SUR L INTRODUCTION DU CONCEPT D ENERGIE EN CLASSE DE PREMIERE SCIENTIFIQUE

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1 SUR L INTRODUCTION DU CONCEPT D ENERIE EN CLASSE DE PREMIERE SCIENTIFIQUE Quelques emaques elatives à l énegie Bien que le mot énegie fasse patie du langage couant, le concept scientifique d énegie est difficile à fomalise : l énegie, contaiement à d autes gandeus comme la chage électique, est multifome et ne se mesue pas diectement ; la véification de sa consevation n est pas toujous évidente ; il n y a pas de Joulemète univesel. Au niveau paticulaie de la matièe, on peut défini deux fomes d énegie fondamentalement difféentes : a) l énegie associée aux masses en mouvement (appelée cinétique) b) l énegie associée aux inteactions ente les constituants de la matièe et fonction de leus positions elatives (appelée potentielle) Au niveau macoscopique, qui est celui considéé dans le pogamme, l énegie cinétique de tanslation 1 MV peut toujous ête distinguée du este ; mais les autes fomes de "stockage" ne sont pas toujous sépaables, sauf si on limite l analyse à des situations simples, qui peuvent alos ête modélisées moyennant cetaines appoximations. Un exemple : l énegie potentielle élastique d un essot que l on compime en ignoant les effets themiques associés. Cette énegie potentielle fait patie de l énegie intene du essot (en toute igueu, de son énegie libe) ; la considée sépaément comme on le fait en mécanique est une appoximation tès bien justifiée ; pa conte, cette sépaation n est jamais possible pou un gaz. L étude d un poblème pa l énegie suppose généalement que l on choisisse un point de vue clai. Ainsi deux points de vue paticulies peuvent ête envisagés, celui du mécanicien et celui du themodynamicien. a) l aspect énegétique n est simple en mécanique que si les gandeus utilisées sont découplées des effets themiques et des tansfomations physico-chimiques. Ainsi la pise en compte des effets énegétiques des foces de fottement est souvent difficile. b) En themodynamique, l ensemble de l énegie d un système, dont le cente d inetie est fixe, est egoupée sous le vocable d énegie «intene» ; attention, ce choix n est pas univesellement adopté, en paticulie si de l énegie de gavitation est à pende en compte. Le pincipe de consevation de l énegie Un énoncé : A tout système dans un état donné on peut associe une gandeu appelée énegie. L énegie d un système isolé est constante Un pincipe : loi généale, dont on n a pu touve les limites de validité et que l on considèe comme univeselle. Le pincipe de consevation de l énegie est un des pilies de note connaissance scientifique du monde. Il existe d autes gandeus qui se consevent pou un système isolé. La echeche des difféentes contibutions à l énegie d un système n est pas toujous simple. Aussi une façon plus intéessante est d expime le pincipe de consevation de l énegie pou un système non isolé, c est-à-die soumis à des tansfets : Vaiation d énegie d un système = Somme des énegies eçues pa tavail, tansfet themique, ayonnement. C est cette appoche qui est pivilégiée dans le pogamme. Le concept d énegie chez des lycéens et des étudiants scientifiques : un bilan plutôt négatif. Les echeches effectuées en didactique des sciences physiques concenant le concept d'énegie founissent des éléments pécis su les conceptions et les difficultés encontées pa des élèves ou des étudiants scientifiques face à des situations qu'un physicien pouait analyse en temes énegétiques. Elles montent à quel point le concept d'énegie est mal assimilé. Nous en donnons ici, en les ésumant, les ésultats les plus significatifs.

2 Conceptions elatives à l énegie en généal. Il sembleait que l'énegie soit facilement econnue losqu'il y a un effet nettement peceptif (éaction chimique, lumièe, échauffement, électicité, mouvement). En evanche, les énegies potentielles ne sont pas econnues. Il en va ainsi, pa exemple, de l'énegie de liaison chimique ou de l'énegie potentielle de pesanteu. Ainsi, inteogés afin de savoi s il était nomal d attibue de l énegie au butane contenu dans une bouteille, les élèves ne épondent pa l affimative que s il y a combustion du gaz. De même, l énegie potentielle de pesanteu est associée à l existence d une chute. Enfin, l'énegie seait conçue comme quelque chose d'actif pendant un cetain temps, puis qui dispaaîtait ensuite ce qui laisse pésage quelques difficultés pou la compéhension du pincipe de consevation. Difficultés encontées avec le pincipe de consevation Les élèves, et pafois les étudiants associent la consevation de l énegie à l identification d un système isolé dont l énegie totale esteait constante au cous du temps. Ils semblent alos enconte des difficultés tant au niveau du choix du système qu à celui de l écitue du bilan. L idée de consevation semble assez systématiquement associée aux systèmes isolés et non pas aux systèmes non isolés qui pedent ou "eçoivent" de l énegie. Confusions ente chaleu, tempéatue et énegie intene Le mot chaleu est lagement utilisé (et compis) non seulement comme caactéistique d un tansfet d énegie ("la chaleu se déplace", "se popage", etc.) mais aussi dans le sens d'une gandeu d'état, même chez des élèves âgés ou chez des étudiants. On note pa exemple, chez de jeunes élèves, la tendance à confonde chaleu et souce de chaleu, la coyance en l existence autonome du "chaud" et du "foid", et chez des élèves plus âgés ou chez des étudiants l association systématique voie l identification de la chaleu à l énegie intene. La tempéatue, quant à elle, est coectement peçue comme une gandeu d'état, mais elle est souvent considéée chez des élèves jeunes comme une caactéistique du matéiau (les métaux, la faïence sont foids pa natue, la laine est chaude, la glace est toujous à 0 C etc.). La difféence ente chaleu et tempéatue, losqu elle n est pas niée, est pafois associée à une "mesue" («la tempéatue c'est la mesue, le degé, l'intensité de la chaleu»). La chaleu est souvent considéée comme l'unique cause possible du changement de tempéatue. Dans tous les cas, le tavail n'est pas econnu comme une gandeu énegétique susceptible de faie vaie la tempéatue d un système. Ainsi, l'augmentation de tempéatue dans une compession adiabatique est tès souvent intepétée en évoquant une intevention de la chaleu. Réduction de la complexité fonctionnelle Losqu'une gandeu macoscopique dépend de plusieus vaiables ou de plusieus paamètes, les étudiants ont tendance soit à faie inteveni ces vaiables ou paamètes sépaément et non simultanément, soit à les associe ou à les confonde de manièe illégitime. Cette tendance, dite à la éduction fonctionnelle, appaaît dans le aisonnement spontané des élèves de pemièe (mais aussi des étudiants et même des enseignants). Ainsi, dans le domaine de l'énegie les associations péféentielles auxquelles on assiste sont classiquement les suivantes : - Associations diveses ente quantité de chaleu, tempéatue, énegie cinétique micoscopique et énegie intene ; qui conduisent féquemment les élèves ou les étudiants à affime que si l une est constante les autes le sont également (dans le cas d un changement d état pa exemple). - association de la tempéatue et de la pession ; de la pession et de la densité de paticules (oubli de l'aspect cinétique) - association désode-agitation aboutissant pa exemple à l'idée que l'état gazeux plus désodonné est aussi plus agité que l'état liquide (ce qui conduit à la conclusion fausse qu'une phase gazeuse est toujous à une tempéatue supéieue à la phase liquide avec laquelle elle est en équilibe). Le schéma de la démache poposée Toutes ces considéations montent que la question de l énegie est délicate et qu elle ne peut ête envisagée dans son ensemble que pa celui qui en maîtise déjà bien les concepts. Aussi, dans ce pogamme, on se limite volontaiement à des situations simples pou constuie les pincipaux concepts énegétiques. Pou cela on ne cheche plus à pivilégie le système isolé, mais on intoduit d emblée l idée de tansfet d énegie. Voici un schéma diecteu :

