Progression du début de l année scolaire

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1 Progression du début de l année scolaire ONDES 1. Ondes et particules 2. Caractéristiques des ondes 3. Propriétés des ondes ANALYSE CHIMIQUE 4. Analyse spectrale 5. Réaction chimique par échange de proton 6. Contrôle de la qualité par dosage TEMPS, MOUVEMENT ET EVOLUTION 7. Temps et évolution chimique : cinétique et catalyse 8. Cinématique et dynamique newtoniennes 9. Application des lois de Newton et des lois de Kepler 10. Travail et énergie 11. Temps et relativité restreinte COURS 10 : TRAVAIL ET ENERGIE Compétences exigibles au baccalauréat Etablir et exploiter les expressions du travail d une force constante (force de pesanteur, force électrostatique dans le cas d un champ uniforme) Etablir l expression du travail d une force de frottement d intensité constante dans le cas d une trajectoire rectiligne. Analyser les transferts énergétiques au cours d un mouvement d un point matériel. Extraire et exploiter des informations relatives à la mesure du temps pour justifier l évolution de la définition de la seconde. Extraire et exploiter des informations sur l influence des phénomènes dissipatifs sur la problématique de la mesure du temps et la définition de la seconde. Extraire et exploiter des informations pour justifier l utilisation des horloges atomiques dans la mesure du temps. Pratiquer une démarche scientifique pour mettre en évidence les différents paramètres influençant la période d un oscillateur mécanique, son amortissement. Pratiquer une démarche expérimentale pour étudier l évolution des énergies cinétique, potentielle et mécanique d un oscillateur. Page 1 sur 15

2 Sommaire COURS 10 : TRAVAIL ET ENERGIE I) LA MESURE DU TEMPS II) NOTION DE TRAVAIL D UNE FORCE III) TRAVAIL D'UNE FORCE CONSTANTE IV) TRAVAIL ET ENERGIE V) RETOUR SUR LA MESURE DU TEMPS Annexe Page 2 sur 15

3 Activité d'introduction: # Etude documentaire du livre Hachette page 188: Mesure du temps et définition de la seconde: la quête de la précision Lire le premier paragraphe «La mesure du temps» et répondre aux questions 1a) et b) # Visionner la vidéo sur le mécanisme d'échappement pendule # Visionner la vidéo diffusée sur Arte: les rouages de l'horlogerie suisse (à visionner intégralement ou à partir de l'instant 2 min et 50 s) I) LA MESURE DU TEMPS 1) Introduction Le temps a d abord été défini Horloge à balancier utilise les oscillations d'un pendule 2) Notions sur les oscillateurs mécaniques a. Définition Un oscillateur mécanique est un système qui évolue de façon.. Montre utilisant un oscillateur élastique constitué d'un ressort spirale et d'un balancier La période propre, notée T 0, correspond à la.. Page 3 sur 15

4 b. Paramètres influençant la période propre pendule simple pendule élastique c. Transferts énergétiques Au cours du mouvement d un solide, des transferts Visionner le simulateur du pendule simple Visionner le simulateur du pendule élastique II) NOTION DE TRAVAIL D UNE FORCE Le travail constitue un mode de.. Le travail s exprime en Joule noté J. Le travail d une force est une grandeur algébrique qui permet. Au cours du déplacement de A vers B, laquelle des trois forces a l'effet le plus important? (F 1 = F 2 = F 3 ) Page 4 sur 15

5 III) TRAVAIL D'UNE FORCE CONSTANTE 1) Introduction Une force est caractérisée par une direction, un sens et une valeur. Lorsque les trois caractéristiques ne varient pas au cours du temps, la force est constante. Si le travail d une force est indépendant du chemin suivi, on dit que la force est conservative. 2) Définition Soit une force F constante appliquée entre les points A et B. Le travail de cette force entre le point A et B, notée W AB ( F ) est égal au produit scalaire du vecteur déplacement par le vecteur force: W AB ( F ) en joule (J), F en Newton(N), AB en mètre (m). 3) Travail moteur, travail résistant α =0 W F.AB. cos(α) F.AB 0 travail moteur AB π 0 α 2 WAB F.AB. cos(α) 0 travail moteur π α WAB F.AB. cos(α) 0 2 π α π WAB F.AB. cos(α) 0 2 travail nul travail résistant Page 5 sur 15

6 4) travail du poids Soit un objet de masse m se déplaçant d'un point A à un point B dans un référentiel galiléen. Le champ de pesanteur a pour intensité g. Calcul du travail du poids (force constante) le long du chemin AB: Les coordonnées du vecteur poids sont: Les coordonnées du vecteur sont : Démonstration à connaître Soit un objet de masse m se déplaçant d'un point A d'altitude z A à un point B d'altitude z B dans un référentiel galiléen. Le travail du poids est égal à:. Unité: W AB ( P ) en joule (J), m (kg), g (N.kg -1 ), z A et z B en mètre (m) Le travail du poids ne dépend pas : on dit que le poids est une force Page 6 sur 15

