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2L
Cours Physique
Chap1 :
ENERGIE D’UN SYSTEME / CONSERVATION DE L’ENERGIE
Le mot « énergie » est utilisé tous les jours : énergie des élèves, boissons énergétiques,
énergie électrique, solaire ou nucléaire…pourtant c’est une grandeur physique bien difficile à
définir…
Il n’existe pas d’appareil capable de mesurer directement l’énergie.
Dans ce chapitre nous allons nous familiariser avec cette nouvelle notion ainsi que la loi
fondamentale qui l’accompagne : le principe de conservation de l’énergie dans certaines
situations précises. Cette nouvelle loi constituera un outil très pratique pour résoudre
rapidement certains problèmes physiques.
I.
1.
Généralités sur l’énergie
Qu’est-ce que l’énergie ?
De façon intuitive, on peut dire que :
L’énergie sert « à faire bouger les choses ». Son unité est le ………………….. de symbole …………….
L’énergie appartient à un système (objet) et peut se présenter sous différentes formes.
Rem : une ancienne unité était la calorie (cal) : 1 cal = 4,18 J.
2.
L’énergie dans la nature
Cliquer sur le lien suivant, regarder l’animation et compléter le tableau avec 1 ou 2 mots :
http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations_flash/les_energies/les_differentes_formes_d_energie/%2
8offset%29/12
Système naturel
Forme d’énergie
3.
Nuage orageux
Soleil
Energie musculaire
Bois qui brûle
Energie éolienne
L’énergie à la maison et les économies d’énergie
L’animation suivante montre une maison typique, complétez le tableau suivant l’exemple.
http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations-flash/energies/energie-et-economies-d-energie
Utilisation
Appareil(s)
Energie(s) possible(s)
Citer une mesure pour économiser de l’énergie
Chauffage
Télé, radio, ordinateur…
Appareils
électroniques
Appareils
électroménagers
Eclairage
Eteindre après utilisation (ne pas laisser en
mode « veille »)
2
4. Les sources d’énergie
http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animationsflash/energies/les-diverses-sources-denergie/%28offset%29/12
Complétez le tableau suivant l’exemple.
Sources d’énergies non renouvelables
Sources d’énergies renouvelables
Définition
types
fossiles
Noms
Gaz
Lettre
photo
correspondante
d
Centrale
électrique
Utilisations
a
fissiles
b
c
i
5.
d
e
f
g
h
j
Les énergies renouvelables
Etudions plus en détail les cinq familles d’énergies renouvelables.
a) Energie solaire
Il existe 2 types d’énergie solaire : le solaire photovoltaïque et le solaire thermique.
http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations-flash/energies/les-panneauxsolaires/%28offset%29/12
Le solaire photovoltaïque
Compléter les trous : les panneaux photovoltaïques produisent …………………………………………………. à partir de la
………………………. du soleil.
3
Répondre par VRAI ou FAUX :
1) Les panneaux solaires sont constitués d’une couche de silicium, d’une couche de phosphore et d’une couche de bore.
2) Les panneaux solaires sont constitués de deux couches de silicium, d’une couche de phosphore et d’une couche de bore.
3) Les panneaux solaires sont constitués de deux couches de silicium pur.
4) Les panneaux solaires sont constitués de deux couches de silicium non pur.
5) Les atomes de phosphore et de bore servent à créer le courant électrique que nous donne le panneau.
6) Les atomes de phosphore et de bore servent à créer un champ électrique qui est utile pour produire le courant électrique que
nous donne le panneau.
Choisir la bonne réponse :
7) La lumière arrache des électrons aux atomes de
8) L’électricité produite dépend de la
phosphore
chaleur
/
/
silicium
/
bore
lumière
Le solaire thermique
Dans ce cas, les capteurs solaires ne sont pas en silicium. Le rayonnement capté est transformé en chaleur qui sert à chauffer un
liquide par exemple de l’eau d’un réservoir pour produire l’eau chaude de la maison. Ils peuvent être aussi utilisés pour le
chauffage, idéalement par le sol.