3 Tavail d une foce qui «agit» (appoche mécanique). Etude d une situation simple dans laquelle le tavail eçu pa le système se taduit pa une vaiation d énegie cinétique (intoduction de cette notion) ente deux positions epéées pa A et B. Ec( B) = Ec( A) + (W R et W C epésentent espectivement les énegies eçues et W R W C cédées pa le système en aison des tavaux des foces extéieues). Changement de l altitude d un solide, sa vitesse étant nulle au dépat A et à l aivée B. Tavail de l opéateu «extene» et vaiation de l énegie potentielle d inteaction solide-tee (intoduction de cette notion) : E ( B) = E ( A) + W W. pp pp R Repise de la chute libe : tansfomation d énegie potentielle en énegie cinétique : Ec ( B) Ec ( A) = W poids = [ E pp( B) Epp ( A) ] ou Ec = Wpoids = Epp Obsevation d autes effets du tavail eçu ; exemples : Défomation élastique (essot pa exemple) Défomation pemanente d une tige ou bae pliée Echauffement d une tige métallique consécutif à des défomations altenées Echauffement pa fottement Changement d état physico-chimique La notion d énegie intene a pou but de pende en compte l énegie acquise pa le système sans en explicite la fome de «stockage». Le tansfet themique, le ayonnement constituent d autes fomes d appot d énegie. Ces appots contibuent à la vaiation d énegie intene. Elles peuvent comme le tavail poduie : élévation de tempéatue, changement d état physico-chimique. Un aute mode de tansfet d énegie, appelé «énegie électique» est intoduit dans la patie III du pogamme. Les caactéistiques de la démache poposée 1. L énegie et sa loi de consevation sont pésentées de la manièe suivante : «A tout système dans un état donné, on peut associe une gandeu appelée énegie. Si l énegie d un système augmente ou diminue, c est qu il a eçu ou cédé de l énegie, que ce soit pa tavail, pa tansfet themique ou pa ayonnement». En mettant dès le début l accent su le tansfet d énegie (pa le tavail des foces) le pogamme n invi te pas à la echeche d un système isolé. De plus, on incite à accompagne le aisonnement pa le ecous à une schématisation du stockage et des tansfets (diagammes d énegie) qui devait contibue lagement à facilite la difféenciation conceptuelle souhaitée.. Nous faisons le choix de pale de l énegie potentielle de pesanteu comme l énegie potentielle d un solide en inteaction avec la Tee, ce qui pemet d évite le ecous systématique au système Tee-objet (souvent démesué). 3. La puissance est la apidité à laquelle s effectue un tansfet d énegie. Ce faisant nous essayons de mette en place un vocabulaie adapté. Ainsi nous évitons de pale de «puissance eçue ou cédée» (puisque le tansfet concene l énegie et non la puissance). Nous palons plutôt de la «puissance à laquelle l énegie est tansféée» ou de la «puissance du tansfet». (Cependant, l usage de ces temes pouvant ête encontés dans des écits dives, le pofesseu attiea l'attention des élèves su l'abus de langage associé à leu utilisation.) 4. On évite au maximum l'emploi du teme de chaleu compte tenu des difficultés conceptuelles impotantes qu il soulève et de la polysémie qui s est installée de fait dans l opinion autou de ce mot. On utilise le teme de «tansfet themique». De plus, le tansfet themique est difféencié du ayonnement (électomagnétique). Les objectifs généaux pousuivis 1. Constuie le concept de consevation de l énegie en appenant à difféencie et à associe l énegie stockée pa un système et les tansfets d énegie avec l extéieu.. Reconnaîte su des systèmes simples les difféentes fomes de stockage de l énegie et leu vaiations ainsi que les difféents modes de tansfets 3. Savoi utilise quantitativement un bilan d énegie pou intepéte ou pévoi la vaiation, ente deux états d un système, d une gandeu physique. C

4 II B - Tavail mécanique et énegie : UNE PROPOSITION DE PRORESSION : Activités en classe entièe (CE) : 7h30 TP : 4h Total : 11h30 Natue de la séance Tite ou question posée Activités, contenus et objectifs CE h30 F1 TP (h) F CE 1h CE 1h30 F3 TP (h) F4 Cous et activités 1h30 F5 Cous et activités 1h F5 Quels sont les effets possibles d une foce dont le point d application se déplace? Comment le tavail d une foce modifiet-il le mouvement d un solide en tanslation? A quoi set le tavail d une foce qui pemet de faie monte un objet? Que devient l énegie cinétique d un pojectile lancé? Un tavail peut-il poduie d autes effets? Peut-on échauffe un cops sans appot de tavail? Notion de tavail : monte que l effet d une foce su un mouvement de diection donnée dépend de l angle que font ente eux les vecteus foce et déplacement Tavail moteu, tavail ésistant. Tavail d une foce constante. Tavail du poids. Puissance d un tavail. Tavail et énegie cinétique Execices d application su l énegie cinétique et le tavail Etude du poblème du skieu su un emontepente. Tavail de la foce de taction de la peche. Enegie potentielle de pesanteu. Etude de documents vidéo de mouvements de pojectiles. Taitement infomatique de ces documents. Tansfomation d énegie potentielle en énegie cinétique et écipoquement. Les élèves todent dans leus doigts un moceau de fil de fe : celui-ci s échauffe fotement puis casse. On chage un condensateu avec une généatice : on peut ensuite écupée de l énegie du condensateu chagé. On compime un essot : on peut écupée de l énegie à la détente. Tavail et énegie intene. Facteus, en paticulie la tempéatue, dont dépend l énegie intene. Intepétation pa la consevation de l'énegie totale d'un système isolé des effets themiques de cetaines tansfomations chimiques. Echauffement pa tansfet themique et/ou pa ayonnement. Restent h30 pou l évaluation et les coections d execices

