physique - chimie Livret de corrigés ministère de l éducation nationale Rédaction

Transcription

1 ministère de l éduation nationale physique - himie 3e Livret de orrigés Rédation Wilfrid Férial Jean Jandaly Ce ours est la propriété du Cned. Les images et textes intégrés à e ours sont la propriété de leurs auteurs et/ou ayants droit respetifs. Tous es éléments font l objet d une protetion par les dispositions du ode français de la propriété intelletuelle ainsi que par les onventions internationales en vigueur. Ces ontenus ne peuvent être utilisés qu à des fins stritement personnelles. Toute reprodution, utilisation olletive à quelque titre que e soit, tout usage ommerial, ou toute mise à disposition de tiers d un ours ou d une œuvre intégrée à eux-i sont stritement interdits. Cned 2009 Direteur de la publiation Mihel Leroy Ahevé d imprimer le 30 juin 2011 Dépôt légal 3e trimestre , rue Maroni Mont-Saint-Aignan

2 Séquene 1 SÉQUENCE 1 Séane 1 Exerie 1 1- Notre système solaire ompte 8 planètes. 2- Le Soleil est notre étoile. 3- L ordre des planètes à mesure que l on s éloigne du Soleil est : Merure Vénus Terre Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune 4- L éliptique est le plan de l espae balayé par le rayon Soleil-Terre pendant la révolution de la Terre autour du Soleil. 5- Le sens de révolution des planètes autres que la Terre est identique à elui de la Terre. 6- Pluton n est pas une planète ar sa révolution autour du Soleil s éarte suffisamment du plan éliptique pour penser qu elle subit l influene d un autre objet éleste. 7- Elle appartient à la famille des planètes naines. 8- Les planètes faites de rohes et prohes de la Terre sont dites telluriques. Exemple : Mars. 9- Les autres planètes sont nommées : les «géantes gazeuses». On les nomme ainsi ar elles sont onstituées en majorité de gaz. Exemple : Neptune. 10- Le satellite naturel de la Terre est la Lune. 11- Il faut exprimer les durées de propagation de la lumière dans la même unité (la seonde). Exprimons la durée en seonde (s) mise par la lumière provenant du Soleil pour arriver sur Terre : 8 min 20 s donnent en seonde : = = 500 soit 500 s. La durée mise par la lumière provenant de la Lune pour arriver sur Terre est 1,3 s. Calulons le rapport des durées de propagation : 500 1,3 384,6 soit environ 400 La lumière du Soleil met environ 400 fois plus de temps que elle de la Lune à parvenir sur Terre. La distane est à l origine de ette onlusion, ar la lumière ne se propage pas de façon instantanée entre deux endroits de l Univers. Sa propagation s effetue à la vitesse kilomètres par seonde dans le vide ( = m/s). 2 Cned, Physique - himie 3e

3 Séquene 1 Exerie 2 1- Dates et noms de quelques savants qui ont partiipé à la onstrution des onnaissanes sur le système solaire : Newton L expression «vision géoentrique» est l idée d un système astronomique où la Terre est plaée au entre de l Univers. 3- C est Coperni qui a affirmé dans son traité (publié après sa mort) que le Soleil est plaé au entre du système solaire. 4- Galilée a pu observer les planètes et montrer qu elles «flottaient» dans l espae grâe à une lunette astronomique. 5- C est Newton qui a établi la loi de gravitation universelle vers 1687 à partir des travaux de Kepler. Séane 2 exerie et 4 sont les situations orrespondant à un rapprohement des deux aimants A et B. 2- En présentant les pôles opposés (nord et sud) de deux aimants, il y a une interation qui s établit et qui peut provoquer un déplaement d un aimant vers l autre. Exerie 4 1- Cette balane est dite «de torsion» ar elle repose sur le prinipe d un mine ruban qui se «tord» suspendu au fléau. La rotation du fléau sur lui-même entraîne la torsion du ruban. 2- L élément où sont arohées les deux petites billes se nomme le fléau ; il peut tourner sur lui-même ar il est suspendu au ruban en son entre. 3- Le boîtier étanhe a pour but de protéger la balane des ourants d air qui pourraient perturber les mesures. 4- Les boules se nomment aussi «masses attratives». 5- Elles peuvent se déplaer en se rapprohant ou en s éloignant l une de l autre dans une diretion parallèle au boîtier étanhe. Cned, Physique - himie 3e 3

