e Énergie · 2018-06-19 · Fichier ressources David Wilgenbus Astrophysicien Hélène Gaillard Professeur des écoles Gabrielle Zimmermann Biologiste Cycles 2 et 3 e Énergie E4161

Fichier ressourcesDavid Wilgenbus

Astrophysicien

Hélène GaillardProfesseur des écoles

Gabrielle ZimmermannBiologiste

Cycles 2 et 3

MatièreÉnergie

E4161 - Actisciences - FR - Titre.indd 1 10/07/2015 08:39

III

Sommaire

Introduction ....................................................................................................................................................................................... IV

Présentation de la mallette.................................................................................................................................... IV

Éclairage pédagogique concernant la démarche

d’investigation ................................................................................................................................................................................ VII

Bibliographie .................................................................................................................................................................................. XIII

Tableau récapitulatif des séances ...................................................................................................... XIV

LA MATIÈRE

Séquence 1 : L’air .................................................................................................................................................................... 2

Séquence 2 : L’eau et les états de la matière ............................................................ 36

Séquence 3 : Mélanges et solutions ............................................................................................ 74

L’ÉNERGIE

Séquence 1 : Qu’est-ce que l’énergie ? ............................................................................... 114

Séquence 2 : L’énergie se transforme, l’énergie se conserve .... 131

Séquence 3 : Énergies fossiles et énergies renouvelables ........ 145

Livre Matiere et energie.indb 3 24/07/15 16:35

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L’énergie

Cette partie est constituée de trois séquences qui permettent d’aborder :– ce qu’est l’énergie, pour en trouver une définition « utilitaire », et quelles sont les différentes formes d’énergie (potentielle ou cinétique) ;– le fait que l’énergie peut se transformer d’une forme à une autre ;– la distinction entre les différentes sources d’énergies et le fait que certaines énergies soient appe-lées « fossiles » et d’autres « renouvelables ».

Sommaire

Séquence 1 Qu’est-ce que l’énergie ? ........................................................................................................... 114Séance n° 1 Les sens du mot « énergie » ......................................................................................................... 116Séance n° 2 L’énergie potentielle : une question de position ........................................................... 121Séance n° 3 Utiliser l’énergie potentielle d’un objet pour en déplacer un autre ............... 124Séance n° 4 L’énergie cinétique : une question de vitesse ................................................................ 127

Séquence 2 L’énergie se transforme, l’énergie se conserve .................................................... 131Séance n° 1 L’énergie se transforme ..................................................................................................................... 133Séance n° 2 Frottements et « pertes » d’énergie .......................................................................................... 136Séance n° 3 Transformation d’énergies électrique et mécanique :

le moteur et l’alternateur .................................................................................................................. 139Bilan Les transformations d’énergie ...................................................................................................... 142

Séquence 3 Énergies fossiles et énergies renouvelables ............................................................ 145Séance n° 1 Énergies fossiles et énergies renouvelables .................................................................... 147Séance n° 2 Exploiter l’énergie du Soleil : fabrication d’un four solaire ..................................... 153Séance n° 3 Exploiter l’énergie du Soleil : produire de l’électricité ................................................. 158Séance n° 4 Exploiter l’énergie de l’eau : le moulin .................................................................................. 162Séance n° 5 Exploiter l’énergie de l’eau : fabrication d’une centrale électrique ................. 164


114 L’énergie • Séquence 1Actisciences • Matière et énergie © Éditions Sed, 2015

Séquence 1Qu’est-ce que l’énergie ?

Présentation de la séquence

Cette séquence comporte quatre séances dont certaines permettent d’aborder des notions qui, bien que non présentes explicitement dans les programmes, nous semblent essentielles pour comprendre ce qu’est l’énergie (l’énergie est au programme… mais n’est jamais définie !). Nous renvoyons le lecteur à l’éclairage pédagogique de la séance n° 1 pour la justification de ce travail.

Au cours de cette séquence, les élèves commencent par évoquer les différents sens du mot « énergie » et en trouvent une définition « utilitaire » : l’énergie est le « prix à payer » pour provoquer un changement (de position, de vitesse, de température...). À travers des expériences simples (lâcher de billes, levier, contrepoids…), ils réalisent qu’un objet peut posséder plus ou moins d’énergie selon sa position, sa vitesse et sa masse. Un parallèle est effectué avec la sécurité routière (rôle de la vitesse dans l’énergie libérée par un choc).