5 DOCUMENT Comment epésente les tansfomations et les tansfets d énegie qui s effectuent su un système? Objectifs Utilise un système simple de epésentations gaphiques pou aide les élèves à effectue coectement les aisonnements fondés su la consevation de l énegie. Syntaxe utilisée pou les diagammes d énegie 1.-On epésente symboliquement les objets en taçant les boucles suivantes : Nom Nom Le nom de l objet figue toujous à l intéieu. La boucle de gauche, veticale, epésente un objet dont on étudie le compotement du point de vue énegétique soit pace que son capital énegétique vaie, soit pace qu il tansfome de l énegie. La boucle de doite, hoizontale, epésente un objet extéieu que l on n étudie pas mais qui intevient dans les tansfets d énegie..- Les fomes d énegies capitalisées pa un objet qui vaient (ou sont susceptibles de vaie) sont epésentées dans la boucle de l objet pa des colonnes (une pa catégoie d énegie) patiellement emplies comme indiqué ci-dessous : Valeu finale de l'énegie (en tait plein) ECB Natue de l'énegie qui vaie (ici cinétique) Valeu initiale de l'énegie (en pointillés) ECA flèc he qui indique le sens de vaiation de l'énegie stockée L absence de colonne dans une boucle veticale signifie qu il n y a pas de vaiation de l énegie stockée à pende en compte. L objet ne fait que tansfome l énegie qu il eçoit en la cèdant intégalement. 3.-On epésente un tansfet d énegie pa une ligne joignant les objets ente lesquels il se fait. Le mode de tansfet est indiquée et la ligne est oientée dans le sens du tansfet ; en temes de tansfets, on distingue donc les énegies cédées et les énegies eçues.

6 Enfin, un tansfet utile est epésenté en tait plein ; un tansfet inutile (telle qu une pete ) est epésenté en pointillés confomément à la figue ci-apès. Nom Tansfet utile tansfet inutile Nom Nom La figue suivante epésente, pa exemple, un smash su un ballon de volley-ball dont l énegie cinétique augmente tandis que son énegie potentielle diminue alos qu il eçoit un tavail W R de la main du joueu : EcB EpA Joueu W R EcA EpB Ballon 4.- On écit enfin, sous le schéma, l équation de consevation de l énegie coespondante sous la fome : «Enegie initiale du système» + «Enegie eçue» - «Enegie cédée» = «Enegie finale du système». Dans cette équation, les tansfets sont comptés de manièe aithmétique. Ainsi, dans note exemple, on écia : E + E + W = E + E CA PA R CB PB Dans l exemple ci-dessus, l énegie initiale du ballon est manifestement inféieue à son énegie finale et le sens du tansfet W R est confimé. En evanche, dans le cas epésenté ci-apès (amotissement de la balle pa le joueu), le sens du tansfet est invesé et l équation est modifiée en conséquence pou teni compte du fait que W C désigne maintenant l'énegie cédée pa le ballon et non l'énegie eçue :

7 E + E W = E + E CA PA C CB PB EcA EpA EcB Joueu WC EpB Ballon Losque le sens du tansfet est inconnu, on convient alos de le compte abitaiement comme un tansfet eçu pa le système. Le signe du ésultat obtenu ensuite pa calcul pemet alos de confime ou d infime le sens abitaiement choisi. Le denie exemple, donné ci-dessous, epésentant une lampe à incandescence alimentée pa une pile, monte bien l ensemble des conventions adoptées dans les diagammes d énegie : UA ayonnement visible UB énegie électique tansféée envionnement Pile Lampe tansfet themique et ayonnement invisible La Pile s use et son énegie intene U diminue. Elle cède à la lampe de l énegie électique. En égime pemanent, la lampe eçoit cette énegie et la tansfèe intégalement ves l envionnement : sous fome de ayonnement visible (énegie utile), sous fomes (inutiles) de ayonnement invisible (notamment infa-ouge) et de tansfet themique (la tempéatue de la lampe est supéieue à celle de l ai atmosphéique)

8 FICHE N 1 Activité Quels sont les effets possibles d une foce dont le point d application se déplace? Recheche en petits goupes : Le pofesseu pésente aux élèves le montage suivant (on agit su le mouvement du wagonnet en appochant un sèche-cheveux) : Vous devez éponde aux questions suivantes et agumente vos éponses en vous aidant de schémas. 1. Su quelle distance faut-il pousse un wagon pou lui faie pende une vitesse donnée? ou pou l aête? Cela dépend-il de la façon dont on oiente le sèche-cheveux?. Compaez l efficacité de la foce qui agit su le mouvement du wagon selon la diection et le sens suivant lesquels l ai est soufflé su le wagon. Quelles sont les diections les plus efficaces pou accélée le wagon? pou le feine? 3. Y a-t-il une ou des diections paticulièement inefficaces pou agi su la vitesse du wagon? Que peut-on die des diections intemédiaies? Losqu une foce constante F agit su un mobile en mouvement de tanslation tout au long d un déplacement D, on dit qu elle effectue un tavail W. Selon les cas, un tavail peut ête «moteu» «ésistant» ou «nul» 4. Dans quels cas diiez-vous qu un tavail est moteu? ésistant? nul? 5. Pami les elations ci-dessous poposées pou défini le tavail qu une foce constante de valeu F effectue su un mobile au cous d un déplacement ectiligne de longueu D, quelle est celle qui vous paaît la mieux conveni et pouquoi? W = F. D W = F.D.sin α W = F.D.cosα W = F.D. α

9 Conclusion : Le pofesseu dicte ou fait lie dans le live : La définition du tavail W d une foce Unité de tavail : le joule (J). Le tavail est dit moteu si α < π / Le tavail est dit ésistant si α > π / Polongements : Expession du tavail du poids d un cops : W = M.g.(z A z B ) Puissance du tavail d une foce constante P = F.V.cosα