4 Séquene 1 6- Une photographie légendée de la balane de Cavendish Les shémas légendés : 7- En rapprohant les masses attratives B 1, B 2 des billes b 1, b 2, le fléau suspendu au ruban a tourné sur lui-même. Sa diretion fait un angle α ave elle de la situation de départ. Exerie 5 1- En diminuant la valeur des masses attratives, l angle de rotation du fléau diminue. 2- Plus la valeur de la masse attrative (B 1 ou B 2 ) diminue, plus l effet de la gravitation diminue. 3- En éloignant les masses attratives B 1 et B 2 des billes b 1 et b 2, l angle de rotation du fléau diminue. 4 Cned, Physique - himie 3e

5 Séquene 1 4- Plus la distane entre les deux masses en interation augmente, plus l effet de la gravitation diminue. Exerie 6 1- La balane de Cavendish est-elle un exemple d ation attrative? 2- La balane de Cavendish est le siège d une ation attrative ; est-elle appelée la préipitation? 3- L interation qui s exere entre deux orps qui ont une masse se nomme-t-elle la gravitation? 4- Pour que la gravitation s établisse, est-e que les deux orps doivent avoir une masse? 5- Peut-on dire que le vide interplanétaire subit une ation attrative du Soleil? 6- Notre Galaxie est-elle omposée du Soleil et de huit planètes? Oui Non 7- La Lune est-elle en interation ave la Terre? 8- La gravitation est-elle une ation attrative à distane? 9- Peut-on dire que la gravitation ne dépend pas de la distane entre les objets en interation qui ont une masse? 10- Peut-on dire que si la Terre exere une ation à distane sur la Station Spatiale Internationale (ISS), alors l ISS n exere pas d ation sur la Terre? 11- Est-e que est la masse attrative qui impose à l objet de plus petite masse un mouvement de révolution dans un plan? Exerie 7 1- Le bras et la main agissent omme une masse attrative don omme le Soleil, et la pierre joue le rôle d une planète en révolution autour du Soleil. La trajetoire de la pierre se rapprohe de elles des planètes autour du Soleil, pratiquement irulaire. 2- Quand le manipulateur lâhe un laet, la pierre ne subit plus l ation de la main par l intermédiaire du laet, la pierre esse de tourner, son mouvement se poursuit en ligne droite au moment du lâher. Cned, Physique - himie 3e 5

6 Séquene 1 3- La main n exere pas d ation à distane sur la pierre alors que le Soleil exere une ation à distane sur la planète. Après avoir lâhé le laet, la pierre subit alors l attration terrestre ; de e fait son mouvement ne se poursuit plus en ligne droite. La figure 8 du ours présente une situation omparable ; elle onerne le mouvement de la Lune ave ou «sans» la Terre. Exerie 8 1- La Terre a un mouvement de rotation autour d un axe qui définit l axe pôle nord-pôle sud. Elle fait un tour omplet sur elle-même en environ 24 h. Ce mouvement est appelé mouvement diurne. 2- Pour rester géostationnaire, la trajetoire du satellite doit être irulaire. 3- Le satellite parourt sa trajetoire, omme la Terre, en 24 h ; ainsi vu de la Terre, il paraît immobile. 4- Le satellite géostationnaire est attiré par la Terre (masse attrative). Dans sa révolution autour de la Terre, il est attiré à haque instant par la Terre, d où le mouvement de révolution (même effet qu ave la Lune). Exerie 9 1- C est l ation attrative de la Lune sur les masses d eau des oéans qui est la ause des marées. 2- Les grandes marées ont lieu lorsque la Lune et le Soleil onjuguent leurs effets attratifs, aux moments de la pleine lune et de la nouvelle lune. Le Soleil, la Lune et la Terre appartiennent alors au même plan. 3- Les mots qui s appliquent à la gravitation sont : ation attrative et ation à distane. La gravitation est une ation attrative à distane. Elle agit aussi sur l eau. L eau des oéans, «plaquée» à la surfae de la Terre, est un des effets de la gravitation. 4- Les ressoures naturelles sont onstituées en majorité d énergies fossiles. Cette usine de prodution d életriité n utilise pas e type d énergie. Elle préserve don les ressoures naturelles de la Terre. 5- Cet aménagement est artifiiel et entièrement orhestré par l Homme. La faune et la flore subissent de plein fouet de tels aménagements du fait d une modifiation de l éosystème. 6- À l adresse i-dessous, tu trouveras une photo et des informations onernant l usine marémotrie de la Rane : Séane 3 Exerie La masse d un objet dépend de la quantité de matière. 2- Un même objet posé sur la Terre puis sur la Lune aura la même masse, ar la masse d un objet est indépendante de l endroit où il se trouve (Le nombre d atomes n a pas hangé). 6 Cned, Physique - himie 3e

