Lycée Joliot Curie à 7 PHYSIQUE Classe de Ter S Thème : Comprendre Cours «Travail et énergie» 5 personnes tirent un wagon vers la droite, complétez le schéma : A- Je fais ce que je peux! B- Je ne sers à rien! C- C'est moi le meilleur! D- Je résisterai! De quoi dépend, l éfficacité de la force exercée par chaque personne dans la mise en mouvement du chariot. I Travail d une force constante: 1- Expression mathématique : Une condition nécessaire pour qu une force travail est que son point d application se déplace. 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 du vecteur déplacement par le vecteur force W AB ( F ) en joule ( ), F en Newton( ), AB en mètre ( ). - Travail moteur et résistant : α valeur du travail travail moteur ou résistant? α =0 W AB = travail 0 α W AB = travail Lorsque le système reçoit du travail d'une force extérieure, alors ce travail est positif, il s'agit d'un travail moteur. Lorsque le système fournit du travail au milieu extérieur alors le travail est négatif, il s'agit d'un travail résistant. α W AB = travail α W AB = travail 1
3- Force conservatrice Une force est dite conservative si son travail entre deux points A et B quelconques de la trajectoire suivie entre ces deux points. Toutes les forces constantes sont conservatives : le poids (dans un champ de pesanteur uniforme), la force électrique (dans un champ électrostatique uniforme), mais aussi d autres forces non constantes (force de rappel élastique d un ressort, par exemple). Remarque : Les forces de frottements ou la force de tension d un fil sont des forces non-conservatives. II Travaux de quelques forces : 1- Travail du poids dans un champ de pesanteur uniforme Soit un objet de masse m qui parcourt un déplacement quelconque entre deux points A et B dans un champ de pesanteur uniforme g Le poids exercé sur cet objet est une force constante, P=mg Le travail du poids a pour expression Dans le repère (O,,, ), associé au référentiel terrestre, si l axe (Oz) est un axe vertical ascendant, Exemple : calculer le travail du poids du ballon de basket (m = 650 g) entre le point de lancer (altitude :,0 m) et le panier (altitude : 3,05 m). Commenter le signe de ce résultat. W = 5,4 J.
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 du chemin suivi mais uniquement de l'altitude initiale et de l'altitude finale: on dit que le poids est une force. -Travail de la force électrique en champ électrostatique uniforme Entre deux plaques P et N d un condensateur plan règne un champ électrostatique uniforme E perpendiculaire aux plaques. Une particule de charge q en mouvement entre les deux plaques est soumise à la force électrique =q. Entre deux points A et B, la force électrique est constante, donc conservative et son travail sur le trajet AB ne dépend pas du chemin suivi. Il peut donc être calculé en passant par le point C, Exercice : L électron-volt, de symbole ev, est une unité d énergie égale à la valeur absolue du travail de la force électrique exercée sur un électron lors d un déplacement correspondant à une tension de 1 V. Calculer la valeur d un électron-volt en joules. Réponse : 1 ev = e J = 1,6018.10 19 J 3- Travail d une force de frottements d intensité constante sur une trajectoire rectiligne Une force de frottements n est pas conservative. Ainsi, le travail de cette force sur un déplacement allant de A vers B dépend du chemin emprunté : plus il est long, plus le système perd de l énergie par transfert thermique vers l extérieur, assuré par le travail de la force de frottements. Sur une trajectoire rectiligne, une force de frottements d intensité constante a même direction (celle du déplacement) et même sens (opposé au déplacement) à chaque instant. Il vient Ce travail est négatif : il réalise un transfert thermique vers. III- Energies et travaux des forces conservatives : 1- Variation d'énergie potentielle de pesanteur E pp et travail du poids : Considérons une altitude de référence z o = 0 m. Un solide de masse 'm' placé dans le champ de pesanteur terrestre 'g' à une altitude 'z' possède une énergie potentielle de pesanteur: Unité: E pp (J), m (kg), z(m). 3
La variation d'énergie potentielle d'un objet de masse m se déplaçant d'un point A d'altitude z A à un point B d'altitude z B est: On a vu que le travail du poids d 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 était: il vient -Variation d'énergie potentielle électrique et travail de la force électrostatique a- énergie potentielle électrique Epe L'énergie potentielle électrique d'une charge q dont le potentiel électrique est V est: Unité: E pe ( ), q( ), V( ) b- variation d'énergie potentielle électrique et travail de la force électrique La variation d'énergie potentielle électrique entre le point A de potentiel V A et le point B, de potentiel V B est: Or le travail de la force conservative électrostatique entre le point A et le point B est: Par conséquent le travail de la force conservative électrique est égale à l'opposé à la variation de l'énergie potentielle électrique: Généralisation: la variation d'énergie potentielle d'un système se déplaçant d'un point A à un point B est égale à l'opposé de la somme des travaux effectués par les forces conservatives entre le point A et le point B: 3- l'énergie mécanique: cas du mouvement dans frottement a- théorème de l'énergie cinétique Le théorème de l'énergie cinétique nous dit que la variation de l'énergie cinétique d'un système de masse m entre un point A et un point B est égale à la somme du travail des forces non conservatives (F nc ) et du travail des forces conservatives (F c ): Ec A B W AB (F nc ) W AB (F c ) 4
b- conservation de l'énergie mécanique Rappel: - l'énergie mécanique d'un système de masse m, se déplaçant à une vitesse v dans un champ de pesanteur uniforme g est: - la variation d'énergie potentielle de pesanteur entre les points A et B est: Lorsqu'un système en mouvement n'est soumis à aucune force de frottement (force non conservative) la variation d'énergie mécanique est nulle au cours du temps. L'énergie mécanique se conserve. En effet: L'énergie cinétique se transforme en énergie potentielle de pesanteur et inversement au cours du mouvement. http://physiquecollege.free.fr/lycee_premiere.htm 5