Colle 16-17 semaine 18

PCSI2 PROGRAMME DE COLLES DE PHYSIQUE Année 2016-2017
Semaine 18
2.2 Approche énergétique du mouvement d'un
point matériel
Puissance et travail d’une force.
Reconnaître le caractère moteur ou résistant d'une
force. Savoir que la puissance dépend du référentiel.
Loi de l’énergie cinétique et loi de la puissance
cinétique dans un référentiel galiléen.
Utiliser la loi appropriée en fonction du contexte.
Énergie potentielle. Énergie mécanique.
Établir et connaître les expressions des énergies
potentielles de pesanteur (champ uniforme), énergie
potentielle gravitationnelle (champ créé par un astre
ponctuel), énergie potentielle élastique, énergie
électrostatique (champ uniforme et champ créé par
une charge ponctuelle).
Mouvement conservatif.
Mouvement conservatif à une dimension.
Distinguer force conservative et force non conservative.
Reconnaître les cas de conservation de l'énergie
mécanique. Utiliser les conditions initiales.
Déduire d’un graphe d’énergie potentielle le
comportement qualitatif : trajectoire bornée ou non,
mouvement périodique, positions de vitesse nulle.
Expliquer qualitativement le lien entre le profil
d’énergie potentielle et le portrait de phase.
Positions d’équilibre. Stabilité.
Déduire d’un graphe d’énergie potentielle l’existence
de positions d’équilibre, et la nature stable ou instable
de ces positions.
Petits mouvements au voisinage d’une position
d’équilibre stable, approximation locale par un puits
de potentiel harmonique.
Identifier cette situation au modèle de l’oscillateur
harmonique.
Approche numérique : utiliser les résultats fournis
par une méthode numérique pour mettre en évidence
des effets non linéaires.
Barrière de potentiel.
Évaluer l’énergie minimale nécessaire pour franchir la
barrière.
Energie
I Travail et puissance d’une force
Définitions.
II Théorème de l'énergie cinétique et de la puissance cinétique
Enoncé et démonstration.
III Energie potentielle
1) Définition
A partir du travail.
2) Exemples
a) Energie potentielle de pesanteur
b) Energie potentielle gravitationnelle
c) Energie potentielle électrostatique
Deux charges ponctuelles en interaction, charge plongée dans un champ uniforme.
d) Energie potentielle élastique
IV Energie mécanique
1) Intégrale première de l'énergie = théorème de l’énergie mécanique
2) Exemples d'application
a) Oscillateur constitué d'une masse à l'extrémité d'un ressort horizontal (pour mémoire)
b) Pendule plan
Equation du mouvement, évolution de la période avec l’amplitude.
c) Point mobile sans frottement sur une sphère
Calcul de l’angle de décollage.
d) Tir dans le vide
V Utilisation des représentations graphiques
1) Caractéristiques du mouvement
Looping (condition de franchissement de la barrière de potentiel pour un mouvement de révolution, trajectoire
bornée ou non), pendule simple (puits et barrière de potentiel), interaction de deux particules chargées
(barrière de potentiel et distance minimale d’approche).
2) Equilibre - Condition de stabilité
Conditions générales à partir de l’énergie potentielle pour un problème unidimensionnel, exemples.
3) Petits mouvements au voisinage d’une position d’équilibre stable
Parabolisation d’un puits de potentiel au voisinage d’une position d’équilibre stable pour un problème
unidimensionnel.
VI Conclusion : lien entre portrait de phase et profil d’énergie potentielle
Sur l’exemple du pendule plan.
3. Mouvement de particules chargées dans des
champs électrique et magnétique, uniformes et
Stationnaires
Force de Lorentz exercée sur une charge ponctuelle ;
champs électrique et magnétique.
Évaluer les ordres de grandeur des forces électrique ou
magnétique et les comparer à ceux des forces
gravitationnelles.
Puissance de la force de Lorentz.
Savoir qu’un champ électrique peut modifier l’énergie
cinétique d’une particule alors qu’un champ
magnétique peut courber la trajectoire sans fournir
d’énergie à la particule.
Mouvement d’une particule chargée dans un champ
électrostatique uniforme.
Mettre en équation le mouvement et le caractériser
comme un mouvement à vecteur-accélération constant.
Effectuer un bilan énergétique pour calculer la vitesse
d'une particule chargée accélérée par une différence de
potentiel.
Citer une application.
Mouvement circulaire d’une particule chargée dans un
champ magnétostatique uniforme dans le cas où le
vecteur-vitesse initial est perpendiculaire au champ
magnétique.
Déterminer le rayon de la trajectoire sans calcul en
admettant que celle-ci est circulaire.
Mouvement de particules chargées dans le vide
I Champs et force électromagnétiques
1) Champ électrique
Charges électriques, charge élémentaire, champ et force électrostatiques, réalisation d’un champ uniforme
avec un condensateur plan.
2) Champ magnétique
Interactions entre aimants et courants, champ et force magnétostatiques, réalisation d’un champ uniforme
avec un solénoïde infini ou des bobines de Helmholtz.
3) Force de Lorentz
Expression.
II Mouvement dans un champ électrique
Dispositif expérimental, détermination de la vitesse de sortie du canon à électrons à l’aide de l’énergie, poids
négligeable devant la force électrique, détermination de la trajectoire.
III Mouvement dans un champ magnétique
Dispositif expérimental, poids négligeable devant la force magnétique, puissance nulle de la force magnétique,
détermination du rayon de la trajectoire lorsque la vitesse initiale est perpendiculaire au champ.
Tout exercice de mécanique sur la RFD, l’énergie et les mouvements de particules chargées.