7 Séquene 1 Exerie Le poids maximal pouvant être mesuré par e dynamomètre est de 5 N. 2- L intervalle de graduation orrespond à un poids de 0,1 N. 3- Le résultat de ette mesure est : P = 2,2 N. Exerie Dans es deux expérienes, la masse attrative prinipale est la Terre. 2- La surfae libre d un liquide au repos est une surfae plane et horizontale. 3- L équerre montre que la diretion du fil est perpendiulaire à la surfae horizontale. Cette diretion fixe la vertiale. Le fil se tend suivant une diretion vertiale. Exerie L unité de masse du système international est-il le gramme? 2- L unité de poids est-il le newton? 3- Le symbole du newton est-il n? 4- L ation du poids d un objet s exere-t-elle selon la vertiale du lieu? 5- Peut-on dire que la masse se mesure ave une balane et s exprime en newton? 6- Est-e qu on peut affirmer que la masse est liée à la quantité de matière et ne dépend pas du lieu où elle se trouve? 7- Peut-on dire que le poids se mesure ave un dynamomètre et s exprime en newton (N)? 8- Peut-on dire que le poids d un objet est dû à la gravitation est-àdire à l attration exerée par la Terre sur et objet, et qu il dépend des valeurs des masses présentes et aussi de la distane qui les sépare? 9- Peut-on affirmer que la masse d un objet ne dépend pas de son nombre d atomes? 10- Le poids d un objet est-il l ation à distane exerée par la Terre sur et objet? Oui Non 11- Est-e que le mouvement de hute est la seule manifestation du poids? 12-Est-e que le poids est une ation qui s exere dans la diretion d une surfae plane et horizontale? 13- Peut-on dire que la diretion du poids est horizontale et son sens est de haut en bas? Cned, Physique - himie 3e 7

8 Séquene 1 Exerie Les pommes subissent la gravitation de fait de leur masse, est-à-dire l ation attrative de la Terre appelée poids. 2- Si la queue de la pomme ède, ela entraînera une mise en mouvement de la pomme appelée «hute libre». 3- Le poids s établit suivant une diretion vertiale et de haut en bas (sens). Voii quatre positions différentes de la pomme en hute libre au voisinage de la Terre. Observe bien les lignes pointillées ; elles fixent la diretion vertiale de haque lieu (dans le prolongement du rayon de la Terre). Les flèhes, quant à elles, fixent le sens (de haut en bas). Un déplaement vers le «bas» se définit omme un rapprohement vers le entre de la Terre (o). Un déplaement vers le «haut» se définit omme étant un éloignement du entre de la Terre (o). Exerie L instrument de mesure s appelle un dynamomètre. 2- La grandeur mesurée est le poids exprimé en newton (N). 3- P 1 = 2,5 N P 2 = 4,5 N P 3 = 2,25 N P 4 = 3,5 N 4- Pour ommener, je fixe les notations et les notions. Avant ajout de la masse m : L 1 : longueur du dynamomètre å L 2 : longueur du dynamomètre ç Après ajout de la masse m : L 1 : longueur du dynamomètre å L 2 : longueur du dynamomètre ç L étirement d un ressort orrespond à l augmentation de longueur après ajout de la masse. Il se traduit par la relation : L - L (longueur finale longueur initiale) Pour les ressorts 1 et 2, les étirements orrespondants sont : L 1 - L 1 et L 2 - L 2 Étant donné que est la même masse qui a été ajoutée à deux dynamomètres identiques, on en déduit que les étirements sont égaux soit L 1 - L 1 = L 2 - L 2 8 Cned, Physique - himie 3e

