps et s’exprime en kilogramme (kg).
g est l’intensité de la pesanteur et s’exprime en N.kg-1 ou en m.s-2
zA et zB sont les altitudes respectives de A et de B et s’exprime en mètre (m)
Notion de force conservative.
Une force est conservative si elle est constante en intensité et en direction.
Le poids est une force conservative car sa norme est constante (on considère que g ne varie pratiquement pas
avec l’altitude) et sa direction (verticale) est également constante.
De manière générale si une force est conservative, son travail ne dépend pas du chemin suivi.
Attention toutefois au cas des forces de frottements. Les forces de frottements dépendent de la vitesse du
corps. Elles changent donc d’intensité, elles ne sont donc pas conservatives.
Parcours AC :
WAC (
) = 
= P × AC × cos ’
soit WAC (
) =P × h1 = mgh1
Parcours CB :
WCB (
) = 
= P × CB × cos ’ ‘
soit WCB (
) =P × h2 = mgh2
Soit pour le parcours AB :
mgh1 + mgh2 = mgh
Parcours AB :
WAB (
) = 
= P × AB × cos
soit WAC (
) =P × h = mgh

Documents de Physique-Chimie – M. MORIN
4
5. Travail d’une force électrique dans le cas d’un champ électrostatique uniforme.
Rappels sur les caractéristiques d’un champ électrostatique.
On peut définir un champ électrostatique  en différents points de l’espace.
Le champ électrostatique  a pour caractéristiques.
- Point d’application : un point M du grain.
- Direction : tangent aux lignes de champ.
- Sens : De la plaque (A) positive + vers la plaque (B) négative,
(potentiels décroissants)
- Valeur : E exprimé en Volt par mètre (V.m-1) a pour expression E = 
U est la tension appliquée aux armatures (V) et AB est la distance entre ces armatures (m).
Exemple : le champ électrostatique crée par un condensateur plan dont les plaques sont distantes de 1,0 mm
et dont la tension appliquée aux armatures est égales à U = 5,0 V a pour valeur :
E = 
  5,0 × 103 V.m-1
Force constante exercée sur une particule soumise à un champ électrostatique uniforme.
Si une particule possédant une charge électrique q est soumise à un champ électrostatique  , elle subit une
force 
 = q
Cette force est conservative, car sa norme et sa direction sont constantes.
Exemple : les électrons dans un fil électrique sont soumis à une force électrique due à l’existence dans un
champ électrostatique crée par un générateur.
Les électrons sont ainsi mis en mouvement.
Expression du travail d’une force électrique constante dans le cas d’un champ uniforme.
WAB (
) = 
WAB (
) = q
WAB (
) = qE × AB car 
sont colinéaires.
Avec U = E × AB, on a :
WAB (
) = qU
WAB (
) s’exprime en joule (J)
q la charge électrique s’exprime en Coulomb.
U la tension s’exprime en volt (V).

Documents de Physique-Chimie – M. MORIN
5
II. Energies.
1. Définitions.
1.1. L’énergie cinétique Ec.
L'énergie cinétique est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement réel.
Son expression est Ec = 
La masse s’exprime en kg, la vitesse en m.s-1 et l’énergie cinétique en joule.
1.2. L’énergie potentielle de pesanteur (ou de position) EPP.
Pout solide de masse M dont le centre d’inertie est situé à une altitude z par rapport au niveau de la surface de
la Terre possède de l’énergie potentielle de pesanteur.
L’énergie potentielle de pesanteur de ce solide est donnée par la relation :
Epp = mgz en considérant que z0 (sol) = 0
La masse s’exprime en kg, l’altitude en m et l’énergie potentielle en joule.
1.3. L’énergie mécanique EM.
Lorsqu’il n’y a pas de frottement, l’énergie totale est égale à l’énergie mécanique.
On observe un transfert d’énergie potentielle en énergie cinétique et réciproquement, mais l’énergie
mécanique reste constante en absence de frottement.
EM = EK + EPP = constante
EM = 
  constante
EM s’exprime en Joule.
2. Transferts d’énergie entre énergie potentielle et énergie cinétique.
Animation : http://phet.colorado.edu/fr/simulation/energy-skate-park-basics
ou https://phet.colorado.edu/fr/simulation/energy-skate-park
Problématique : comment évolue l’énergie du système skateur soumis au champ de pesanteur ?
On définit le système, le référentiel, les conditions initiales.
- Système : skateur.
- Référentiel : terrestre supposé galiléen.
- Conditions initiales : à t0 = 0, v = 0, z = hmax avec zo = 0