Le schéma ci-dessous permet de suivre la progression notionnelle de la séquence.

Séquence « Qu’est-ce que l’énergie ? »

Séance n° 2 Séance n° 4

Les objets ont une énergie liée à leur position : c’est l’énergie potentielle.

Les objets ont une énergie liée à leur vitesse : c’est l’énergie cinétique.

Séance n° 1

Le mot « énergie » possède plusieurs significations en français.

Séance n° 1

En science, l’énergie est ce qu’il faut dépenser pour modifier un objet (sa température, sa position, sa vitesse, sa forme, sa couleur).

Séance n° 2

Laisser tomber un objet libère de l'énergie (bruit, cratère).

Séance n° 4

L’énergie cinétique est plus importante si l’objet est massif.

Séance n° 4

L’énergie cinétique est plus importante

si l’objet va vite.

Séance n° 2

L’énergie potentielle est plus importante si l’objet est laché

d’une grande hauteur.

Séance n° 2

L’énergie potentielle est plus importante si l’objet est massif.

Séance n° 4

La vitesse est dangereuse

sur la route.Séance n° 3

On peut utiliser cette énergie pour mettre en mouvement un autre objet.


115 L’énergie • Séquence 1

Actisciences • Matière et énergie © Éditions Sed, 2015

Résumé des séances

Séance Modalités d'investigation Résumé

Séance n° 1

Les sens du mot « énergie »

Étude documentaire Les élèves s’interrogent sur les différents sens du mot « énergie » et sur les situations de la vie quotidienne mettant en jeu cette notion. Ils utilisent une définition opérationnelle de l’énergie.

Séance n° 2L’énergie potentielle : une question de position

Expérimentation Les élèves réalisent une expérience consistant à lâcher une bille sur un sol meuble. Ils réalisent que l’énergie libérée dépend de la masse de la bille et de sa hauteur initiale.

Séance n° 3Utiliser l’énergie potentielle d’un objet pour en déplacer un autre

Expérimentation Les élèves sont confrontés à un défi : déplacer un objet en utilisant un second objet qui perd de l’altitude. Ils réinvestissent ainsi la notion d’énergie potentielle, qui dépend de la masse et de la hauteur.

Séance n° 4L’énergie cinétique : une question de vitesse

Étude documentaire Expérimentation

À partir d’un document sur la sécurité routière, les élèves réalisent que les objets ont une énergie liée à leur mouvement. Ils comprennent que cette énergie dépend de leur masse et leur vitesse.



Séance n° 1 Les sens du mot « énergie »

Résumé Les élèves s’interrogent sur les différents sens du mot « énergie » et sur les situations de la vie quotidienne mettant en jeu cette notion. Ils utilisent une définition opérationnelle de l’énergie.

Notions • Le mot « énergie » a plusieurs significations en français.• En science, l’énergie est ce qu’il faut dépenser pour modifier un objet (sa température, sa position, sa vitesse, sa forme, sa couleur...).

Modalité d’investigation Étude documentaire individuelle

Matériel fourni • Pour chaque élève :– la photocopie de la fiche n°1.

Lexique • L’énergie : c’est un mot qui vient du grec energeia qui signifie « force en action ». L’énergie est la capacité pour un objet ou une substance à produire une action : provoquer un mouvement, fournir de la chaleur, émettre de la lumière...

Durée 1 heure

Éclairage scientifique préalable pour l’enseignant : qu’est-ce que l’énergie ?

La gratuité, en physique, ça n’existe pas. Dès lors que l’on veut « faire quelque chose », il faut en payer le prix. Ce prix, c’est l’énergie. L’énergie entre en jeu quand on veut mettre un objet en mouvement, changer sa température, sa forme, sa couleur, sa composition chimique, etc.