9 Séquene 1 5- Pour ommener la résolution, je fixe les notations : Avant ajout des masses : L 3 : longueur du dynamomètre é L 4 : longueur du dynamomètre è Et on a : L 4 > L 3 (d après l énoné) Après ajout des masses M 3 et M 4 L 3 : longueur du dynamomètre é L 4 : longueur du dynamomètre è Et on a : L 3 = L 4 = L (Je hoisis de noter L ette longueur ar est la même pour les deux dynamomètres). On veut omparer L 4 L 4 et L 3 L 3 D après l énoné on a : L 3 < L 4 En multipliant les deux membres de l inégalité par le nombre négatif -1 on hange le sens de l inégalité et on obtient : L 3 > L 4 En ajoutant le même nombre à haun des deux membres de l inégalité, on obtient : L L 3 > L L 4 Comme L = L 4 = L 3 on peut érire : L 3 L 3 > L 4 L 4 L étirement du dynamomètre é (L 3 L 3 ) est plus important que elui du dynamomètre è (L 4 - L 4 ) après ajout des masses M 3 et M 4. Cned, Physique - himie 3e 9

10 Séquene 1 La variation de longueur du dynamomètre é orrespondant à l ajout de la masse M 3 est don plus importante que elle du dynamomètre è orrespondant à l ajout de la masse M 4. La masse M 3 est don supérieure à elle de M 4. Séane 4 Existe-t-il une relation entre le poids et la masse? Exerie Le dynamomètre mesure le poids. 2- Conversions en kg des masses marquées. m 1 = 50 g = 0,05 kg m 2 = 100 g = 0,1 kg m 3 = 200 g = 0,2 k m 4 = 300 g = 0,3 kg m 5 = 350 g = 0,35 kg m 6 = 500 g = 0,5 kg 3- Position des points A 0 à A 6 sur le papier millimétré. P (N) 5 A 6 4 A 5 3 A 4 2 A 3 1 A 2 A 0 A 1 m (kg) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 10 Cned, Physique - himie 3e

11 Séquene 1 Exerie Les points A 0 à A 6 sont pratiquement alignés les uns par rapport aux autres. 2- Traé de la représentation graphique. P (N) 5 Évolution du poids en fontion de la masse pour plusieurs objets A 6 4 A 5 3 A 4 2 A 3 1 A 2 A 1 A 0 m (kg) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 3- La représentation graphique est une droite qui passe par l origine du repère, ela signifie que les grandeurs physiques mesurées, portées en absisse et en ordonnée sont proportionnelles. 4- Le alul du rapport P m pour haque point A 1 à A 6 donne : Masse (kg) 0 0,05 0,10 0,20 0,30 0,35 0,50 Poids (N) 0 0,5 1,00 1,95 2,90 3,40 4,90 A 0 A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 P m ,8 9,7 9,7 9,8 5- Les rapports P sont pratiquement égaux (environ 10). m Cned, Physique - himie 3e 11

12 Séquene 1 Exerie Pour mesurer un poids, utilise-t-on une balane? 2- La représentation graphique du poids P en fontion de la masse m est-elle une droite quelonque? 3- L unité de l intensité de la pesanteur est-elle le kilogramme par newton? Oui Non 4- L ériture «N/kg» se lit-elle «newton par kilogramme»? 5- La valeur approhée de l intensité de la pesanteur sur Terre est-elle 10? 6- Le rapport m P est-il appelé intensité de la pesanteur? 7- Pour différents objets P m reste-t-il onstant? 8- Deux grandeurs physiques proportionnelles admettentelles pour représentation graphique une droite passant par l origine des axes? 9- Pour un objet donné, la relation liant son poids P, sa masse m, et l intensité de la pesanteur g est-elle : m = P x g? 10- Dans la relation P = m x g, m est-elle en gramme (g)? Exerie 19 Pour la résolution, il faut utiliser la relation P = m x g ou sous la forme m = P/g. Bien onvertir les masses en kilogramme. poids masse Intensité de la pesanteur N (N/kg) ou kg Est-e sur Terre? N 47 : 10 soit 4,7 kg 10 oui 750 N 75 kg 750 : 75 = 10 oui 25 x 10 soit 250 N 55 x 10 soit 550 N 55 x 1,6 soit 88 N Exerie 20 Cned, Physique - himie 3e 25 x 10 3 g 10 oui 55 kg 10 oui 55 kg 1,6 Non, est la Lune 1- Seul le traé n 3 remplit les deux onditions d une représentation graphique de la proportionnalité : être une droite passer par l origine des axes Le traé n 1 est une droite, mais qui ne passe pas par l origine des axes. Le traé n 2 est un simple traé (absene de droite). Le traé n 4 est une droite, mais qui ne passe pas par l origine des axes.

