Chapitre 18 : L énergie et sa conservation

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1 hapitre 18 : L énergie et sa conservation 1. Les différentes formes d énergie Stockée dans les objets, les molécules, les atomes, l énergie se manifeste de multiples façons : L'énergie mécanique L énergie thermique L énergie chimique L énergie rayonnante L énergie nucléaire L énergie électrique L énergie mécanique, d'un système, est la somme de deux autres énergies : l énergie cinétique et l énergie potentielle de pesanteur [Voir 4]. Il s'agit d'énergie sous forme de chaleur. Elle est causée par l agitation, au sein de la matière, des molécules et des atomes. L'énergie thermique représente donc l'énergie cinétique d'un système au repos. Elle peut être transformée en énergie mécanique (machine à vapeur), en électricité (centrale thermique), produire du chauffage ou générer de l électricité (biomasse). Énergie associée aux liaisons entre les atomes constituant les molécules. ertaines réactions chimiques sont capables de briser ces liaisons et libère leur énergie (réactions exothermiques). Par exemple la combustion de la paraffine convertie de l énergie chimique en «chaleur» et en lumière. Dans les piles, les réactions électrochimiques qui ont lieu produisent de l électricité. Énergie transportée par les rayonnements. Par exemple l énergie lumineuse (onde électromagnétique), ainsi que le rayonnement infrarouge. Énergie stockée dans les liaisons entre les particules (protons et neutrons) qui constituent le noyau des atomes : les réactions nucléaires s accompagnent d un dégagement d énergie. «Énergie» transférée d'un système à un autre (ou stockée dans le cas de l'énergie électrostatique) grâce à l'électricité (mouvement de charges électriques) Remarque : il en existe d autres (énergie éolienne, énergie potentielle (élastique, pesanteur, ), énergie cinétique,...) 2. L énergie cinétique Définition : L énergie cinétique est l énergie que possède un solide lorsqu il est en mouvement. Elle se note E et s exprime, dans le système internationale d unités, en joule (symbole : J). Pour un solide en mouvement de translation, son expression est donnée par : E m masse du solide en mouvement (en kg) m v v vitesse du solide en mouvement (en m.s ) 2 E énergie cinétique du solide (en J) Exercice : calculez l énergie cinétique d une voiture de masse m = 1, t qui roule à la vitesse de v = 5 km.h 1. Réponse : 1 E m v E = = 9,6 1 4 J Si la vitesse est doublée, l énergie (cinétique) est multipliée par 4 : en cas d accident les dégâts occasionnés seront 4 fois plus important. Remarque : il est fréquent d exprimer une vitesse en kilomètre par heure 3,6 v (en m.s 1 ) v (en km.h 1 ) 3,6

2 3. L énergie potentielle de pesanteur Définition : L énergie potentielle de pesanteur est l énergie que possède un solide du fait de son altitude par rapport à la surface de la Terre. Elle se note E p et s exprime, dans le système internationale d unités, en joule (symbole : J). Pour un solide au voisinage de la Terre, son expression est donnée par : E P m g z m masse du solide (en kg) 2 1 g intensité de la pesanteur (en m.s ou N.kg ) z altitude de l'objet (en m) E énergie potentielle de pesanteur du solide (en J) P Remarque : La position du solide est repérée sur un axe vertical (Oz), orienté vers le haut. On prend alors généralement comme origine des énergies potentielles, un point situé à la surface de la Terre. Ainsi, l énergie potentielle de pesanteur est nulle en ce point où z =. Dans le cas contrainte, l expression de l énergie potentielle de pesanteur est donnée par : 4. L énergie mécanique E P = m g z + ( = constante = énergie potentiel de pesanteur à l origine du repère) Définition : L énergie mécanique d un solide est la somme de son énergie cinétique et de son énergie potentielle. Elle se note E m et s exprime, dans le système internationale d unités, en joule (symbole : J). Son expression est donnée par : E E E m E énergie cinétique (en J) P P E énergie potentielle (en J) E énergie mécanique du solide (en J) m Il y donc par exemple conservation de l énergie mécanique pour : un système en chute libre avec des frottements négligeables ou sans frottements ; un système qui glisse sans frottement sur de la glace ; un système soumis à aucune force ; Applications La chute libre Définition : (Rappel de 2 nd ) Un solide est en chute libre lorsqu il n est soumis qu à son poids P (ou que les autres forces qui s exerces sur lui sont négligeables devant son poids) : son mouvement est indépendant de sa masse. Remarque : Rappel de 2 nd Le mouvement d un projectile en chute libre dépend de sa vitesse initiale et de la direction du lancement (angle). Ainsi, on va pouvoir distinguer deux cas : - le mouvement de chute verticale (avec ou sans vitesse initiale) ; - le mouvement parabolique.