Choisir la bonne réponse :
1) Les capteurs solaires thermiques sont plutôt
2) La chaleur produite dépend de la
sombres
chaleur
/
/
clairs
pour mieux absorber le rayonnement.
lumière
Bilan en vidéo (3 min 53) : http://www.youtube.com/watch?v=-T3ld4dysb0
b) Energie éolienne (Eole: dieu du vent de la Grèce antique)
http://encyclopedie-electricite.edf.com/production/industriels/renouvelable/eolien/fonctionnement.html
puis http://encyclopedie electricite.edf.com/production/industriels/renouvelable/hydro/zoom_turbo.html
Compléter les trous : dans une éolienne le ……………….. fait tourner les trois pales d’une
………………………. Ce mouvement entraine celui d’un …………………… qui produit
………………………………………………………………
Bilan en vidéo (3 min 38) : http://www.youtube.com/watch?v=kWKQ9P6xYpw
c)
Energie hydroélectrique
http://encyclopedieelectricite.edf.com/production/industriels/renouvelable/hydro/fonctionnement.html
Compléter les trous : dans une centrale hydraulique, l’eau est captée dans un
réservoir (barrage). Elle est ensuite dirigée à travers une conduite vers une
……………………….. située plus bas. L'écoulement de l'eau fait tourner une
………………………….. qui entraîne un ……………………………………… qui
produit ………………………………………………………………
Bilan en vidéo (1 min 39) : https://www.youtube.com/watch?v=lP7e06i6Bu8
d) La biomasse
http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations-flash/energies/la-biomasse/%28offset%29/12
Compléter les trous : la biomasse est l’énergie dégagée par les ………………………… et les déchets
des ………………………. C’est l’énergie la plus …………………….. utilisée dans le monde.
4
Le bois représente 14 % de la consommation énergétique mondiale. Issu des déchets de la forêt ou des industries du bois, il est
…………………. pour chauffer, cuire ou faire fonctionner des centrales …………………………..
Le biogaz est issu de la ………………………………….. des déchets organiques. Sa combustion produit de la chaleur, mais
également de l’électricité.
Voir animation http://encyclopedie-electricite.edf.com/production/industriels/renouvelable/biomasse/fonctionnement.html
Les biocarburants sont des carburants fabriqués à partir de ……………………….…. cultivées (tournesol, betterave, colza…).
Le biodiesel (ou ester méthylique d’huile végétale, EMHV), l’éthanol, et son dérivé, l’éthyl-tertio-butyl-ether, l'ETBE sont les plus
courants. Ils sont mélangés à de l’essence ou à du gazole.
Bilan en vidéo (2 min 49) : https://www.youtube.com/watch?v=b36dH8COxyA
e)
La géothermie
http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations-flash/energies/lageothermie/%28offset%29/12
Compléter les trous : La géothermie utilise la ………………………….
de la Terre pour ……………………. des logements ou produire
……………….…………………………………
Rem : à moins de 4,50 m de profondeur, la température du sol est
constante tout au long de l'année avec une température moyenne
d’environ 12 °C.
Avec un forage (trou) de profondeur moyenne inférieure à 30 m, on peut
chauffer des maisons individuelles.
Un forage plus profond permet d’obtenir des températures plus élevées
et de produire de l’électricité par vapeur.
Bilan en vidéo (1 min 34) : https://www.youtube.com/watch?v=wbWgp538cjo
f)
Conclusion
Exo 1 : préparez un commentaire de quelques phrases expliquant la définition et l’utilisation de l’une des cinq énergies
renouvelables (au choix). Ce commentaire sera lu à la classe:
Bilan global (2 min 57) : https://www.youtube.com/watch?v=4PfLWyfQ5aU
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6.
Production mondiale d’énergie
Exo 2 : Compléter les trous à partir du document de droite.
En 2010 :

Environ …………..….. % de l’énergie mondiale produite
est « fossile » (…………….………, ………….……….. et
……………………) aux réserves limitées et à fort impact
sur l’environnement (pollutions atmosphériques et surtout
effet de serre !).

Environ …………….. % de l’énergie mondiale consommée
est « fissile ou nucléaire » aux réserves limitées et à fort
impact sur l’environnement (accidents et déchets !).

Environ ……………………………….…………….. % de l’énergie mondiale produite est « renouvelable » : biomasse,
hydraulique, éolienne, solaire et autres… avec ses atouts et ses limites (rendements limités, impacts sur l’environnement ou les
populations…). La biomasse (bois surtout), représente environ ………………………………………….…….. % de ces énergies
renouvelables.