Du point de vue du physicien, la notion de « source d’énergie » n’a aucun sens (pas plus que celle « d’énergie renouvelable »), puisque l’énergie ne peut être ni créée ni détruite. Elle est là « dès le départ » et se conserve en passant d’une forme à une autre. Par exemple, l’éo-lienne ne « crée » pas d’énergie : elle transforme l’énergie liée au mouvement de l’air (énergie cinétique) en énergie électrique. L’énergie ciné-tique de l’air est elle-même obtenue grâce à l’énergie solaire (les écarts de température, dans l’atmosphère, engendrent des écarts de pression, et donc du vent) ; l’énergie solaire étant elle-même obtenue par la fusion ther-monucléaire dans notre étoile… Cette notion de « source » est, néanmoins, communément utile pour indiquer que certaines formes d’énergie

sont directement exploitables par l’homme (les « sources primaires » comme l’énergie solaire ou éolienne) et d’autres non (les « sources secon-daires » comme l’électricité qui implique la transformation préalable d’une source primaire pour la produire). Les sources d’énergie seront étudiées lors de la séquence 3.

Ce qui a du sens, pour le physicien, c’est la notion de « forme d’énergie ». On distingue de nombreuses formes d’énergie. Voici les plus courantes :– l’énergie potentielle : elle dépend de la position de l’objet considéré (par exemple de l’eau retenue dans un barrage d’altitude) ;– l’énergie cinétique : elle dépend de la vitesse de l’objet (par exemple l’eau qui dévale les pentes de la montagne) ;– l’énergie mécanique : elle est la somme des deux énergies précédentes, potentielle et ciné-tique (par exemple l’eau lâchée d’un barrage a de l’énergie potentielle, car elle a été stockée en altitude, et de l’énergie cinétique, car elle est en mouvement) ;




– l’énergie thermique : elle dépend de l’agita-tion désordonnée des molécules et atomes qui composent l’objet (plus l’objet est chaud, plus cette agitation est importante) ;– l’énergie chimique : elle dépend des liaisons entre les atomes et les molécules. Lorsque plusieurs atomes se lient entre eux pour former des molécules, ils stockent de l’énergie sous une forme particulière appelée énergie chimique. On peut récupérer cette énergie en brisant les liai-sons chimiques, par exemple, ou en les faisant brûler, en les digérant, en les dissolvant... Cette forme d’énergie entre systématiquement en jeu dans les organismes vivants qui ne peuvent vivre que grâce à des réactions chimiques (respiration, digestion, photosynthèse...) ;– l’énergie nucléaire : tout comme l’énergie chimique, elle vient de la liaison des constituants de l’objet… mais à une échelle plus petite : il s’agit des liaisons entre protons et neutrons au sein des noyaux des atomes.Il est possible d’illustrer ces différentes formes d’énergie. Par exemple, un ressort fortement comprimé emmagasine de l’énergie, sous forme d’énergie potentielle, qui peut être libérée quand on le relâche. Cela crée un mouve-ment, donc de l’énergie cinétique. Une voiture possède plus d’énergie (sous forme cinétique) en roulant à 100 km/h qu’à 10 km/h et un camion, à vitesse égale, possède plus d’énergie qu’une voiture, car sa masse est supérieure. Le corps humain stocke une certaine quantité

d’énergie sous forme d’énergie chimique (via l’alimentation) et peut convertir cette énergie en chaleur, ou bien en énergie cinétique (mouve-ment) par exemple.

Si le concept d’énergie émerge dès l’Anti-quité (energeia en grec signifie « force en action »), il faut attendre le XIXe siècle pour qu’il devienne un concept universel, permettant de relier des phénomènes très différents entre eux. L’unité de mesure d’énergie est introduite : c’est le Joule (J). C’est une unité assez petite : 1 Joule, c’est l’énergie qu’il faut dépenser pour soulever une pomme d’un mètre de haut. Notre corps consomme environ 10 millions de Joules chaque jour (cette énergie est fournie par l’ali-mentation) pour maintenir notre température, bouger, digérer, penser…

Pour plus de commodité, on a défini d’autres unités de mesure d’énergie. Les plus courantes sont :

– la calorie (cal) : une calorie, c’est l’énergie nécessaire pour augmenter la température d’1 g d’eau d’1 °C. 1 cal = 4,2 J. Une barre chocolatée de 100 g, par exemple, apporte à notre corps 500 kcal (c’est-à-dire 500 000 cal) ;

– le kilowattheure (kWh) : 1 kWh, c’est l’énergie consommée par un appareil de puissance 1 000 W, pendant 1 heure. 1 kWh = 3,6 millions de Joules (le corps humain consomme donc environ 3 kWh par jour).