10 FICHE N TP Comment le tavail d une foce modifie-t-il le mouvement d un solide en tanslation? Objectifs du TP Intoduie la notion d énegie cinétique. Véifie la petinence de la elation de définition de l énegie cinétique de tanslation d un solide. Concevoi l énegie comme un capital tansféable d un système à un aute et monte que le tavail constitue un mode de tansfet de l énegie. Mette en place les bases du aisonnement lié à la consevation de l énegie (diagammes d énegie). Patique une démache scientifique de type hypothético-déductive (ce qui signifie ici que l on constuit des expéiences en vue de mette à l épeuve des hypothèses). Comment détemine la vitesse acquise pa un solide su lequel une foce a effectué un tavail W donné? Les élèves tavaillent pa goupes de quate. La situation poposée pa le pofesseu est la suivante. Situation On se popose de taite maintenant de manièe quantitative la question posée los de l intoduction de la notion de tavail (cf. fiche N 1). Pou cela, 1. nous emplaçons le sèche cheveux pa un appaeil dit «à foce constante» (cf. fiche technique ci-apès). Cette appaeil pemet d agi su le mouvement d un objet avec une foce F mesuable et vectoiellement constante au cous du temps ;. nous emplaçons le wagon pa un solide mobile sans fottements (ou plus exactement, dont les fottements sont si faibles que les foces de fottements peuvent aisonnablement ête négligées devant la valeu de la foce F ) 1. Le dispositif d étude : Le pofesseu pésente aux élèves le dispositif (fig ci-dessous). Il fait fonctionne devant eux la machine à foce constante et il monte comment elle agit, le mobile aéopoté pou monte la faiblesse des fottements. Il pésente le dispositif de epéage des positions et des vitesses du mobile mais ne fait pas d enegistement. 1. Un mobile aéopoté su table hoizontale (ou su banc) convient pafaitement. Un chaiot mobile su ails convient aussi si les oues sont montées su oulements et si les ails sont de bonne qualité. Le mouvement du mobile peut ête étudié pa étincelage, pa enegistement vidéo ou pa un capteu mesuant la vitesse au point considéé.

11 M appaeil à foce constante O A ves l'aspiateu (débit de l'ai églable) Il pose alos les deux questions suivantes aux goupes : Questions : 1. «L appaeil étant en mache, si on abandonne, en un point O et sans vitesse initiale, le mobile à l action de la foce constante F, quelle sea, d apès vous l allue de l enegistement chonophotogaphique du mouvement? Vous épondez de manièe qualitative mais pécise en vous aidant d un dessin de l enegistement supposé.. De quelles gandeus dépend, selon vous, la vitesse acquise en un point A? A vote avis, comment ces gandeus influent-elles su la valeu de cette vitesse et pouquoi?» Les goupes sont alos invités à expose leus éponses et agument à l ensemble du goupe. Une coute discussion pemet d aête des éponses faisant le consensus. (On se met d accod su les effets de F, OA et M). Le pofesseu pose alos aux goupes d élèves les deux denièes questions. Questions 3. «On désie savoi comment vaie la vitesse V atteinte pa le mobile en un point A quelconque en fonction du tavail W( F ) effectué pa la foce F ente O et A. Des difféentes hypothèses de elations simples ci-dessous liant W( F ), M et V et dans lesquelles a est une constante à détemine, quelles sont, à vote avis, celles qui sont ecevables et donc méitent d ête testées pa l expéience? (Vous élimineez celles qui ne le sont pas et vous diez pouquoi)» W = a( M + V ) W = a. M. V W = a. M. V ² W = a. M ². V W = a. M ². V ² V W = a. M M W = a. V 4. Elaboez pa écit un potocole expéimental pemettant de teste les hypothèses etenues.» Commentaie. On attend des élèves qu ils éliminent la pemièe hypothèse qui n est pas homogène et les deux denièes qui ne espectent pas le fait que M et V doivent vaie en sens invese pou W donné. Restent donc quate hypothèses à teste. Expéience-test Les popositions de potocoles sont ensuite discutées. On convient, pa exemple, d effectue les mesues de vitesses V pou 3 ou 4 valeus du tavail W (deux valeus de OA et deux valeus de F) et quelques valeus de la masse M du mobile. Chaque goupe vient effectue deux ou tois mesues Remaque. L oganisation du potocole dépend bien évidemment du dispositif d enegistement. S il s agit d un étincelage, chaque goupe en éalisea un. Si on a choisi de lie diectement V pa l intemédiaie d un capteu, chaque goupe fea plusieus mesues.

12 Les vitesses obtenues sont consignées dans un tableau du type suivant. W1= (J) W= (J) W3= (J) W4= (J) M1= (kg) M= (kg) M3= (kg) Les élèves, avec leu calculette, testent alos les difféentes hypothèses. On constate que la elation a. M. V ² W = est validée avec a = ½ CONCLUSION La vitesse acquise pa un mobile de masse M su lequel une foce F effectue seule un tavail W( F 1 ) satisfait à la elation W ( F) =. M. V ² (W en J, M en kg et V en m.s -1 ) Notion d énegie cinétique Le pofesseu conclue le tavail pécédent en instituant les notions d énegie cinétique et de tansfet d énegie de la manièe suivante: Nous dions que : a.- Le mobile, dans son mouvement a accumulé un capital appelé «énegie cinétique» que nous noteons Ec. b.- Ce capital d énegie n a pas été céé, mais ésulte intégalement d un tansfet d énegie de la machine ves le mobile. Nous noteons W R cette énegie eçue. c.- Cet appot d énegie W R est mesué, en valeu absolue 3, pa le tavail W(F) de la foce execée pa la machine su le mobile. W R = 1/MV² 3 Devant les difficultés encontées pa les élèves avec les gandeus algébiques et les schémas qui en ésultent dans l écitue des bilans d énegie, nous avons délibéément pis le pati de comptabilise les tansfets d énegie de manièe aithmétique. Le tavail d une foce ayant été défini de manièe algébique, cela nous conduit à difféencie celui-ci des notions (aithmétiques) d énegies eçues et cédées. Pa la suite, les pemièes seont notées W R, Q R et R R selon la natue du tansfet (tavail, tansfet themique, ayonnement) et les secondes W C, Q C et R C. On voit bien que, dans note cas, on bien W R = W(F) pace que le tavail de la Foce constante est moteu. Comme nous le veons plus loin, dans le cas d un tavail ésistant (donc négatif), le système cédant de l énegie, on écia Wc = -

13 Pa conséquent 1. Le tavail d une foce constitue un mode de tansfet d énegie.. L énegie cinétique d un mobile satisfait à la elation: Ec = ½ MV². Nous epésenteons, dans l exemple taité, cette capitalisation et ce tansfet d énegie pa le diagamme ci-dessous : Ec Machine WR 0 Mobile et nous écions : W R = Ec Comment le tavail d une foce modifie-t-il l énegie cinétique d un solide en tanslation? Cas d un tavail moteu Il s agit ici de savoi en quoi, le tavail W AB (F)effectué pa la foce de la machine su un tajet quelconque AB du mobile modifie son énegie cinétique Ec. On peut alos pati, pa exemple, de l enegistement chonophotogaphique ou des mesues effectuées pécédemment. sens du mouvement O A B Ce ésultat, appliqué à un mobile abandonné en O sans vitesse initiale, pemet d écie : Ec A = W OA = Mg.OA Ec B = W OB = Mg.OB o W AB (F) = F.AB et OA + AB = OB Le tavail moteu W AB (F) de la foce execée pa la machine epésente l énegie W R eçue pa le mobile ente les points A et B. On peut donc écie : Ec A + W R = Ec B On epésente ce ésultat pa le diagamme d énegie suivant : W(F). Ainsi, un tansfet d énegie ésultant du tavail d une foce sea toujous mesué pa la valeu absolue de celui-ci.

