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Partie II Force, travail et énergie - 1S Chapitre 2
activités
Partie 2. Le travail : transferts et changements de forme de l’énergie
Activité 1 : Lancer à différentes hauteurs de médecine-balls plus ou moins lourds

Vous disposez de deux médecine-balls (MB), un léger et un plus lourd. On désire comparer plusieurs lancer, en changeant soit
la hauteur du lancer soit le MB. Lancez le plus léger à faible hauteur et rattrapez-le (situation de référence).
1. Décrivez par des mots de la vie de tous les jours ce qui change dans la façon dont vous vous y prenez :
- quand vous lancez ce même médecine-ball à une hauteur moyenne puis quand vous le rattrapez (1ère colonne);
- quand vous lancez à une grande hauteur l’un ou l’autre des médecine-balls puis quand vous le rattrapez (2e et 3e colonne) ;
Hauteur moyenne
Grande hauteur
MB léger
MB léger
MB lourd
lancer
réception
-----------------------------------------
2. A propos des mêmes expériences mais uniquement pour le lancer, indiquer les grandeurs utilisées par le physicien pour décrire
ce qui change dans la façon dont vous vous y prenez.
Hauteur moyenne
Grande hauteur
MB léger
MB léger
MB lourd
-----------------------------------------
Activité 2 : étude de la situation d’un point de vue énergétique
On utilise maintenant le modèle de l’énergie.
1. Première approche du point de vue énergétique
1.
2.
Écrire brièvement comment on peut interpréter selon un point de vue énergétique ce qui se passe lors du lancer. Indiquer
les éventuels réservoirs et/ou transformateurs, les éventuels transferts, précisez leur mode.
On ne s’intéressera pas aux transferts d’énergie entre les différents organes ou parties du corps (bras, main,
muscles, système sanguin)...) que l’on associera au sein d’un unique système.
On considère comme négligeables les transferts thermiques et les frottements avec l’air.
Même question pour les trois autres phases du mouvement.
-----------------------------------------
2. Les différentes formes d’énergie du système (médecine-ball + Terre)
A- Pendant la montée
1. Comment évolue la quantité d’énergie du système (médecine-ball + Terre) pendant la montée ?
2. Comment évolue l’énergie cinétique du système (médecine-ball + Terre) pendant la montée ? (l’énergie cinétique d’un
système constitué de plusieurs sous-systèmes est la somme des énergies cinétiques des sous-systèmes).
L’énergie cinétique perdue a été transformée en une énergie qu'on appelle potentielle.
3. Préciser comment évoluent les quantités d’énergie stockées sous forme cinétique et potentielle. Indiquer en quelles
positions ces quantités sont maximales ? minimales ?
4. De quelles grandeurs dépend selon vous l’énergie potentielle du système ?
-----------------------------------------
B- Pendant la descente
1. Comment évolue la quantité d’énergie du système (médecine-ball + Terre) pendant la descente ?
2. Précisez comment évoluent les quantités d’énergie stockées sous forme cinétique et potentielle. Indiquer en quelles
positions ces quantités sont maximales et en quelles positions elles sont minimales.
C- Pour les phases de lancer et de réception du médecine-ball
Indiquer pour chacune de ces deux phases si l’énergie stockée par le système (médecine-ball + Terre) augmente, diminue, ou est
constante. Précisez quand elle est minimale et quand elle est maximale.
1
Sesames
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Activité 3 : énergie transférée par mode travail
1. Grandeurs dont dépend la quantité d’énergie transférée par mode travail
On s’intéresse au lancer et à la réception. Le système considéré est le médecine-ball.
a. Décrire l’interaction en jeu pour le transfert d’énergie (par mode travail) :
- en nommant les deux systèmes qui interagissent ;
- en nommant et en représentant les deux forces mises en jeu dans l’interaction.
b. En vous intéressant plus particulièrement au geste que vous faites pour lancer le plus haut possible le médecine-ball le plus
lourd et en tenant compte de l’analyse qui a été faite du lancer, cherchez quelles grandeurs doivent varier si on veut que la quantité
d’énergie transférée soit la plus grande possible.
c. On peut analyser de la même façon la réception. Vérifier si votre réponse précédente s’adapte à cette phase.
d. De quelles grandeurs dépend donc la quantité d’énergie transférée par mode travail ?
-----------------------------------------
2. Travail effectué par le poids
a. Donner l’expression du travail opéré par le poids du médecine-ball pour le déplacement de A à B pendant la montée puis de B à
A pendant la descente.
b. Application numérique : AB = 1,50m ; m = 4 kg.
c. Le travail opéré par le poids correspond-il à un transfert d’énergie entre deux systèmes ?
-----------------------------------------
Activité 4 : Expressions de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle
Le but de cette activité est de trouver l’expression de l’énergie potentielle et celle de l’énergie cinétique.
Dans toute notre étude, nous avons admis que le mouvement de la Terre n’était pas modifié par nos expériences.
1. On considère qu’on élève lentement le MB à la main sur une hauteur OA = h de 50 cm
a. Déterminer l’expression de la force exercée par l’élève sur le MB si on admet que la vitesse du MB est constante ?
b. Que dire de la variation de l’énergie cinétique entre le début et la fin de l’élévation ?
c. Donner l’expression de la quantité d’énergie transférée par mode travail.
d. En déduire une expression de la variation d’énergie potentielle entre la position initiale et la position finale.
e. Proposer une expression de l’énergie potentielle du système (MB+T).
f. Montrer que votre expression rend bien compte des conclusions de l’activité 2, 2. a..
-----------------------------------------
2. On s’intéresse à la descente dans le but d’établir l’expression de l’énergie cinétique
Le but de cette activité est d’établir une expression de l’énergie cinétique dans laquelle ne figure que la vitesse et la masse du
système. Cela revient à trouver une « formule » permettant de calculer l’énergie cinétique d’un système connaissant sa masse et sa
vitesse.
On utilise les données expérimentales ci-dessous pour trouver l’expression de l’énergie cinétique qui doit être en accord avec
l’analyse énergétique de la situation. Pour des raisons de commodité, l’expérience a été faite avec une bille d’acier (action de l’air
négligeable) de masse m = 13,5.10–3 kg, lâchée verticalement. La vitesse de la bille en différentes positions de sa trajectoire est
mesurée à l’aide de capteurs.
Position
0
1
2
3
4
Distance parcourue par la bille (m)
0
0,300
0,600
0,900
1,100
Altitude z (m)
Vitesse (m.s-1)
0
2,425
3,448
4,210
4,632
Energie cinétique (J)
a. On choisi d’associer une énergie potentielle nulle à la position 4. En déduire l’altitude attribuée à cette position puis celle
attribuée à chacune des autres positions (compléter la ligne correspondante du tableau).
b. Pendant la chute le système (bille+Terre) étant considéré comme isolé, son énergie totale est constante. Sachant que lorsque la
vitesse d’un système est nulle son énergie cinétique l’est aussi, déterminer la valeur de cette énergie totale.
c. En déduire la valeur de l’énergie cinétique pour les différentes positions de la bille (compléter la ligne correspondante du
tableau).
d. Utiliser ces résultats pour déterminer quelle est le seul lien possible entre l’énergie cinétique E c et la vitesse, parmi ceux
proposés ci-dessous :
Ec est proportionnelle à :  v
 v2