13 Séquene 1 2- La orretion est donnée par le point A. Le poids orrespondant à une masse de 15 kg vaut 150 N. 3- La orretion est donnée par le point B (ourbe i-dessus). La masse orrespondant à un poids de 300 N vaut 30 kg. 4- La valeur obtenue (300 N au point B) est le double de elle d une masse de 15 kg (point A). En doublant la masse, on double aussi le poids. Il s agit là aussi d un effet de la proportionnalité entre le poids et la masse. En doublant une grandeur, on double l autre aussi! 5- D après le ours : Exerie g est appelé «intensité de la pesanteur». 2- P pôle Sud = m g pôle Sud ave g = 9,83 N/kg au pôle Sud. P = 1 9,83 = 9,83 N Le poids d un objet de 1 kg situé au pôle Sud vaut P = 9,83 N Cned, Physique - himie 3e 13

14 Séquene 1 3- Non, ar la valeur de g n est pas la même. D après P = m g lieu, le poids d un objet est différent s il se trouve à Paris ou à l équateur. 4- P Paris = m g Paris = 1 9,81 = 9,81 N Le poids d un objet de 1 kg situé à Paris vaut P Paris = 9,81 N P équateur = m g équateur = 1 9,78 = 9,78 N Le poids d un objet de 1 kg situé à l équateur vaut P équateur = 9,78 N 5- Un objet exere une ation attrative, à distane, sur un autre objet du fait de leurs masses et réiproquement : les deux objets sont en interation, est la gravitation. La pesanteur dépend de la distane entre les deux objets en interation. L effet attratif diminue à mesure que les objets s éloignent. Sur Terre, le rayon à l équateur est plus grand que elui aux pôles. L intensité de la pesanteur est don plus faible au niveau de l équateur vu que les deux masses en interation sont plus éloignées qu au niveau des pôles. L intensité de la pesanteur «g» est don plus faible à mesure que l on se rapprohe de l équateur. E N O ON < OE Exerie Le poids est l ation attrative exerée par une planète sur un objet situé à son voisinage. 2- P = m g ave P en newton (N) m en kilogramme (kg) g (intensité de la pesanteur) en newton par kilogramme (N/kg) 3- La relation P = m g doit être appliquée ave le «g» orrespondant à elui de la planète. P Terre = m g Terre = 50 9,8 = 490 N P Mars = m g Mars = 50 3,7 = 185 N P Jupiter = m g Jupiter = 50 24,8 = N 4- P Saturne = m g Saturne don m = P Saturne / g Saturne m = ,4 = 48 La masse d un objet dont le poids est de 500 N sur Saturne vaut 48 kg. 5- P Vénus = m g Vénus don g Vénus = P Vénus / m g Vénus = = 8,8 La valeur de «g» sur la planète Vénus est 8,8 N/kg 14 Cned, Physique - himie 3e

15 Séquene 2 SÉQUENCE 2 Séane 1 Exerie 1 1- C est la gravitation qui est à l origine de la hute de l eau sur les pales du moulin. 2- C est la hauteur de la hute (distane bouteille / moulin) qui a hangé entre les deux photos. Elle est plus importante sur la photo de la figure Les pales du moulin tournent plus vite sur la figure 2 que sur la figure a) La vitesse de l eau au ontat du moulin est plus importante sur la photo de la figure 2 que sur la photo de la figure 1. b) La vitesse de l eau augmente au ours de sa hute. 5- Plus la hauteur de hute est importante, plus la distane parourue augmente, et plus la vitesse de l eau au niveau des pales augmente. L énergie inétique augmente don ave la vitesse de l eau laquelle dépend de la hauteur de hute. Exerie 2 1- La différene d altitude entre la surfae libre de l eau du la de retenue et la turbine est de 150 m. 2- L eau du la s éoule dans la onduite forée inlinée ar elle subit la gravitation. 3- C est l énergie inétique, issue du mouvement de l eau, qui est à l origine du mouvement de rotation de la turbine. 4- L autre forme d énergie qui apparaît au niveau du la de retenue est l énergie de position, elle est notée E p. 5- Si la différene d altitude était de 200 m, la turbine tournerait plus vite. L énergie inétique E de l eau arrivant à son ontat serait plus importante du fait d une hauteur de hute plus grande. 6- C est une énergie de position ar elle dépend de la hauteur de la masse d eau du la par rapport à la turbine qui va reevoir l eau en mouvement. Plus la hauteur d eau est importante plus son énergie de position E p est grande. Cned, Physique - himie 3e 15