7. Les grandes dates et réalisations de l’énergie
Cliquer sur le lien précédent et compléter le tableau suivant l’exemple:
http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations_flash/les_energies/les_grandes_dates_de_l_energie/%28offset%29/12
Dates
Préhistoire
« Dispositif
technique »
domestiqué ou
inventé
Sources
d’énergie
utilisée
(tableau page 2)
Feu
« Dispositif
technique »
domestiqué ou
inventé
Sources
d’énergie
utilisée
(tableau page 2)
Utilisations
100
1690 puis 1769
puis 1814
1ers bateaux
1859
Pile électrique
Biomasse
Ne pas
chercher
Cuire des
aliments,
Effrayer les
animaux…
Utilisations
Dates
-
-
1879
1942
Ampoule
électrique
Ne pas
chercher
Ne pas
chercher
1ère
automobile
1er avion
Ne pas
chercher
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II.
1.
Energie d’un système
Qu’est-ce que l’énergie ?
Rappel :
L’énergie sert « à faire bouger les choses ». Son unité est le ………………….. de symbole …………….
L’énergie appartient à un …………………….. et peut se présenter sous différentes …………………..
Rem 1 : une ancienne unité était la calorie (cal) : 1 cal = 4,18 J.
Rem 2 : une autre unité est le whattheure (Wh): 1 Wh = 3600 J.
Rem 3 : Il existe aussi le kilowhattheure (kWh): 1 kWh = 1000 Wh. C’est l’énergie consommée par un aspirateur de 1000 W pendant
une durée de une heure.
2.
Différentes formes d’énergie
a) L’énergie mécanique (macroscopique = observable à notre échelle) : Em
- Cette énergie comprend :
- l’énergie potentielle de pesanteur Epp que
- l’énergie potentielle élastique Epe
- l’énergie cinétique Ec que
possède
que possède un système du fait de sa
un
système
du
fait
de
son
......................................... par rapport au sol
possède un système du fait de
.......................................... (ex : ressort,
arc, trampoline…)
son ..........................................
b) L’énergie interne (microscopique = à l’échelle des atomes donc invisible pour nous) : Uint
Cette énergie comprend :
Ex1 : mouvement désordonné des
Ex2 : vibrations des atomes (ou ions)
- l’énergie cinétique microscopique
atomes ou des molécules dans un
autour de leur position moyenne dans un
ou énergie thermique Eth : c’est
liquide ou un .gaz
cristal métallique ou ionique (sel)
l’énergie
associée
au
.................................................... des
particules (atomes, molécules, ions)
qui composent le système
- l’énergie potentielle microscopique : on peut la voir comme de l’énergie « stockée » dans les liaisons physiques (liaisons de
Van der Waals ou liaisons hydrogène : Eph), chimiques (liaisons covalentes ou ioniques : Ech) ou nucléaires (liaisons nucléaires :
Enucl).
Ex1 : au cours d’un ………………………………………………….. du système (ici vaporisation), des liaisons de Van der Waals ou
des liaisons hydrogène ont été cassées. On dit que l’énergie physique Eph varie.
avant
eau liquide
eau gaz
eau liquide
après
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Ex2 : au cours d’une ………………………………………………………. (ici C + O2  CO2), des liaisons covalentes ont été
cassées (ici une liaison O = O). On dit que l’énergie chimique Ech a varié.
après
avant
Ex3 : Observons la réaction de fusion de deux noyaux d’hydrogène lourds 12H (contenant ….. proton et ……. neutron chacun) en un
noyau d’hélium
4
2 He
(contenant …….. protons et …….. neutrons). Au cours de cette ……………………………
………………………………. des liaisons nucléaires ont été cassées. On dit que l’énergie nucléaire Enucl a varié.
noyau 12H
noyau 12H
noyau 24He
avant
après
Cette réaction a lieu dans le Soleil, c’est ce qui lui permet de briller et de nous éclairer (réchauffer).