1
v

1
2
v
Justifier la réponse.
e. Sachant que la constante de proportionnalité ne dépend que de la masse, trouver son expression et en déduire l’expression
générale de l’énergie cinétique.
2
Sesames
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Généralisation de quelques résultats précédents
Nous avons défini jusqu’à maintenant le travail opéré par des forces pour des situations se limitant au lancer
d’un médecine-ball. La direction des mouvements et des forces étaient verticale. Sous la forme d’exercices,
nous allons étendre la notion de travail à des situations plus diverses en nous limitant cependant au travail
opéré par des forces constantes.
1. Généralisation de l’expression du travail : activité P.97 Hatier 1ère S (ou tout exercice)
2. Expression du travail effectué par le poids.
Un objet de masse m glisse sans frottements d’un point A à un point B sur
distance de 5,0 m le long d’un plan incliné d’un angle  = 50° par rapport
horizontal.
1. Donner l’expression puis calculer la valeur du travail opéré par le poids
de ce déplacement de A à B. La relation Ep = –WP écrite pour des
mouvements verticaux est-elle encore vérifiée ?
2. Calculer le travail opéré par le poids au cours d’un déplacement
empruntant deux plans inclinés successifs comme l’indique le schéma ciQuelle conclusion peut-on en tirer ?
3
A
une
au plan
C
au cours
B
contre.
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Exercices portant sur des situations de lancer de médecine-ball
1. On abandonne sans vitesse initiale une bille de masse m = 20,0 g d’une hauteur h = 10,0 m au-dessus du sol.
Après avoir établi les expressions littérales, calculer, lorsque la bille atteint le sol :
- sa vitesse ;
- l’énergie cinétique et l’énergie potentielle du système (bille + Terre) puis les variations d’énergies cinétique et
potentielle ;
Calculer le travail opéré par le poids tout au long du déplacement. Établir alors des relations très simples entre EC et le travail
opéré par le pois puis entre Ep et ce même travail.
On prendra g = 9,81 N.kg-1.
2°. On lance la même bille (m = 20,0 g) depuis le sol . Elle s’élève d’une hauteur de 30,0 m.
Calculer la vitesse qu’il faut lui communiquer à la fin du lancement puis les variations d’énergie cinétique et potentielle du
système (bille + Terre). Les relations établies à la fin de l’exercice entre Ec et Ep avec le travail opéré par le pois sont-elles
encore vérifiées.
3°. Pour lancer à la verticale un médecine-ball de masse m = 4,0 kg, un élève exerce une force que l’on suppose constante
d’intensité F = 70 N. Il commence son mouvement de lancer alors que le centre du médecine-ball est à une hauteur de 70 cm audessus du sol. la distance de poussée est de 80 cm. On prendra g = 10 N.kg -1.
a) On s’intéresse à la phase de lancer. Établir les expressions puis calculer :
- le travail opéré par la force exercée par l’élève tout au long de l’opération ;
- les variations d’énergie, d’énergie cinétique et d’énergie potentielle du système (MB + Terre) ;
- la vitesse du médecine-ball à la fin du lancer.
Établir une relation simple entre la variation d’énergie cinétique et les travaux opérés par les forces qui s’exercent sur le médecineball.
b) on s’intéresse à la montée. A quelle hauteur au-dessus du sol va s’élever le médecine-ball ?
4°. L’élève de l’exercice précédent veut que le médecine-ball s’élève à une hauteur de 3,0 m au-dessus du sol. Par rapport à sa
façon de le lancer, il ne modifie que l’intensité de la force qu’il exerce sur le médecine-ball. Calculer cette nouvelle intensité.
5°. L’élève de l’exercice 4, après avoir lacer son médecine-ball, l’attrape en tenant ses bras pliés et collés contre son corps. Ses
mains sont à 1,50 m au-dessus du sol lorsque commence la phase de réception et elles descendent de 15 cm. Calculer l’intensité de
la force qu’il exerce sur le médecine-ball.
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