Situation déclenchante (collectivement)• Demander aux élèves ce qu’est l’énergie et recueillir leurs représentations au tableau.

• À l’aide de leurs représentations, évoquer les différents sens du mot « énergie » dans la langue fran-çaise. Pour les élèves, ce mot peut servir à caractériser à la fois :– la force physique d’une personne (vigueur, force, tonus, punch, puissance, alimentation, effort…) ;– la force morale d’une personne (nerf, audace, dynamisme, caractère déterminé…) ;– une entité mystique, ésotérique ou spirituelle (énergie divine, « fluide » corporel, esprit…) ;– un concept physique (grandeur qui se conserve et se transforme… et qui mesure la capacité à provo-quer un changement, quel qu’il soit) qui peut se manifester sous différentes formes (énergie potentielle, cinétique, électrique, chimique, nucléaire...) ;– des sources d’énergie ou des filières industrielles (énergies fossiles, éolienne, solaire, nucléaire, renou-velables…).

• Il ne s’agit pas, ici, de différencier finement tous ces concepts, mais de prendre conscience du fait que le mot « énergie » est un mot « fourre-tout ». Le fait de connaître ce mot (ce qui est le cas chez tous les élèves) ne signifie absolument pas que l’on comprend la notion scientifique qui y est associée.

• Faire remarquer que, bien souvent, le mot « énergie » est associé à la notion d’effort. Expliquer alors que, pour un scientifique, l’énergie c’est « ce qu’il faut dépenser » pour changer quelque chose : la position



ou la vitesse d’un objet, sa température, son état et même sa couleur ou sa composition chimique (ne mentionner ces deux dernières que si elles sont apparues dans la discussion ; les ignorer sinon).

Étude documentaire (individuellement)• Distribuer à chaque élève une photocopie de la fiche n° 1.

• En ce début de séquence, la notion de « formes d’énergie » n’est pas encore très claire. Il est préférable de se concentrer sur les « sources » (électricité, pétrole, soleil, vent, alimentation…). L’électricité est un cas difficile : c’est une source, certes, mais une source secondaire (produite à l’aide d’une autre source : uranium, charbon, Soleil, vent, eau…) : cette distinction peut être ignorée à ce stade. Nous reviendrons sur les formes et sources d’énergie à la séquence 3.

Mise en commun• Comparer les propositions des élèves et faire remarquer que TOUTES les actions, quelles qu’elles soient, nécessitent de l’énergie. Il faut de l’énergie pour : – chauffer l’eau du bain (et même pour amener l’eau jusque dans la baignoire !) ;– éclairer une pièce ;– faire fonctionner un ordinateur, un réfrigérateur… ;– marcher ;– faire du vélo ;– faire avancer une voiture ;– cuire un aliment ;– faire disparaître une tache sur un vêtement (grâce, notamment, à des réactions chimiques qui néces-sitent de l’énergie !) ;– faire pousser la végétation....

• Les formes et sources d’énergie mobilisées sont très variées.




ConclusionRédiger collectivement quelques phrases résumant les connaissances découvertes durant la séance, et les noter dans les cahiers de science. Par exemple :

L’énergie, c’est ce qu’il faut dépenser dès que l’on veut changer quelque chose (température, position, vitesse, forme, couleur…).

Comparer cette définition avec le relevé de représentations effectué en début de séance et bien insister sur le fait que, désormais, c’est la définition scientifique qui nous intéresse.

Éclairage pédagogique pour l’enseignant

Le thème de l’énergie est un thème délicat à l’école primaire, tout comme au collège ou au lycée, dans la mesure où on demande aux élèves de manipuler un concept qui n’est en général pas défini. L’énergie devient un mot « fourre-tout » qui englobe un concept physique (lié au changement, voir ci-dessus), des formes d’énergie (cinétique, potentielle...) et des sources d’énergie (Soleil, charbon etc.), voire des filières industrielles (le pétrole, le nucléaire...). L’objet de cette séance est à la fois de prendre conscience de cette multiplicité de sens possibles, mais aussi de donner une définition scientifique « opérationnelle » de ce qu’est l’énergie (le prix à payer pour effectuer un changement).