Récapitulatif :
Type de
liaisons
Liaison entre…
De Van der Waals
ou … hydrogène
…molécules
Energie
correspondante
Energie
(physique)
changement d’état Eph
Covalente
de
Ionique
..atomes
d’une
molécule
Energie (chimique) de
liaison covalente Ech
…ions d’un cristal
Energie (chimique) de liaison
ionique ou Energie réticulaire
Ech
Nucléaire
…nucléons d’un
noyau
Energie
nucléaire
Enucl
+ faible
Rem : les liaisons métalliques entre atome d’un métal sont plus complexes, nous n’en parlerons pas ici.
3.
+ forte
Grandeur physique associée à une forme énergie
A chaque forme d’énergie est associée une grandeur physique qui augmente lorsque l’énergie augmente :
Associer chaque grandeur à son énergie en complétant le tableau.
Echelle
Energie
cinétique
Macroscopique
potentielle
de pesanteur
potentielle
élastique
thermique
Microscopique
physique
chimique
nucléaire
Grandeur
Grandeurs : longueur déformée (x), température(T), masse des corps (m), vitesse (v), altitude (z)
4.
Transferts énergétiques
L’énergie d’un système peut augmenter ou diminuer en changeant de ………………………..
Ceci peut se réaliser par 4 moyens différents :
a) par travail …………………………..… Wm lorsqu’une …………………… est responsable de la variation d’énergie.
b) par travail ………………..………. We lorsqu’un …………………………………… est responsable de la variation d’énergie.
c) Par travail ……………………… Wr lorsqu’un ………………………… (une onde) est responsable de la variation d’énergie.
d) Par ………………………….. Q lorsque la …………………… est responsable de la variation d’énergie.
Rem : un système possède de l’énergie mais ne possède pas de travail ou de chaleur. Les travaux et la chaleur sont comme les
« coups de poing » : on peut en donner 2, en recevoir 3 mais on ne peut pas en posséder « en stock ».
8
Trouver les erreurs dans cette animation.
http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations-flash/energies/l-energie-et-ses-transformations
Exo 3 : Au point A, le skieur possède une ……………………... zA supérieure à zB,
il possède donc une énergie …………………………………………………....
Cette énergie permet de le mettre en mouvement : il descend. En descendant, son
altitude diminue (donc …………… ) mais sa …………………………augmente.
L’énergie
potentielle
de
pesanteur
s’est
donc
transformée
en
énergie
………………………………... ( …… ) Cette transformation s’est réalisée grâce
à
une
……………………..
(le
poids
du
skieur),
donc
par
………………………………………………………………………..
On peut schématiser cette situation par la chaîne énergétique suivante :
Epp
Ec
Wm
skieur
skieur
Exo 4 : Dans la situation suivante, on
suppose que le skieur est immobile
en A ; Le bateau le tire jusqu’en B
puis le laisse. Le skieur monte alors
sur le tremplin BC puis saute : il
monte jusqu’en D puis retombe dans
l’eau où il finit par s’arrêter.
Représenter la chaîne énergétique
correspondant au système { skieur }.
Rem : On ne représente que les formes d’énergie les plus intéressantes (les plus significatives) qui se transforment.
Exo 5 : au cours de l’explosion,
l’énergie ……………………..
contenue dans la dynamite s’est
transformée par les ……………
de pression ( ………. ) en
mouvement des morceaux de
grotte (donc ………..) , en
mouvement puis altitude du
frère d’Ali Baba (donc ……… puis …………) , en énergie ………………………. du milieu extérieur (l’air) qui a vu sa température
augmenter par 2 moyens : chaleur ( ………. ) et bruit (qui est une onde donc ………..).
9
La
chaîne
énergétique
correspondant à cette situation
est donc la suivante :
Ec
Ech
Wm
Dynamite
Grotte
Wm
Ec
Homme
Epp
Wm
Homme
Eth
Wr
Q
Air extérieur
Exo 6 :
Représenter la chaîne
énergétique correspondant
à cette situation.
5.
Exercices :
Exo 7 : Trouver 4 moyens différents (un moyen par transfert) d’augmenter l’énergie thermique (donc la température) d’un litre de
Glühwein contenu dans un récipient.