7 5) travail d'une force électrostatique Rappel: entre 2 plaques chargées règne un champ électrostatique E orienté de la plaque positive vers la plaque négative. La valeur du champ électrostatique entre 2 plaques P (plus) et N (négative) est égale à la tension U PN divisée par la distance d entre les plaques: U PN d E Unité: U PN (V) > 0, d(m), E (V.m -1 ) > 0 La valeur du champ électrostatique entre 2 points A et B est égale à la tension U AB U AB divisée par la distance (voir schéma ci-dessous): E l Une particule de masse M, supposée ponctuelle, de charge électrique q et de masse m, est placée dans un champ électrostatique uniforme E. Elle est soumise à une force électrostatique F q. E constante. Elle se déplace d'un point A à un point B. Démonstration à connaître Une particule chargée, de charge q, placée dans un champ électrostatique E uniforme est soumise à une force électrostatique F q. E. Le travail de cette force W AB (F) le long du chemin AB vaut:.. Unité : (F) en joule (J); q en coulomb(c); UAB en volt W AB Le travail ne dépend pas du.. La force électrostatique est une. Remarque: quand est-ce que le travail de la force électrostatique est moteur? Résistant? Sur le schéma ci dessus U AB > 0. - si q > 0, WAB (F ) > 0 travail moteur, la force est dans le sens du mouvement - si q < 0, W ) < 0, travail résistant, la force est opposée au mouvement. AB (F Page 7 sur 15

8 6) force non conservative : cas des forces de frottements Considérons le cas où un solide est en mouvement rectiligne sur une table. Le solide est soumis à une force de frottement f. Soit une force de frottement f constante appliquée entre les points A et B. Le travail de cette force entre le point A et B, notée W AB ( f ) est égal au produit scalaire du vecteur déplacement par le vecteur force: W AB ( f ) f. AB f. AB.cos( f, AB) =f.ab.cos( ) si =, W AB ( f ). W AB ( f ) en joule (J), f en Newton(N), AB en mètre (m). En règle générale le travail de la force de frottement est < 0, il réalise alors un transfert thermique vers l extérieur du système. Autre exemple : Pourquoi les skis glissent sur la neige? Le travail d'une force de frottement dépend du..i: la force de frottement est une.. Page 8 sur 15

9 En effet, considérons un chemin 1, A B, puis un chemin 2, A DCB. Le travail W 1 de la force de frottement le long du chemin 1 et W 2 le long du chemin 2 sont différents. En valeur absolue W 1 < W 2. IV) TRAVAIL ET ENERGIE 1) Energie cinétique L'énergie cinétique d'un solide caractérise son état de mouvement Au niveau de la terminale S, on utilisera.. l'expression suivante: m en kg v en m.s -1 E C en J 2) Energie potentielle Elle est associée à une force conservative Entre deux points A et B, sa variation vaut: Force conservative Poids Expression de l'énergie potentielle L'énergie potentielle de pesanteur s'exprime de la manière suivante: E pp B = où m est la masse du système ( kg ) g est l'intensité de la pesanteur terrestre ( N.kg -1 ) z est l'altitude au point B ( m ) E pp B est l'énergie potentielle de pesanteur au point B ( J) Force électrostatique L'énergie potentielle électrique s'exprime de la manière suivante: E pe B =. q est la valeur de la charge électrique en Coulomb ( C) V B est le potentiel électrique au point B en volt ( V ) Epe B est l'énergie potentielle électrostatique au point B en joule ( J) 3) Energie mécanique E m = Page 9 sur 15

10 Forces appliquées au système Energie mécanique Conservatives ou dont le travail est nul Constante E m A = E m B Le travail des forces conservatives assure le transfert.... ΔE m =. Au moins une force non conservative Non constante La variation d énergie mécanique est égale à la somme.. ΔE m =. Transfert d'énergie V) RETOUR SUR LA MESURE DU TEMPS 1) Inconvénients des oscillateurs mécaniques dans la mesure du temps... ont forcé à une évolution de la définition de la seconde et à l'avènement des horloges atomiques pour satisfaire à un besoin de précision notamment pour les systèmes de géo localisation. 2) Définition actuelle de la seconde Page 10 sur 15

11 ANNEXE CONSERVATION DE L'ENERGIE MECANIQUE EN L'ABSENCE DE FORCES DE FROTTEMENTS Document réalisé à partir du site mple_forces_vitesse_energie.htm Page 11 sur 15

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14 Visionne, pour de plus amples informations, la vidéo sur l'horloge atomique Page 14 sur 15

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