Les séances suivantes ont pour objectif de comprendre ce qu’est une « forme » d’énergie, à travers un premier exemple, l’énergie poten-tielle, puis un second, l’énergie cinétique. Ces notions ne sont pas à proprement parler inscrites dans les programmes de l’école primaire, qui

se concentrent davantage sur les « sources » d’énergie (et notamment leur caractère renou-velable ou non).

Nous pensons néanmoins que ces séances sont très utiles car, sans savoir ce qu’est une forme d’énergie, comment comprendre que l’énergie se conserve en passant d’une forme à une autre (notion qui, elle, est explicitement au programme) ?

Par ailleurs, les élèves confondent souvent forme et source d’énergie. Le meilleur remède, selon nous, est justement d’étudier les deux pour bien comprendre leur différence.

Voilà pourquoi il peut être utile de déborder (très légèrement !) des programmes pour conso-lider ces notions abstraites. Ceci étant dit, cette séquence n’a rien d’obligatoire : la classe peut parfaitement démarrer son travail sur l’énergie par la séquence 2 (conservation et transforma-tion) ou même par la séquence 3 (énergies renouvelables).


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Fiche n° 1

Q u’est-ce que l’énergie ?

Nom : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Date : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Relève toutes les situations dans lesquelles de l’énergie est nécessaire.

À chaque fois, explique quelle source d’énergie est utilisée et pour quoi faire.

L’énergie • Séquence 1Actisciences • Matière et énergie © Éditions Sed, 2015




Séance n° 2 L’énergie potentielle : une question de position

La mise en situation de cette séance a été proposée sur une idée de Katia Allégraud, physicienne membre de la Fondation La main à la pâte. Les auteurs l’en remercient !

Résumé Les élèves réalisent une expérience consistant à lâcher une bille sur un sol meuble. Ils réalisent que l’énergie libérée dépend de la masse de la bille et de sa hauteur initiale.

Notions • Laisser tomber un objet libère de l’énergie (bruit, choc, cratère...).• Les objets ont une énergie liée à leur position : c’est l’énergie potentielle.• L’énergie potentielle est plus importante si l’objet est massif.• L’énergie potentielle est plus importante si l’objet est lâché d’une grande hauteur.

Modalité d’investigation Expérimentation par groupes de 4 élèves

Matériel fourni • Selon les groupes :– atelier 1 : 3 billes de même masse et de diamètres différents (balle de ping-pong, bille en plastique, bille en polystyrène) ;– atelier 2 : 3 billes de même diamètre et de masses différentes (billes en acier, en plastique et en papier) ;– atelier 3 : 1 bille en acier.

Matériel à se procurer • Pour la classe :– une balance électronique (type balance de cuisine) ;– de la pâte à modeler (si l’on souhaite fabriquer d’autres billes – facultatif ).• Pour chaque groupe de 4 élèves :– 1 kg de semoule à grain moyen ;– une bassine ou saladier de diamètre compris entre 20 et 25 cm ;– un compas ;– une règle.

Lexique L’énergie potentielle : les objets ont une énergie liée à leur position : c’est l’énergie potentielle. Plus l’objet est lourd, plus cette énergie est importante. Plus il est placé en hauteur, plus cette énergie est importante.

Durée 1 heure

Situation déclenchante (collectivement)• Introduire la séance en évoquant l’impact météoritique du Yucatan (cf. « Éclairage scientifique pour l’enseignant ») qui a provoqué, entre autres, la disparition des dinosaures, il y a 66 millions d’années. Le fait que cet événement ait eu de telles conséquences signifie, en soi, qu’il y a eu de l’énergie en jeu (rappel de la séance précédente : l’énergie est ce qu’il faut dépenser pour changer quelque chose).

• Présenter le matériel aux élèves et leur expliquer que la classe va simuler des impacts de météorite (en faisant tomber une bille dans un bac rempli de semoule). Faire une première expérience collectivement (un simple lâcher) et observer que cela provoque la formation d’un cratère.



• Leur demander comment on peut savoir si l’impact a libéré peu ou beaucoup d’énergie. Sans difficulté, les élèves pensent à mesurer la taille du cratère (plus exactement, le diamètre). Vérifier collectivement que les élèves savent comment mesurer ce diamètre (à l’aide d’un compas, puis en reportant l’écartement sur une règle). Conseil : mesurer le diamètre externe du cratère (il est également possible de mesurer la profondeur du cratère, mais les résultats sont moins significatifs qu’avec le diamètre).