Exo 8 : Représenter les chaînes énergétiques simples correspondant aux
situations suivantes :
a) On fait chauffer son bol de thé au four à micro-onde.
b) On perce un trou dans un mur.
c) On fait chauffer ses tartines au grille-pain
d) On éclaire sa maison grâce à des panneaux solaires
e) voir figure du milieu
f) voir figure de droite
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III. Conservation de l’énergie mécanique
1. Problématique
Voici quelques documents issus des campagnes de prévention routière en France :
« Un choc à 50 km/h
est équivalent à une
chute du 4ème étage »
Question : à votre avis, un choc à 100 km/h sera équivalent à une chute du ………. étage ?
Pour vérifier votre réponse, il faut faire le lien entre la vitesse et la hauteur de chute. Prenons alors l’exemple d’une chute libre.
2.
Chute libre
On dit qu’un objet est en chute libre s’il n’est soumis qu’à une seule force : son
………………..…, les frottements (de l’air) sont alors ………………………………
h
Etude d’un exemple : la chute libre d’une balle
On filme avec un caméscope la chute d’une balle dans l’air. Puis à l’aide d’un logiciel, on visualise
les positions de la balle toutes les 0,04 s. La hauteur de chute étant faible, on peut négliger les
frottements de l’air sur la balle.
Rem : La photo à droite est à l’échelle 1/10.
v?
On veut trouver une relation entre la vitesse v atteinte par la balle et sa distance de chute h.
a) Distance de chute : mesurer la distance h pour les différentes dates et reporter les valeurs
dans le tableau (lignes 2, 3 et 4).
Date t (en s)
Distance
mesurée h
(en cm)
Distance
réelle h
(en cm)
Distance
réelle h
(en m)
t0 = 0
t1 
= 0,04s
t2
= 0,08s
t3
= 0,12s
t4 
= 0,16s
t5
= 0,20s
t6 
= 0,24s
t7
= 0,28s
t8
= 0,32s
t9 
= 0,36s
h1 =
h2 =
h3 =
h4 =
h5 =
h6 =
h7 =
h8 =
h9 =
v1 =
v2 =
v3 =
v4 =
v5 =
v6 =
v7 =
v8 =
v9 =
t10 
= 0,40s
0
0
h10 =
0
Vitesse v
(en m/s)

Vitesse au
carré v2
(en m2/s2)



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b) Etude de la vitesse : on veut trouver les valeurs des vitesses v1 , v2 … v9 atteintes par la balle pour les différentes hauteurs de
chute h1 , h2 … h9. Nous allons commencer par quelques rappels sur la vitesse.
b.1 Compléter la définition de la vitesse suivante ainsi que la formule correspondante :
Définition :
La vitesse moyenne v entre les instants t1 et t2 est le rapport de la ………………………… d parcourue par la
………………………… t du parcours.
Formule : v = …………………. avec d en mètre (m) ; t en seconde (s) et vm en m/s
b.2 L’unité de vitesse la plus couramment utilisée est le kilomètre
par heure (km/h) ; c'est l'unité usuelle mais ce n'est pas l'unité
légale. Calculer la correspondance entre les deux unités :
1m ................m .........km


 ...............km / h
1s
3600s
......h
Aide : 1 h = ……. min = ………………………………. s
b.3 Proposer une méthode pour trouver les valeurs des vitesses v1 , v2 … v9 atteintes par la balle pour les différentes hauteurs de
chutes de chute h1 , h2 … h9. Appeler le prof pour expliquer la méthode.
b.4 Calculer ces valeurs en m/s et compléter la 5ème ligne du tableau.
c) Relation vitesse / hauteur
c.1 Représenter l’évolution de la vitesse atteinte par la balle v en m/s (en ordonnée : y-Axe) en fonction de la hauteur h de chute
en m (en abscisse : x-Axe) (graphe 1).
c.2 Y a-t-il proportionnalité entre v et h ? Justifier votre réponse.
Cherchons autre chose :
c.3 Calculer la valeur de la vitesse au carré v2(en m2/s2) et compléter la 6ème ligne du tableau.
c.4 Représenter l’évolution de la vitesse au carré v2 en m2/s2 (en ordonnée : y-Axe) en fonction de la hauteur h de chute en m
(en abscisse : x-Axe) (graphe 2).
c.5 Y a-t-il proportionnalité entre v2 et h ? Justifier votre réponse.
c.6 Calculer la valeur du coefficient de proportionnalité (pente ou Steigung de la droite).
c.7 Exprimer sa valeur en fonction de l’accélération de la pesanteur g = 9,8 m/s2.
c.8 Ecrire la relation entre v, g et h.
c.9 Répondez à la question du départ.