3 as du mouvement parabolique : mouvement d un projectile y v v i x v x g j v y x i Remarque : Les caractéristiques du mouvement du solide (vitesse et position) à l instant t = sont appelées les «conditions initiales»). - Vecteur vitesse : Au départ, le vecteur vitesse v peut être décomposée en deux composantes : une composante horizontale et une composante verticale, en utilisant les relations trigonométriques. Rappel : - La coordonnée F x correspond à la projection du vecteur F sur l axe des abscisses : Fx cos Fx F cs o Fx F cs o F - La coordonnée F y correspond à la projection du vecteur F sur l axe des ordonnées : Fy sin Fy F sn i Fy F sn i F

4 Ainsi, le vecteur vitesse v aura pour coordonnées : v v v v cos x v sin y oordonnées du vecteur vitesse à l instant t = par projection dans le repère (O, i, j ) - Position : Le solide, à t =, se trouve au point O (ici), origine du repère. les coordonnées de son centre d inertie sont donc : La découverte du neutrino 4.2. La conservation de l énergie Principe : OG x y G G Voir «Activité - La découverte des neutrinos» ou «activité n 3 p223» oordonnées du centre d inertie du solide à l instant t = dans le repère (O, i, j ) L'énergie est une grandeur qui ne peut être ni crée (à partir de rien) ni détruite (disparaitre spontanément). Ainsi, si un système n échange pas d énergie avec le milieu extérieur (il est isolé) alors son énergie reste constante, elle se conserve. Elle peut être transférée d'une partie du système à une autre et/ou changer de forme. L énergie mécanique se conserve si le solide en mouvement n est soumis à aucun frottement. as de la chute libre : mouvement parabolique Dans ce modèle, le solide n'est soumis qu'à son poids (l'influence des frottements est trop faible) est l énergie mécanique se conserve : onservation E m = E p + E c = onstante E m, finale - E m, initiale = ΔE m = ΔE c - ΔE p = Interprétation L'énergie mécanique est constante La différence d'énergie mécanique entre le début et la fin de la chute est nulle L'énergie mécanique se conserve (Δ = énergie finale énergie initiale) L énergie potentielle de pesanteur du système est transformée en énergie cinétique (transfert d énergie) :

5 Remarque : Non conservation de l énergie mécanique Lorsque le système est soumis à des forces de frottements, son énergie mécanique diminue :

6 hapitre 18 : L énergie et sa conservation Les objectifs de connaissance : - onnaître différentes formes d énergie ; - onnaitre l expression de l énergie cinétique d un solide ; - onnaitre l expression de l énergie potentielle de pesanteur d un solide au voisinage de la Terre ; - onnaitre l expression de l énergie mécanique d un solide. Les objectifs de savoir-faire : - Utiliser l expression de l énergie cinétique d un solide ; - Utiliser l expression de l énergie potentielle de pesanteur d un solide au voisinage de la Terre ; - Exploiter le principe de conservation de l énergie dans des situations mettant en jeu différentes formes d énergie. Je dois savoir Oui Non - Définition des mots : énergie cinétique, énergie potentielle de pesanteur, énergie mécanique chute libre - onnaitre les différentes formes d énergie. (cf. 1) - alculer l énergie cinétique d un solide en translation. (cf. 2) - alculer l énergie potentielle de pesanteur d un solide au voisinage de la Terre. (cf. 3) - alculer l énergie mécanique d un solide. (cf. 4) - Appliquer le principe de conservation de l énergie mécanique. (cf. 4.2) - Décrire le mouvement de chute libre. (cf )