Document du professeur 1/7 Niveau 3 ème Physique - Chimie Energie de position- Energie cinétique Energie mécanique Conservation de l énergie mécanique Programme C. De la gravitation à l énergie mécanique C1. Interaction gravitationnelle Cette proposition d expérimentation illustre la partie de programme ci-dessous parue au BO spécial n 6 du 28 août 2008 Connaissances Capacités Commentaires Pourquoi un objet tombe-t-il sur Terre? Pourquoi l eau d un barrage acquiert-t-elle de la vitesse au cours de sa chute? Un objet possède : - une énergie de position au voisinage de la Terre ; - une énergie de mouvement appelée énergie cinétique. La somme de ses énergies de position et cinétique constitue son énergie mécanique. Conservation d énergie au cours d une chute. Thème de convergence : sécurité, énergie Pré requis de l élève Raisonner, argumenter pour interpréter l énergie de mouvement acquise par l eau dans sa chute par une diminution de son énergie de position o Rôle de l attraction terrestre, appelée poids, dans la chute des objets o La notion d énergie de position, d énergie cinétique Les énergies de position, cinétique et mécanique sont abordées uniquement pour expliquer qualitativement les conversions d énergie dans une chute d eau (barrage hydraulique). Mots-clé o Energie o Energie cinétique o Energie de position o Poids o Vitesse PIERRON 2008 Energie de position - Energie cinétique (page 1)
Document du professeur 2/7 Liste de matériel Poste élève Référence o Caméra 10471 o Logiciel AVISTEP 20544 o Maquette Energie de la chute d eau 00936 o Pissette PE 06832 o Support-statif SYSDIDAC 00035 o Pince en fourche à un doigt 04765 o Balle assez dense Remarques, astuces o Les énergies de position, cinétique et mécanique sont abordées uniquement pour expliquer qualitativement les conversions d énergie dans une chute d eau (barrage hydraulique). o Lors de l utilisation de la maquette simulant la chute d eau, prendre une première hauteur de chute h la plus petite possible afin d éviter les projections d eau et donc des erreurs de manipulations importantes. Prolongements o Activité documentaire sur l eau et l énergie o La conservation de l énergie mécanique ne s observe que pour des systèmes isolés à forces conservatrices c'est-à-dire dans lequel les forces agissantes dérivent d un potentiel. Naturellement, en cas de forces de frottement, il n y a pas conservation de l énergie mécanique! o On rappelle qu un système isolé est un système ne subissant aucune force extérieure : ainsi dans le cas de la chute libre, le système à considérer est le système «balle + Terre» ce qui permet de définir une énergie potentielle de pesanteur. o Il est aussi rappelé que le théorème de l énergie cinétique s emploie aussi pour les systèmes isolés car «La variation de l énergie cinétique d un système matériel entre deux instants donnés est égale à la sommes des travaux des forces tant intérieures qu extérieures qui agissent sur le système entre ces deux instants». Compétences qu il est possible d évaluer Expérimentales - Réaliser une chrono-ponctuation - Répartir les rôles dans le groupe - Suivre un protocole - Ordonner la paillasse pour réaliser un travail correct - Ranger le matériel - Traiter une image dans un logiciel dédié (C3.7) Théoriques - Extraire d un document les informations utiles (chronoponctuation) - Réaliser une conclusion - Mobiliser ses connaissances sur l énergie PIERRON 2008 Energie de position - Energie cinétique (page 2)
Document du professeur 3/7 Nom : Prénom : Classe : Date : Physique Chimie Energie mécanique - Conservation de l énergie lors d une chute libre Objectifs o Savoir que l énergie mécanique se transforme o Expliquer comment l eau d un barrage acquiert de la vitesse lors de sa chute o Vérifier la conservation de l énergie mécanique lors d une chute libre ACTIVITE 1 : Quelles énergies sont mises en jeu lors de la chute d une balle? 1. Expérience : On dispose d une balle assez dense qu on laisse tomber verticalement d une hauteur h au-dessus du sol, sans vitesse initiale. Le sol sert de référence pour l énergie de position. La chute est filmée à l aide d une caméra, le film obtenu sera étudié dans le logiciel AVISTEP afin d obtenir la chronoponctuation observée ci-contre. Remarque : Entre deux positions de la balle, il s écoule toujours le même temps t. 2. Exploitation de la chrono-ponctuation : Avant la chute : Quel type d énergie possède la balle (énergie de position ou énergie cinétique)? La balle possède de l énergie de position. Que vaut son énergie cinétique? Son énergie cinétique est nulle. Lors de la chute : Comment varie la vitesse de la balle lors de la chute? La vitesse augmente. Comment varie alors son énergie cinétique? Son énergie cinétique augmente également. Comment varie son énergie de position? Son énergie de position diminue. À la fin de la chute : Au moment où la balle touche le sol, que peut-on dire de la valeur de la vitesse de la balle? La vitesse a atteint son maximum. Que peut-on dire alors de son énergie cinétique? Son énergie cinétique est maximale. Que vaut son énergie de position? Son énergie de position est nulle. 3. Conclusion : On appelle énergie mécanique, Em, d un objet la somme à tout instant de son énergie de position Ep et de son énergie cinétique Ec : Em = Ep + Ec. Lors de la chute libre d un objet, l énergie mécanique de cet objet se modifie : l énergie de position de l objet est convertie en énergie cinétique. PIERRON 2008 Energie de position - Energie cinétique (page 3)