Graphe 1 : v (en m/s) = f(h en m)
Graphe 2 : v2 (en m2/s2) = f(h en m)
12
d) Passage à l’énergie
d.1 Représenter la chaine énergétique correspondant à la chute libre de la balle.
d.2 Compléter le texte : au cours de la chute, l’énergie …………………………………………………..… s’est transformée en
énergie ………………………………....
Pour aller plus loin, il faut connaitre les expressions de Ec et Epp.
d.3 Expression de Ec
Pour un objet de masse m et de vitesse v, on a :
Ec = ½ m .v2
Unités : Ec en ………….., m en ………….. et v en ………………….
Rem :
1. On voit bien que Ec ↑ si v ↑ mais pas de façon proportionnelle.
2. Lors d’un choc entre véhicules, l’énergie cinétique des véhicules sert à déformer les carrosseries et à les échauffer : les dégâts sont
donc globalement proportionnels au carré de la vitesse des véhicules : un accident à 160 km/h est …………… fois plus dangereux
qu’un accident à 80 km/h et …………… fois plus dangereux qu’un accident à 40 km/h !!
C’est entre autre pour cette raison que les distances de freinage recommandées par le code de la route ne sont pas proportionnelles à la
vitesse de la voiture (mais plutôt au carré de la vitesse).
Exo 9 : a) Calculer l’énergie cinétique d’une Renault Clio (grise) d’une tonne roulant à 50 km/h. Attention aux unités.
b) A quelle vitesse doit rouler cette voiture pour provoquer les mêmes dégâts (donc posséder la même énergie cinétique) qu’un
camion de 50 tonnes roulant à 100 km/h ?
d.4 Expression de Epp
Pour un objet de masse m et situé à l’altitude h par rapport au sol, on a :
Epp= m.g.h
Unités : Unités : Epp en ………….., m en ………….. h en ………….. et g = 9,8 m/s2 = accélération de la pesanteur.
Exo 10 : Calculer l’énergie potentielle de pesanteur d’un ballon de foot de 600 g situé à une altitude de 9,5 m au-dessus du sol.
Attention aux unités.
d.5 Retour à la chute libre :
 Rappeler la relation entre v, g et h obtenue en 3.h) de la page précédente.
 Multiplier chaque côté de la relation par le facteur « ½ m »
 Conclure en complétant le texte : au cours d’une chute libre, l’énergie cinétique gagnée par l’objet est ………………… à
l’énergie potentielle de pesanteur perdue par l’objet. Ainsi l’objet n’a ni gagné ni perdu d’énergie ; sa quantité totale d’énergie est
restée ……………………………..
13
3.
Généralisation : conservation de l’énergie mécanique
Expression de Em : on rappelle que l’énergie mécanique est la somme de l’énergie cinétique et des énergies potentielles de pesanteur et
élastique : Em = Ec + Epp + Epe
On supposera pour la suite que le système ne possède pas d’énergie potentielle élastique : Epe = 0 donc
Em = Ec + Epp
On peut généraliser les résultats obtenus pour la chute libre à toutes les situations où il n’y a pas de frottements (ni de chocs
« mous »).
CONSERVATION de L’ENERGIE MECANIQUE : en l’absence de…………………………….. (et de choc) l’énergie
mécanique d’un système est ……………………….
4. Exemples (tous les frottements seront négligés)
4.1 Exo11 : Saut à l’élastique : un élève de masse 60 kg ayant raté son dernier devoir de
physique se laisse tomber sans vitesse d’un pont situé à une altitude h1 = 120 m au dessus
du sol.
h
pont
h1
a) Ecrire l’expression littérale (formule avec les lettres sans chiffres) de l’énergie
mécanique totale Em1 de l’élève sur le pont et calculer sa valeur. On prendra g = 10 m/s2.
b) Ecrire l’expression littérale (formule) de l’énergie mécanique totale Em2 de l’élève à
l’altitude h2 = 20 m et donner sa valeur. Justifier votre réponse.
h2
c) En déduire la vitesse v2 atteinte par l’élève à l´altitude h2. Vous donnerez le résultat en
m/s puis en km/h.
sol
4.2 Exo12 : Tir au pistolet : un individu tire au pistolet verticalement à partir du sol. La balle de masse m = 5,0 g
part à la vitesse v1 = 600 m/s. On veut connaitre l’altitude h2 atteinte par la balle avant de retomber.
a) Ecrire l’expression littérale (formule avec les lettres sans chiffres) de l’énergie mécanique totale Em1 de la balle
au moment où elle sort du pistolet au niveau du sol et calculer sa valeur.