14 EcB Machine WR EcA Mobile Cas d un tavail ésistant On pat, ici encoe d un document chonophotogaphique (ou de la vidéo) d un mobile lancé cette fois dans le sens contaie de celui de la foce F (fig ;) sens du mouvement F B A O Le ésultat est ici invese : l énegie cinétique en B est inféieue à celle que le mobile avait en A. Nous disons ici que le mobile a cédé une énegie Wc à l extéieu mesuée, en valeu absolue,pa le tavail, ici ésistant et donc négatif, de la foce F. W = W (F ) On écit alos : Ec A Wc = Ec B : et le diagamme d énegie est le suivant : C AB EcA Machine Wc EcB Mobile

15 CONCLUSION DE CETTE ETUDE Le pofesseu peut alos conclue le tavail de la séance de la manièe suivante : L énegie cinétique finale d un solide en tanslation est toujous égale à son énegie cinétique initiale augmentée de l énegie eçue et diminuée de l énegie cédée en aison des tavaux des foces extéieues qui lui sont appliquées. Le tavail constitue un mode de tansfet de l énegie. Compétences testées (cf. BO N 7 du ) Compétences expéimentales et manipulatoies Fomule une hypothèse su un événement susceptible de se poduie ou un paamète pouvant joue un ôle dans un phénomène Popose une expéience susceptible de valide ou d invalide une hypothèse ou épondant à un objectif pécis Analyse des ésultats expéimentaux Expime un ésultat avec un nombe de chiffes significatifs compatible avec les conditions de l expéience Faie l étude statistique d une séie de mesues Utilise les technologies de l infomation et de la communication. Compétences tansvesales Rédige une agumentation Utilise les puissances de 10 Utilise l odinateu pou acquéi des données expéimentales Utilise un tableu ou un logiciel dédié au taitement des ésultats expéimentaux

16 Bibliogaphie et fiche technique L appaeil à foces constante a été inventé pa Piee Sauvecanne. Il peut ête facilement constuit pou un coût tès modique. La desciption complète du mode de constuction donnée pa l auteu peut ête consultée pa l intenet à l adesse suivante : Pincipe Un piston P tès lége (masse négligeable devant celle de l objet mis en mouvement ) se déplace dans un long cylinde gâce à la difféence de pession pa la tubine d un aspiateu dont la vitesse est églable. fil de taction appaeil à foce constante P M objet à mette en mouvement ou à mainteni en équilibe (étalonnage de la machine) ves l'aspiateu (débit de l'ai églable) L étalonnage de l appaeil se fait en suspendant une masse M et en agissant su le héostat de telle sote qu elle se maintienne en équilibe ou, ce qui est plus simple (mais moins pécis)au moyen d un dynamomète sensible. Il pemet des véifications des pincipes fondamentaux de mécanique newtonienne et de l énegie avec une pécision inféieue à 5%. Il est actuellement ou sea pochainement commecialisé pa cetains founisseus de matéiel pédagogique. Intéêt de l appaeil Dans les expéiences habituelles de mécanique demandant une foce constante, on utilise comme foce le poids de l objet (chute libe, mouvement su un pan incliné etc.). Le pincipal inconvénient du ecous au poids comme foce constante est que la masse ne semble pas inteveni. On a, de ce fait les plus gandes difficultés à monte de manièe quantitative et simple le caactèe inetiel de celle-ci. (Il est pa exemple difficile de éalise et de compae les mouvements de deux masses difféentes tactées avec une même foce constante). Les machines de types «machine d Atwood» ont été abandonnées dans l enseignement secondaie en aison de la tès gande difficulté de aisonnement qu elles impliquent. Cela conduit à abandonne de fait l étude de situations de mouvements à foce constante au cous desquelles l effet inetiel des masses mobiles intevient de manièe explicite. L appaeil à foce constante pemet facilement de leve la plupat de ces difficultés comme en témoigne le TP ci-dessus.

17 FICHE N (bis) TP Comment détemine la vitesse acquise pa un solide su lequel une foce F effectue un tavail W? Objectifs du TP Intoduie la notion d énegie cinétique. Véifie la petinence de la elation de définition de l énegie cinétique de tanslation d un solide. Concevoi l énegie comme un capital tansféable d un système à un aute et monte que le tavail constitue un mode de tansfet de l énegie. Mette en place les bases du aisonnement lié à la consevation de l énegie (diagammes d énegie). Situation-poblème Les élèves tavaillent en petits goupes de tois ou quate. Chaque goupe dispose du montage epésenté ci-conte qui compote : une ègle gaduée fixée veticalement un capteu de vitesse elié à un odinateu et monté en face de la gaduation 0 de la ègle une bille (chaque goupe dispose d une bille difféente). 1. Déteminez de quelle hauteu h il faut lâche la bille (sans vitesse initiale) pou que son poids effectue au cous de la chute un tavail de 1 Joule Remaque. Les goupes disposent d une balance dans la salle. Ils savent calcule le tavail du poids. Nous avons utilisé de gosses billes d acie (diamète de.5 à 3.5 cm envion) dont les masses étaient compises ente 70 et 10 g cf. fiche technique ci-dessous). Il est possible de pende des billes plus petites, mais dans ce cas, il fauda modifie la consigne (choisi, pa exemple un tavail de 0,1Joule) afin que la hauteu de chute este aisonnable.. Effectuez ensuite la chute coespondante et mesuez quelle est la vitesse de la bille à l aivée. Remaque. S ils ne le font pas spontanément, les élèves sont invités pa le pofesseu à effectue plusieus mesues successives. 3. Sans éalise les manipulations, indiquez quelles seaient, d apès vous, les vitesses obtenues pa la bille pou des tavaux de 0,5 J 0,5 J et 0,75 J. ves l'odinateu Remaque. On s attend à ce que des élèves pévoient que les vitesses obtenues soient popotionnelles aux tavaux ou, éventuellement, à d autes pévisions fondées su les idées qu ils ont su la chute des cops. 4. Effectuez alos les véifications expéimentales. Les élèves viennent epote leus ésultats dans un tableau écapitulatif tacé pa le pofesseu selon le modèle ci-dessous :