Document du professeur 4/7 ACTIVITE 2 : Etude des conversions d énergie lors de la chute d eau dans un barrage 1. Expériences : On dispose d une seringue contenant 1 ml d eau. Placer la seringue à une hauteur h au-dessus des pales d un moulin dont l axe est mobile le long d un support horizontal gradué. Libérer alors l eau : la roue du moulin se met à tourner. Noter, en cm, la distance d parcourue par l axe de la roue sur le support horizontal Partant d une hauteur h = 2h, refaites l expérience et noter la distance d parcourue par l axe de la roue. Compléter le tableau de résultats ci-dessous. Hauteur h en cm h = 3cm h = 2h = 6 cm Distance d parcourue (en cm) d = 2,4 cm d = 3,6 cm. Quelle énergie possède l eau dans la seringue au moment du lâcher? Au moment de lâcher, l eau possède de l énergie de position. Lorsque l eau arrive sur la pale de la roue, en quelle autre forme d énergie l énergie précédente se convertit-elle? Lorsque l eau arrive sur la pale de la roue elle possède de la vitesse et donc de l énergie cinétique. L énergie de position de l eau s est convertie en énergie cinétique. 2. Interprétation Compléter les phrases ci-dessous : L eau de chute d un barrage hydraulique, simulée par l eau contenue dans la seringue possède une énergie de position : en haut de la chute : l énergie de position de l eau est maximale par rapport au niveau bas de la chute et son énergie cinétique est minimale ; au cours de la chute : son énergie cinétique augmente tandis que son énergie de position diminue. 3. Conclusion Comme pour la balle précédente, lors de la chute de l eau d un barrage, l énergie mécanique de l eau se transforme : son énergie de position est convertie en énergie cinétique. 4. Remarque : Selon le barrage, l énergie cinétique acquise par l eau peut faire tourner des turbines, la roue d un moulin, etc PIERRON 2008 Energie de position - Energie cinétique (page 4)
Document du professeur 5/7 ACTIVITE 3 : L énergie mécanique se conserve 1. Expérience : On dispose d une balle assez dense qu on lance verticalement vers le haut. On étudie la façon dont les énergies mises en jeu lors de la montée et de la descente de la balle évoluent en prenant pour repère de son énergie cinétique et de son énergie de position, son passage devant une règle située à une hauteur h au-dessus du sol aussi bien lors de la montée que de la descente. Le lancer est filmé à l aide d une caméra et le film est étudié dans le logiciel AVISTEP afin d obtenir les deux chronoponctuations présentées ci-dessous aux paragraphes 2.1 et 2.3 : Remarque : Entre deux positions de la balle, il s écoule toujours le même temps t. Par conséquent, plus la vitesse de la balle est élevée, plus la distance parcourue entre deux photos est grande. 2. Exploitation des chrono-ponctuations : 2.1 Étude de la partie de la trajectoire correspondant à la montée de la balle Lors de sa montée, comment évolue la vitesse de la balle? La vitesse de la balle diminue. Comment varie son énergie cinétique? Son énergie cinétique diminue. Comment évolue son énergie de position? Son énergie de position augmente. Conclusion : (Compléter la phrase ci-dessous) Lors de la montée de la balle, son énergie cinétique diminue : elle est convertie en énergie de position. 2.2 Étude des énergies au sommet de sa trajectoire. Au sommet de sa trajectoire, la balle s arrête avant de retomber vers le sol. Compléter la phrase suivante : Étude lors de la montée de la balle Au sommet de sa trajectoire, la balle possède une vitesse nulle donc une énergie cinétique nulle et son énergie de position est alors maximale. PIERRON 2008 Energie de position - Energie cinétique (page 5)
Document du professeur 6/7 2.3 Étude de la descente de la balle Lors la descente de la balle, comment évolue sa vitesse? Sa vitesse augmente. Comment varie son énergie cinétique? Son énergie cinétique augmente. Comment évolue son énergie de position? Son énergie de position diminue. Étude lors de la descente de la balle Conclusion : (Compléter la phrase ci-dessous) Lors de la descente de la balle, son énergie de position diminue : elle est convertie en énergie cinétique. 2.4 Étude lors du passage de la balle en face du repère situé à la hauteur h : Lors de la montée de la balle Étude lors du passage devant la règle servant de repère Lors de la descente de la balle Comparer la distance parcourue par la balle entre les positions A et B dans les deux situations illustrées ci-dessus ; à la montée et à la descente. Dans les deux situations, la distance entre les positions A et B est la même. Que peut-on en conclure concernant la valeur de la vitesse de la balle lors de son passage à la hauteur h? La vitesse de la balle a la même valeur. Que peut-on en conclure concernant la valeur de son énergie cinétique tant à la montée qu à la descente à la hauteur h? L énergie cinétique de la balle est donc la même tant à la montée qu à la descente. Comparer l énergie de position de la balle à la montée et à la descente lors de son passage devant la règle située à la même hauteur h au-dessus du sol. A une même hauteur h, l énergie de position de la balle est la même tant à la montée qu à la descente. PIERRON 2008 Energie de position - Energie cinétique (page 6)
Document du professeur 7/7 Comparer alors, tant à la montée qu à la descente, les valeurs de l énergie mécanique possédée par la balle lorsqu elle passe devant la règle située à la hauteur h au-dessus du sol. L énergie mécanique de la balle est donc la même tant à la montée qu à la descente. 3. Conclusion : Lors du mouvement d une balle uniquement soumise à son seul poids, tout frottement étant négligé, l énergie mécanique de cette balle se conserve : ce qui est perdu en énergie de cinétique est gagné en énergie de position et inversement : E m = Ec + Ep = constante en l absence de frottement Remarque : le mouvement d une balle soumise à son seul poids s appelle un mouvement de chute libre, que la balle monte ou descende. En effet, qu elle ait été lancée dans quelque direction que ce soit, dès qu elle a été libérée du lanceur elle n est plus soumise qu à son seul poids ce qui est le propre d une chute libre. PIERRON 2008 Energie de position - Energie cinétique (page 7)