On prendra g = 10 m/s2.
b) Ecrire l’expression littérale de l’énergie mécanique totale Em2 de la balle au moment où elle atteint son altitude maximale h2 et
donner sa valeur. Justifier votre réponse.
c) Calculer l’altitude théorique maximale h2 atteinte par la balle.
d) En réalité la balle atteint une altitude de 1,5 km. Que pouvez-vous en déduire ?
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4.3 Exo13 : Plan incliné
On néglige tous les frottements (sol et air).
Un skieur de masse m = 80 kg s’élance sans vitesse initiale d’une altitude h1
et parcourt la distance L sur la neige pour arriver à l’altitude h2 avec la vitesse
v2. On prend comme origine des altitudes la position la plus basse : h2 = 0.
La pente fait un angle  = 30° avec l’horizontal.
On veut savoir quelle sera sa vitesse v2 lorsqu’il aura parcouru la distance L.
h
A
h1
a) Exprimer en fonction de L et de l’angle .
Aide : raisonner dans le triangle ABC.
L

b) Donner les expressions littérales (formule avec les lettres sans chiffres) de
Em1 et Em2 du skieur aux positions 1 et 2 en fonction de m, g, v2 , L et 
h2
B
C


c) En déduire l’expression de v2 en fonction de g, L et 
d) On donne L = 300 m et on prendra g = 10 m/s2. Calculer v2. Vous donnerez le résultat en m/s puis en km/h.
IV.
1.
Cas où l’énergie mécanique n’est pas conservée
Effet des frottements ou d’un choc « mou »
Si les frottements (du sol, de l’air ou autres…) ne sont pas ……………………………… ou si le système subit un choc
« mou », son énergie mécanique n’est plus …………………………….
2.
Exemples
h
2.1 Exo15 : Descente à vélo : un cycliste de masse m = 90 kg
(avec son vélo), initialement au repos, descend une côte en
freinant et se retrouve immobile en bas de cette côte.
haut
h1
a) Calculer Em1 en haut de la décente si h1 = 200 m.
On prendra g = 10 m/s2 et h2 = 0 m.
b) Calculer Em2 en bas de la descente.
c) En quoi s’est transformée cette énergie mécanique ? Justifier
votre réponse par une chaine énergétique de la situation.
h2
bas
0
15
2.2 Exo16 : L’omelette à un seul œuf…
Un œuf cru est lâché sans vitesse initiale au dessus d’un sol dur d’une hauteur de h1 = 1,5 m.
On prend comme origine des altitudes la position la plus basse : h2 = 0.
a) Donner l’expression de Em1 en position initiale.
b) Donner l’expression de Em2 lorsque l’œuf s’est écrasé au sol.
c) En quoi s’est transformée cette énergie mécanique ? Justifier votre réponse par une chaine énergétique de la situation.
d) Qu’est-ce qui est responsable de cette diminution d’énergie mécanique ?
3. Conclusion : dégradation d’énergie mécanique
Les exemples précédents montrent qu’une diminution d’énergie mécanique d’un système s’accompagne d’une augmentation
d’énergie du milieu extérieur (air, sol…) ou d’une partie du système (freins du vélo, œuf cassé…). On peut retenir que :
Les frottements et les chocs « mous » permettent un transfert d’énergie. L’énergie mécanique ………………………………. et
la même quantité d’énergie apparait sous d’autres formes souvent ……………………………………… Eth ou Epot micro…)
Pour s’amuser et comprendre :
http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/lycee/premiere_1S/energie_potentielle_cinetique_mecanique.htm
http://phet.colorado.edu/en/simulation/energy-skate-park-basics