18 W (J) oupe 1 M= kg oupe M= kg oupe 3 M= kg oupe 4 M= kg V mesuée (m/s) V mesuée (m/s) V mesuée (m/s V mesuée (m/s 1J 0,5J V pévue V mesuée V pévue V mesuée V pévue V mesuée V pévue V mesuée 0,50J 0,75J Les vitesses mesuées sont-elles confomes à celles que vous aviez pévues? Les vitesses obtenues pa les difféents goupes sont-elle les mêmes? Conclusion : Les vitesses à l aivée dépendent de la masse de la bille et du tavail effectué pa la pesanteu. Cependant, elles ne sont pas popotionnelles à ce tavail. Les élèves sont ensuite invités à véifie que W est toujous égal à ½.MV². Notion d énegie cinétique Le pofesseu conclue le tavail pécédent en instituant les notions d énegie cinétique et de tansfet d énegie de la manièe suivante: Nous dions que : a.- La bille, dans son mouvement de chute a accumulé un capital appelé «énegie cinétique» que nous noteons Ec. b.- Ce capital d énegie n a pas été céé, mais ésulte intégalement d un tansfet d énegie ves la bille. Nous noteons W R cette énegie eçue. c.- Cet appot d énegie W R est mesué, en valeu absolue 4, pa le tavail W(P) de la foce execée pa la pesanteu su le mobile. Ce qui signifie que : W R = 1/MV² Pa conséquent 3. Le tavail d une foce constitue un mode de tansfet d énegie. 4. L énegie cinétique d un mobile satisfait à la elation: Ec = ½ MV². 4 Devant les difficultés encontées pa les élèves avec les gandeus algébiques et les schémas qui en ésultent dans l écitue des bilans d énegie, nous avons délibéément pis le pati de comptabilise les tansfets d énegie de manièe aithmétique. Le tavail d une foce ayant été défini de manièe algébique, cela nous conduit à difféencie celui-ci des notions (aithmétiques) d énegies eçues et cédées. Pa la suite, les pemièes seont notées W R, Q R et R R selon la natue du tansfet (tavail, tansfet themique, ayonnement) et les secondes W C, Q C et R C. On voit bien que, dans note cas, on bien W R = W(P) pace que le tavail de la Foce de pesanteu est moteu. Comme nous le veons plus loin, dans le cas d un tavail ésistant (donc négatif), le système cédant de l énegie, on écia Wc = - W(P). Ainsi, un tansfet d énegie ésultant du tavail d une foce sea toujous mesué pa la valeu absolue de celui-ci.

19 Nous epésenteons, dans l exemple taité, cette capitalisation et ce tansfet d énegie pa le diagamme ci-dessous 5 : Ec WR Bille 0 et nous écions : W R = Ec Comment le tavail d une foce modifie-t-il l énegie cinétique d un solide en tanslation? Retou su la chute libe d un objet Il s agit ici de savoi comment, pa exemple, le tavail W AB (P) effectué pa la foce de pesanteu su le tajet AB de la bille modifie son énegie cinétique Ec, autement dit de compae ce tavail aux valeus Ec B et Ec A Objectifs : On attend simplement ici des élèves qu ils investissent les connaissances acquises dans la patie pécédente su le tavail et l énegie cinétique O. A Ce ésultat, appliqué à un objet abandonné en D sans vitesse initiale, pemet d écie : Ec A = W DA = Mg.DA Ec B = W DB = Mg.DB o W AB = Mg.AB et DA + AB = DB Le tavail moteu W AB de la foce de pesanteu epésente l énegie eçue pa la bille dans sa chute ente les points A et B. On le notea W(P) On peut donc écie : Ec A + W(P)= Ec B Un tavail moteu coespond donc à de l énegie eçue pa l objet en mouvement. B 5 Dans le cas paticulie de la foce de pesanteu, on ne peut pécise, à ce niveau d où povient l énegie tansféée ce qui explique que les flèches coespondant aux tansfets ne soient eliées qu à la boucle epésentant la bille. Pou ête complet, il faudait die ici qu elle povient du système Tee+bille qui se défome, mais ce système n est pas extéieu à la bille. On voit bien l intéêt qu il y aua, pa la suite, à taite de telles situations en temes de vaiation de l énegie potentielle de la bille en inteaction avec la Tee plutôt que pa un tansfet d énegie.

20 On epésente ce ésultat pa le diagamme d énegie suivant : Ec B WR EcA Bille Cas d un tavail ésistant (objet lancé ves le haut) Le ésultat est ici invese : l énegie cinétique en B est inféieue à celle que l objet avait en A. Nous disons ici que la bille a cédé une énegie Wc mesuée, en valeu absolue,pa le tavail, ici ésistant et donc négatif, de la foce de pesanteu P. W C = W AB (P) B On écit alos : Ec A Wc = Ec B : et le diagamme d énegie est maintenant le suivant : EcA A WC Ec B O. Bille

21 CONCLUSION DE CETTE ETUDE énéalisant les ésultats pécédents au cas de n impote quelle foce, le pofesseu peut alos conclue le tavail de la séance de la manièe suivante : L énegie cinétique finale d un solide en tanslation est toujous égale à son énegie cinétique initiale augmentée de l énegie eçue et diminuée de l énegie cédée en aison des tavaux des foces extéieues qui lui sont appliquées. Le tavail constitue un mode de tansfet de l énegie. Compétences testées (cf. BO N 7 du ) Compétences expéimentales et manipulatoies Fomule une hypothèse su un événement susceptible de se poduie ou un paamète pouvant joue un ôle dans un phénomène Popose une expéience susceptible de valide ou d invalide une hypothèse ou épondant à un objectif pécis Analyse des ésultats expéimentaux Expime un ésultat avec un nombe de chiffes significatifs compatible avec les conditions de l expéience Faie l étude statistique d une séie de mesues Utilise les technologies de l infomation et de la communication. Compétences tansvesales Rédige une agumentation Utilise les puissances de 10 Utilise l odinateu pou acquéi des données expéimentales Utilise un tableu ou un logiciel dédié au taitement des ésultats expéimentaux Fiche technique : Nous donnons ci-dessous les ésultats obtenus avec difféentes billes : M (kg) 0,070 0,085 0,105 0,10 h (m) calculée pou W = 1J V (m/s) mesuée à l aivée au sol 1,46 1,0 0,97 0,85 5,3 4,8 4,3 4,1 W (J) oupe 1 M= 0.07kg oupe M=0.085kg oupe 3 M=0,105kg oupe 4 M=0,10kg V (m/s) 1/MV² V (m/s) 1/MV² V (m/s) 1/MV² V (m/s) 1/MV² 0,5,65 0,5.40 0,4,0 0,5,05 0,5 0,5 3,80 0,51 3,45 0,51 3,10 0,50,90 0,51 0,75 4,65 0,76 4,0 0,75 3,80 0,76 3,55 0,76 1 5,30 1,0 4,80 0,98 4,30 0,97 4,10 1,01 Bibliogaphie Ouvage collectif, Intoduction à l énegie, CRDP de Lyon, 1998.