16 Séquene 2 Exerie 3 1- Un objet en mouvement possède-t-il de l énergie inétique? 2- L énergie inétique est-elle différente de l énergie de mouvement? 3- Est-e que est le poids d un objet qui est responsable de son mouvement de hute? 4- Peut-on dire que plus la masse d un objet est importante plus son énergie inétique augmente en as de hute? Oui Non 5- L énergie de mouvement se note-t-elle E m? 6- L énergie inétique augmente-t-elle au ours d une hute? 7- L énergie de position se note-t-elle E p? 8- L énergie de position dépend-elle de la vitesse? 9- L énergie de position augmente-t-elle ave la hauteur de hute? 10- Un objet posé sur le sol possède-t-il de l énergie de position? 11- Lorsqu une goutte de pluie tombe, est-e que sa vitesse augmente et son altitude diminue? 12- Lorsqu une goutte de pluie tombe, est-e que son énergie de position E p augmente et son énergie inétique E diminue? Exerie 4 Pour ette orretion, il est utile d avoir sous les yeux, l illustration de la partie B du ours. 1- C est une ation attrative à distane que produit la Terre sur l eau d un barrage. Il s agit de la gravitation, elle maintient les masses d eau plaquées à la surfae de la Terre. 2- C est l énergie de position E p qui varie à mesure que le niveau de l eau du la augmente. L énergie de position E p augmente ar la hauteur augmente. 3- C est de l énergie inétique E qui a été transmise à la turbine par l eau au moment de son ontat. 4- Pour produire plus d énergie au niveau de la turbine, la vitesse de l eau doit augmenter au niveau du ontat eau - turbine. 5- Pour obtenir une vitesse de l eau plus importante au niveau de la turbine, il faut augmenter la hauteur de la hute d eau (ou de la onduite forée). 6- Pour améliorer les performanes d un barrage hydraulique, il suffit d augmenter la hauteur de la hute d eau. C est en onstruisant des barrages dans des environnements en altitude (montagnes), que l on parvient à atteindre d importantes dénivellations (différene d altitude entre le la et la turbine). 16 Cned, Physique - himie 3e

17 Séquene 2 7- Un barrage est un édifie qui stoke de l énergie de position E p par l intermédiaire de la masse d eau retenue en altitude. Au ours de sa hute dans la onduite forée, l eau aquiert de la vitesse, e qui ontribue à élever son énergie inétique E. Cette énergie inétique est alors transférée à la turbine, ouplée à un alternateur, pour produire de l énergie életrique. Dans un barrage, plus la hauteur de hute est élevée, plus l énergie de position E p est importante, plus la vitesse de l eau augmente au ontat de la turbine, plus l énergie inétique E augmente aussi. Cela peut se résumer shématiquement par les évolutions suivantes : Séane 2 Exerie 5 1- L expression mathématique de l énergie inétique ave les unités est : 2- Un objet peut posséder de l énergie inétique à la ondition d être en mouvement. 3- D après l expression mathématique de l énergie inétique, les énergies inétiques des deux véhiules sont : véhiule 1, de masse m 1 E 1 = 20 3,6 m 1 v2 véhiule 2, de masse m 2 E 2 = 20 3,6 m 2 v2 or E 1 = E 2 Soit 20 3,6 m 1 v2 = 20 3,6 m 2 v2, puis on simplifie à droite et à gauhe de l égalité par 20 3,6 v2. Cned, Physique - himie 3e 17