• Demander de quoi va dépendre l’énergie libérée. Les élèves pensent en général à la hauteur à partir de laquelle on lâche la bille, à sa vitesse (le fait de la lâcher ou de la jette violemment), à la masse de la bille, à sa taille, etc.

• Expliquer aux élèves qu’on étudiera l’effet de la vitesse plus tard, et qu’on va se concentrer sur les autres paramètres. Pour cela, il faudra donc lâcher les billes sans vitesse initiale (sans « élan »).

Expérimentation (par groupes de 4 élèves)• Répartir les élèves en groupes. Chaque groupe ne travaille que sur un seul paramètre (en fonction des effectifs de la classe, chaque atelier sera mis en œuvre par un ou plusieurs groupes) : – le diamètre de la bille (atelier 1) : les élèves vont tester des lâchers, d’une même hauteur, avec 3 billes ayant la même masse mais des diamètres différents ;– la masse de la bille (atelier 2) : les élèves vont tester des lâchers avec 3 billes ayant le même diamètre mais des masses différentes (les lâchers seront effectués à la même hauteur) ; – la hauteur (atelier 3) : les élèves vont tester des lâchers de la bille en acier à différentes hauteurs. • Au préalable, chaque groupe doit dessiner l’expérience à réaliser et expliquer le résultat attendu (par exemple : plus la bille est lourde, plus le diamètre du cratère sera grand).

• Quand les dessins et les prévisions ont été réalisés, les élèves font les expériences et notent leurs mesures (masse ou diamètre de la bille, hauteur du lâcher et taille du cratère) à coté de leurs prévisions initiales (distinguer les hypothèses et les résultats).

Mise en commun• Comparer les résultats obtenus par les différents groupes.• L’expérience montre que la forme ou le diamètre de la bille n’ont pas d’importance. En effet, le diamètre du cratère augmente avec la masse de la bille et la hauteur du lâcher. • Noter les résultats des différents groupes dans le cahier de science.• Introduire la notion d’énergie potentielle, qui dépend de la position d’un objet, et de sa masse.





Les objets ont une énergie liée à leur position : c’est l’énergie potentielle. Plus l’objet est lourd, plus cette énergie est importante. Plus il est placé en hauteur, plus cette énergie est importante.

Éclairage scientifique pour l’enseignantIl y a 66 millions d’années, une météorite

de 10 km de diamètre s’est écrasée sur Terre près de l’actuel Mexique, dans la péninsule du Yucatan (la ville de Chicxulub a donné son nom au cratère). L’énergie libérée par l’impact fut colossale : plusieurs milliards de fois l’énergie d’une bombe atomique comme celle d’Hiro-shima !

Un immense panache de cendres et de débris rocheux incandescents fut projeté dans la haute atmosphère et, en retombant, provoqua des incendies sur toute la planète. Les cendres en suspension ont plongé la planète entière dans une nuit permanente pendant plusieurs années, provoquant la mort de nombreux végé-taux, puis d’herbivores et de carnivores. Après avoir été longtemps controversée, l’hypothèse d’un impact météoritique majeur, associé à un volcanisme particulièrement actif, fait désormais consensus pour expliquer l’extinction massive Crétacé-Tertiaire.

Cette séance propose de modéliser l’énergie libérée lors d’un impact de type « impact de météorite », mais avec une bille qui tombe dans un bac de semoule. La forme d’énergie étudiée dans cette séance est l’énergie poten-tielle. La bille est plongée dans un « champ » gravitationnel (celui de la Terre, essentiellement). Plus elle s’éloigne du centre de la Terre, et plus elle stocke de l’énergie sous forme potentielle, c’est-à-dire sous une forme qui peut « poten-tiellement » être libérée, si on lâche la bille par exemple. Dans ce cas, l’énergie se transforme

en énergie cinétique (mouvement), puis, lors de l’impact, en énergie thermique (les tempéra-tures de la semoule et de la bille augmentent, mais cette augmentation n’est pas mesurable à l’école primaire) et en énergie mécanique (éjection de matière, déformation du matériau, onde sismique…).