22 FICHE N 3 Activité A quoi set l énegie tansféée au skieu? Objectif Constuie le concept difficile 6 d énegie potentielle de pesanteu. Réflexion su l énegie et le tavail des foces. Les élèves tavaillent en petits goupes de 4 ou 5. Le pofesseu popose à chaque goupe de donne son avis su la situation suivante. 1. Situation-poblème Un skieu est tacté à vitesse constante pa un emonte-pente su une potion de piste AB supposée ectiligne (fig). On se popose d étudie les tansfets d énegie, effectués ente le skieu et les objets qui l entouent, tout au long du tajet AB. câble β peche pylone. B skieu sol (piste) A α Questions : 1. Selon vous, tout au long de AB, le skieu eçoit-il ou cède-t-il de l énegie? Si oui pa quels objets lui est tansmise l énegie eçue et/ou à quels objets le skieu en cède-t-il? Si non, pouquoi? 6 Contaiement aux concepts de tavail et d énegie cinétique facilement associés à l obsevation du mouvement d un cops, et à celui d énegie intene, abusivement associé pafois au seul paamète tempéatue, l énegie potentielle de pesanteu n est généalement pas econnue spontanément pa les élèves qui ne voient pas dans l altitude le signe manifeste d un capital énegétique.

23 . Y a-t-il, selon vous de l énegie accumulée pa le skieu et susceptible d ête écupéée, pa exemple, à la descente? 3. Y a-t-il, selon vous, de l énegie pedue pou le skieu, (c est-à-die iécupéable pa lui)? Apès quelques minutes de éflexion, un élève de chaque goupe est invité à donne le point de vue de son goupe. Le pofesseu note au tableau les difféentes éponses qu il classe en tois catégoies : 1. Enegie eçue. Enegie accumulée (écupéable) 3. Enegie cédée (non écupéable) Commentaie. On peut s attende à ce que des goupes placent, dans la pemièe catégoie, le tavail moteu de la foce execée pa la peche su le skieu, qu ils évoquent peut-ête des «petes» pa fottement à mette dans la toisième catégoie. Toute la question est de savoi ce que les goupes d élèves feont de l énegie liée à la pesanteu. Une discussion est alos engagée pa le pofesseu su la question essentielle de l énegie associée à l action de la pesanteu. Doit-on la considée comme un tansfet ou comme une contibution au capital d énegie écupéable? Le pofesseu fait alos emaque que la éponse suppose un choix : compte cette énegie comme un tavail cédé à la Tee, c est, d une cetaine façon, mette l accent su l idée de tansfet au détiment de celle d accumulation ; considée, au contaie, cette énegie comme constitutive du capital (au même tite, pa exemple, que l énegie cinétique), c est mette l accent su l idée de écupéation possible (à la descente). Il indique que la physique fait souvent le choix de la seconde poposition pace, qu en mettant l accent su un potentiel de écupéation, elle est, dans de nombeux cas, plus intéessante que la pemièe. Il dicte alos la éponse qui sea donnée à la question initiale : Tout au long du tajet AB, le skieu eçoit de l énegie mesuée pa le tavail moteu de la foce que la peche exece su lui. Il abandonne à l envionnement une patie de celle-ci en aison des fottements. Le este est accumulé pa le skieu en inteaction avec la Tee. On appelle «Enegie potentielle de pesanteu» (généalement notée Epp), l énegie d un solide en inteaction avec la Tee situé à l altitude z. Cette énegie accumulée pa le solide vaie donc avec l altitude z à laquelle il se touve Calcul de l expession de l énegie potentielle de pesanteu. Pou effectue ce calcul, le pofesseu popose aux goupes d élèves d effectue le tavail suivant : 1. Repésentez gaphiquement les foces qui agissent su le skieu tout au long de AB. (Vous pouez vous aide en taçant un diagamme objets-inteactions).. Quelles elations pouvez-vous écie ente les valeus des difféentes foces appliquées au skieu? 3. Expimez à l aide de ces elations le tavail de la foce execée pa la peche su le skieu su AB, noté : ( F AB P / x ) W. Commentaie : Les deux pemièes questions sont bien à la potée des élèves. La toisième est un peu plus difficile mais peut ête taitée pa cetains et exposée à tous. On touvea ciapès, à tite indicatif, le ésultat du tavail demandé.

24 F P/X peche P X skieu câble pylones etc. F S/X F' S/X β skis f α Tee sol F T/X D.O.I. FORCES Application de la pemièe loi de Newton : = 0 F P/ X + F' S / X + FT / X + FS / X (1) Relation ente les valeus des foces (pojection de 1 su la diection de la pente) F P/ X cos β = F' S / X + FT / X. sin α () Calcul du tavail de la foce execée pa la peche su le skieu (énegie tansféée pa le téléski au skieu): WR = WAB( FP/ X ) = FP/ X. AB.cosβ Compte tenu de () on peut écie : WR = FT / X. AB.sin α + F' S / X. WR = M. g( z B z A) + F' S / X. AB AB Le pofesseu intepète alos devant les élèves le ésultat pécédent de la manièe suivante : g( z B z ) M coespond à l énegie nécessaie pou éleve le skieu de A à B. Cette. A énegie est écupéable (pa exemple à la descente du skieu). Ce teme epésente donc la vaiation de l énegie potentielle de pesanteu du skieu en inteaction avec la Tee. Nous définions, pa conséquent, celle-ci pa la elation Epp = M.g.z

25 La patie de W R epésentée pa le teme F' S / X. AB coespond à une énegie non écupéable pa le skieu. Elle est, pou l'essentiel, tansféée, en aison des fottements, à la neige qui est défomée et qui fond au contact des skis. Le diagamme d énegie suivant taduit le aisonnement ci-dessus: EppB Téleski WR Skieu +Skis EppA tansfets non écupéables envionnement E = E + W ( F' / AB) ppb ppa R S X L'énegie F' S / X. AB, "pedue" pa le skieu se etouve en fait épatie en vaiation de l'énegie intene de la neige et en celle du skieu. C'est pou cela que l'on ne peut pas en généal identifie ce teme à de l'énegie cédée pa le skieu à l'extéieu. Cependant, si on admet que la tempéatue des skis ne vaie pas au contact de la neige qui constitue un excellent themostat (hypothèse aisonnable), l'énegie totale du skieu est constante et le teme F' X / S. AB epésente bien les tansfets (ici mécaniques et themiques) effectués ves l envionnement. Remaque : losque des fottements se situent à l inteface ente le système et l extéieu (cas d un solide en tanslation qui fotte su son suppot pa exemple), on ne peut évalue sépaément l élévation de l énegie intene du solide, celle du suppot et le tansfet d énegie effectué pa tavail (cf. aticles de JP Baat et de JL Dettwille cités en bibliogaphie). Compétences testées (cf. BO N 7 du ) Compétences tansvesales Utilise le vocabulaie scientifique Rédige une agumentation Utilise les vecteus Utilise quelques notions de géométie Bibliogaphie Ballini, P., Robadet,., Rolando, J-M., L intuition, obstacle à l acquisition de concepts scientifiques, ASTER, n 4, juin 1997, INRP, Ballini, P., Robadet,., Rolando, J-M., Constuie le concept d énegie en classe de pemièe S,, Bulletin de l Union des Physiciens, N 800 janvie 1998, Baat J.P. Remaques su les bases de la themodynamique, Bulletin de l Union des Physiciens, N 74 vol 84 mai 1990, Dettwille J-L., céation de chaleu et échanges énegétiques : application à l étude themodynamique du contact de deux solides avec fottements, Bulletin de l Union des Physiciens, N 775 juin vol , Lemeignan,., et Weil-Baais, A, Constuie des concepts en physique, Hachette-Education, 1993.