18 Séquene 2 D où m 1 = m 2 Deux véhiules roulant à la même vitesse v auront la même énergie inétique (E 1 = E 2 ) s ils ont la même masse (m 1 = m 2 ). 4- D après l expression mathématique de l énergie inétique et m 2 = 2 m 1 E 1 = E 2 = 20 3,6 m 1 v2 20 3,6 m 2 v2 = 20 3,6 (2 m ) 1 v2 = 2 ( 20 3,6 m 1 v2 ) = 2 E 1 En doublant la masse, on double la valeur de l énergie inétique. Exerie 6 Voii les onstrutions graphiques aompagnant la orretion pour haque question. Énergie inétique (kj) 900 Véhiule de 2400 kg C + A D B Véhiule de 1000 kg + + Vitesse (km/h) Évolution de l énergie inétique en fontion de la vitesse pour deux véhiules de masse 2400 kg et 1000 kg. 18 Cned, Physique - himie 3e

19 Séquene 2 1- Les vitesses lues sur le graphique sont : å v = 30 km /h ç v = 50 km /h é v = 90 km /h è v = 110 km /h ê v = 130 km /h 2- Pour un véhiule de masse kg (traé rouge) : roulant à la vitesse de 50 km/h, l énergie inétique vaut E 1 = 95 kj (Traé du point A ave les flèhes vertes) roulant à la vitesse de 100 km/h, l énergie inétique vaut E 2 = 385 kj (Traé du point B). 3- Pour le véhiule de masse kg (traé rouge) : On onstate que 2 x E 1 = 190 kj, est une valeur très inférieure à E 2 = 385 kj En doublant la vitesse, l énergie inétique E n est pas doublée mais elle est, d après e graphique, pratiquement multipliée par 4! 4- Sur le graphique, l énergie inétique s exprime en kilojoule de symbole kj. 5-1 kj = J = 10 3 J 1 MJ = J = 10 6 J 6- Pour le véhiule de masse kg roulant à la vitesse de 50 km/h, son énergie inétique vaut : E = 230 kj (Traé du point C ave les doubles flèhes) 7- Pour atteindre l énergie inétique obtenue à la question préédente (E = 230 kj), pour le véhiule de masse kg, il suffit de suivre la onstrution graphique ave les doubles flèhes et les triples flèhes. L absisse du point D fournit la valeur de la vitesse ( v = 77,5 km/h). Résumons : Pour le véhiule de masse kg, si v 2400 kg = 50 km/h alors E = 230 kj ; on a ette énergie inétique pour le véhiule de kg lorsque sa vitesse est : v 1000 kg = 77,5 km/h. On onstate que la vitesse et la masse ont une influene signifiative sur l énergie inétique. Cned, Physique - himie 3e 19

20 Séquene 2 Exerie 7 1- L énergie inétique est-elle proportionnelle à la masse? Oui 2- E est-il le symbole de l énergie inématique? 3- Un objet au repos possède-t-il de l énergie inétique? 4- L énergie inétique d un objet s obtient-elle par les produits d un demi, par la masse, et par le arré de la vitesse? 5- Dans l expression mathématique de l énergie inétique, la vitesse s exprime-t-elle en km/h? 6- Dans l expression mathématique de l énergie inétique, la masse s exprime-t-elle en gramme? 7- En doublant la vitesse, est-e qu on quadruple l énergie inétique d un objet en mouvement? 8- L unité de l énergie inétique est-elle le joule? 9- Le symbole du joule est-il j? 10- Est-e que J = 1 mj? L énergie inétique est-elle donnée par E = 2 m 2 v? 12- Un objet de 1 kg se déplaçant à la vitesse de 1 m/s possède-t-il une énergie de 0,5 joule? Pour la question 7, tu peux revoir l exerie 6 question 3. Non Pour la question 12 : on a E = 1 2 x 1 x 1 soit 0,5 J. Exerie 8 1- L expression mathématique de l énergie inétique E d un véhiule en mouvement en fontion de sa masse m, de sa vitesse v est : 20 Cned, Physique - himie 3e

21 Séquene 2 2- Conversion de 50 km/h en m/s suivant la méthode proposée. 1 m 3- E = m 2v 2 v 2. Il faut exprimer les grandeurs physiques dans les bonnes unités. m = 1 t = kg 1 m 50 km/h = 2m/s (Question 2) 2 v 1 m 1 m D où E = 2 2 m v v2 = 2 v = J ou 96,451 kj 3,6 Exerie 9 1- v = 20 3,6 5,56 m/s 2- L expression mathématique de l énergie inétique donne : 1 m E = m 2v 2 v 2 La masse en mouvement orrespond à elle du vélo et de l élève : m = m élève + m vélo = = 70 kg 1 m 1 m E = 2 2 m v v2 = 2 v J soit environ 1 kj 3,6 Cned, Physique - himie 3e 21

22 Séquene 2 Séane 3 Exerie L expression «sans vitesse initiale» signifie que la bille est lâhée sans être lanée. Sa vitesse au moment du lâher est don nulle (v = 0 m/s). L expression «intervalles de temps réguliers» signifie que la durée séparant deux images onséutives de la bille est identique. 2- Les mesures des longueurs L 1-2 à L 8-9 (en m) donnent : L 1-2 L 2-3 L 3-4 L 4-5 L 5-6 L 6-7 L 7-8 L ,1 1,4 1,7 1,9 2,2 2,4 2,8 3- La distane parourue par la bille pendant deux intervalles de temps suessifs, augmente à mesure qu elle se rapprohe du sol. 4- La vitesse de la bille augmente à mesure qu elle se rapprohe du sol ar pour une même durée entre deux positions onséutives, la distane parourue devient de plus en plus grande. 5- C est la position n 9 qui orrespond à une énergie inétique la plus grande ar la vitesse de la bille est alors la plus élevée. 6- C est la position n 1 qui orrespond à une énergie inétique la plus petite ar la vitesse de la bille est alors la plus faible ; elle est même nulle ar la vitesse initiale est nulle (v = 0 m/s). 7- C est la position n 1 qui orrespond à une énergie de position la plus grande ar la position de la bille est la plus haute. 8- C est la position n 9 qui orrespond à une énergie de position la plus petite ar la bille est située à sa hauteur la plus faible (au sol). 9- Quand l énergie de position est maximale, l énergie inétique est alors minimale (ou nulle si v = 0 m/s). La bille est alors plaée à une altitude la plus élevée. Quand l énergie inétique est maximale, l énergie de position est alors minimale. La bille atteint sa vitesse la plus grande. Exerie 11 E p 1 1- Ep = m g h d où m = = g h 9,81 1 = 0,102 kg (environ 100 g) 2- a) v = (2 g h ) = (2 9,81 1) = 4,43 m/s b) Pour obtenir la vitesse en km/h, il faut multiplier la vitesse en m/s par 3,6. soit v = 4,43 x 3,6 = 15,95 km /h (environ 16 km/h). 1 m 3- E = m 2v² = 0,5 0,102 4,43² = 1 J 2 v 22 Cned, Physique - himie 3e

23 Séquene On retrouve l idée déjà évoquée (les flèhes oranges indiquent les évolutions des énergies) : Quand l énergie de position est maximale, l énergie inétique est alors minimale (ou nulle si v = 0 m/s). La bille est alors plaée à l altitude la plus élevée. Quand l énergie inétique est maximale, l énergie de position est alors minimale. La bille atteint sa vitesse la plus grande. 6- Ep = m x g x h = 0,102 x 9,81 x 0,5 = 0,5 J où v = 2 g h = 2 9,81 0,5 = 3,13 m/s 7-1 m d où E = m 2v² = 0,5 0,102 9,81 = 0,5 J 2 v E p E E p + E Bille en haut 1 J 0 J 1 J au milieu 0,5 J 0,5 J 1 J en bas 0 J 1 J 1 J 8- Conernant Ep + E : La somme Ep + E reste onstante et égale à 1 J quelle que soit la position de la bille au ours de sa hute. Ep étant en joule, E aussi (on ne peut additionner que des valeurs de grandeurs physiques identiques), le résultat est don aussi en joule. Ep + E est en joule. Le titre fournit l expression «énergie méanique». La somme Ep + E onstitue l énergie méanique de la bille. 9- Définition d une énergie de 1 J : Par l énergie de position Ep : Un joule, est l énergie de position que possède une bille dont la masse vaut 100 g environ, plaée à une hauteur d un mètre. Par l énergie inétique E : Un joule, est l énergie inétique que possède une bille de masse 100 g environ hutant d une hauteur d un mètre. Cned, Physique - himie 3e 23