26 FICHE N 4 TP Que devient l énegie cinétique d un pojectile lancé? Objectifs Monte que l énegie cinétique peut se tansfome en énegie potentielle et écipoquement. Situation-poblème On considèe la situation suivante : Un joueu de pétanque lance sa boule en éalisant une chute plombée c est-à-die en faisant en sote qu à l aivée la boule ait une tajectoie aussi poche de la veticale que possible de manièe à se cale dans le tou de son impact au sol. Comment vaient, selon vous, les énegies cinétique et potentielle de pesanteu de la boule à pati de l instant où celle-ci a quitté la main du joueu jusqu au moment où elle va touche le sol? Commentaie : On attend ici des élèves qu ils pévoient que pendant la montée, la valeu de la vitesse diminue et que pendant la descente ves le sol ces énegies vaient en sens invese. Donc qu ils pévoient que losque Ec augmente, Epp diminue et écipoquement. Le pofesseu pose alos la question suivante aux élèves : «Comment savoi si toute l énegie cinétique pedue pendant la montée est (ou non) écupéée sous fome d énegie potentielle, et si toute l énegie potentielle pedue pendant la descente est (ou non) écupéée sous fome cinétique?» La classe est ainsi conduite à examine su un document vidéo le mouvement d un ti plombé d une boule de pétanque. Le mouvement est obsevé en temps éel, puis au alenti, puis image pa image. Le pofesseu popose aux élèves d effectue eux-mêmes les mesues nécessaies su les images du document afin de tente de éponde à la question posée. Les élèves tavaillent alos pa deux. Chaque binôme dispose d un odinateu, l enegistement du mouvement de la boule ayant péalablement été copié su le disque du de celui-ci, ou disponible su éseau.

27 Les élèves sont alos invités à epée, au moyen d un logiciel de pointage, les coodonnées des positions occupées pa le cente de la boule. Munis des ésultats de ce pointage, ils doivent ensuite ente ces coodonnées dans un tableu et calcule les valeus des énegies cinétique et potentielle pou chacune des positions de la boule. Ils constuisent ensuite les coubes epésentatives des vaiations de Ec et Epp Enegies (J) Ec Epp ,0 0, 0,4 0,6 0,8 1,0 1, 1,4 1,6 1,8,0 Temps (s) Remaque. Les coubes, données ci-dessus à tite d exemple, ont été obtenues pou le lance d une boule de 700 g lancée à la vitesse d envion 9,5 m/s suivant un angle de 6 avec l hoizontale. Les élèves sont alos conduits à constate qu à chaque instant, les énegies cinétique et potentielle vaient en sens invese de telle sote que : - toute l énegie cinétique pedue pendant la montée se tansfome intégalement en énegie potentielle et que, écipoquement, - toute l énegie potentielle pedue pendant la descente se tansfome intégalement en énegie cinétique.

28 Les diagammes d énegie sont donnés ci-dessous : EcA Ep B Ec B' Ep A' Ec B EpA EcA' EpB' Boule ente deux états A et B pis pendant la montée Boule ente deux états A' et B' pis pendant la descente Execice de éflexion Obsevez la situation décite pa le dessin ci-dessous. Il y a une eeu dans chacun des tois commentaies que font les pesonnages. Essaye de les identifie et coigez en conséquence les commentaies écits dans les bulles. Réponse : Les deux pesonnages embaqués dans les wagons ont chacun de l énegie cinétique et de l énegie potentielle mais pas en même quantité. Quant à la somme Ec+Ep, elle n est pas constante en aison des petes d énegie pa fottements. On poua ectifie les commentaies de la manièe suivante :

29 - en haut à gauche : «Moi j ai sutout de l énegie potentielle» ; - en haut à doite : «Moi j ai sutout de l énegie cinétique» ; - en bas : «Ec + Ep ne cesse de diminue en aison des fottements» Compétences testées (cf. BO N 7 du ). 3. Compétences expéimentales et manipulatoies Fomule une hypothèse su un événement susceptible de se poduie ou un paamète pouvant joue un ôle dans un phénomène Analyse des ésultats expéimentaux Utilise les technologies de l infomation et de la communication. 4. Compétences tansvesales Constuie un gaphique et savoi l utilise Utilise un tableu ou un logiciel dédié au taitement des ésultats expéimentaux

30 FICHE N 5 Activité ou TP Un tavail peut-il poduie d autes effets? Peut-on échauffe un cops sans appot de tavail? Objectifs Intoduie qualitativement l énegie intene : savoi que l énegie eçue pa tavail peut aussi ête stockée pa un cops dont cetaines popiétés physiques ou chimiques sont modifiées (vaiation de la tempéatue, changement d état physique, défomation élastique, tansfomation chimique etc.) Déoulement de la séance Le pofesseu donne l infomation suivante : «Si, en appotant de l énegie à un système sous fome de tavail, on est capable d obseve des effets qui n affectent ni son état de epos ou de mouvement, ni l altitude à laquelle il se touve, alos on dia que ce système à accumulé de l énegie dite INTERNE et notée U. La séance a pou but d identifie difféents cas de stockage d énegie intene. Pou chacune des situations que vous allez enconte, vous devez : 1. Identifie le ou les effets qui témoignent d une vaiation de l énegie intene du système désigné. Taduie les tansfets d énegie et les vaiations de l énegie intene stockée dans le système désigné au moyen d un diagamme d énegie.» Les élèves tavaillent en petits goupes de cinq ou six (moins si la séance est éalisée en TP). Les difféentes situations suivantes sont poposées su difféentes tables au moyen d une fiche placée su la table avec éventuellement le matéiel coespondant. Les goupes effectuent le tavail demandé et passent d une table à l aute toutes les 15 à 0 minutes à la demande du pofesseu. Situation 1 : Tode un moceau de fil de fe dans ses doigts jusqu à la uptue. Quels sont les effets constatés su le moceau de fil de fe? Elaboez un diagamme d énegie endant compte de la situation. Situation : On dispose d une généatice à manivelle eliée à un condensateu pa deux fils électiques. a) Chage le condensateu en tounant la manivelle. b)débanche le condensateu en évitant de cout-cicuite les deux bones puis elie ces denièes à une lampe à incandescence. Le système étudié étant le condensateu + la généatice, quels sont les effets constatés? Elaboez un diagamme d énegie endant compte de la consevation de l énegie los de la phase a. Elaboez un deuxième diagamme coespondant à la phase b, le système étant, cette fois, le condensateu. Puis un toisième diagamme, le système étant maintenant la lampe.