En général, quand on parle d’énergie poten-tielle, on signifie implicitement l’énergie poten-tielle de pesanteur (ou gravitationnelle), car le champ qui nous intéresse est le champ de gravité. Mais il existe d’autres champs, comme le champ électromagnétique par exemple. Une bille n’est pas sensible à un tel champ, car elle est électriquement neutre. Un électron, en revanche, aura une énergie potentielle qui dépendra de sa position dans le champ élec-tromagnétique créé par un aimant.

Concernant la pesanteur, tous les corps qui possèdent une masse sont sensibles à ce champ… et donc tous possèdent une énergie potentielle qui dépend à la fois de leur masse et de leur position dans le champ. Sur Terre, ce qui compte, c’est donc l’altitude. L’énergie poten-tielle gravitationnelle est égale à m × g × h ou m est la masse, h la hauteur et g est une constante utile pour convertir dans la bonne unité (on l’appelle la constante de gravitation).

Notons que cette notion de champ est bien trop complexe pour l’école primaire, et même pour le collège. Nous la mentionnons ici pour la culture personnelle de l’enseignant !



Séance n° 3 Utiliser l’énergie potentielle d’un objet pour en déplacer un autre

Résumé Les élèves sont confrontés à un défi : déplacer un objet en utilisant un second objet qui perd de l’altitude. Ils réinvestissent ainsi la notion d’énergie potentielle, qui dépend de la masse et de la hauteur.

Notions • On peut utiliser un objet qui perd de l’altitude pour en déplacer un autre.• Les objets ont une énergie liée à leur position : c’est l’énergie potentielle.• L’énergie potentielle est plus importante si l’objet est massif.• L’énergie potentielle est plus importante si l’objet est lâché d’une grande hauteur.

Modalité d’investigation Expérimentation par groupes de 4 élèves.

Matériel fourni • Pour la classe :– une poulie.

Matériel à se procurer • Pour la classe :– un pic en bois (pour le fonctionnement de la poulie) ;– de la ficelle.

• Selon les groupes : – des règles ;– des objets cylindriques (bouchons de liège, tubes de colle…) ;– de la ficelle ;– de la pâte à modeler ;– des objets plats et d’autres objets de différentes masses.

Durée 1 heure

Situation déclenchante (par groupes de 4 élèves)

• Répartir les élèves en groupes.

• Revenir sur la conclusion de la séance précé-dente (un objet placé en hauteur stocke de l’énergie), puis demander aux groupes d’ima-giner au moins deux expériences permettant de récupérer l’énergie potentielle d’un objet pour en déplacer un autre. Insister sur la nécessité d’utiliser deux objets : un que l’on veut déplacer et un qui fournit son énergie pour déplacer le premier objet.

• Chaque groupe doit réaliser les schémas des expériences imaginées.

• En cas de difficulté, leur montrer le matériel disponible.




Expérimentation (par groupes de 4 élèves)• Une fois les expériences schématisées, les groupes peuvent prendre le matériel à leur disposition et les réaliser.• Les élèves peuvent penser, par exemple, au principe du levier (schéma 1 – très facile à trouver) ou à l’utilisation d’un plan incliné (un objet tombe sur ce plan incliné et choque le second objet, qui est alors mis en mouvement – schéma 2). L’utilisation d’un contrepoids (schéma 3), très intéressante, n’est pas toujours proposée spontanément par les élèves et peut donc nécessiter une discussion collective.

Bouchon en liège

Règle

A

A

BB

Schéma 1 Schéma 2

A

B

Schéma 3

Mise en commun• Quelques groupes viennent présenter une expérience chacun (en fonction de la variété de ce qui a été fait précédemment).

• Faire ressortir le fait que l’on a réussi à mettre un objet en mouvement : on a donc dépensé de l’énergie. Demander aux élèves ce qui a fourni cette énergie. Ils doivent en conclure que cette énergie était stockée sous forme d’énergie potentielle : mettre une masse en hauteur est une façon de stocker de l’énergie réutilisable par la suite. Insister sur cet aspect nouveau pour les élèves (qui, souvent, pensent que la seule façon de stocker de l’énergie est de le faire grâce à un réservoir d’essence ou à une pile électrique).

• Évoquer l’existence des barrages hydrauliques (sans trop entrer dans le détail car cela sera abordé au cours de la séquence 3) : une grande masse d’eau est stockée en altitude et, quand on le souhaite, on la fait s’écouler pour récupérer son énergie et ainsi produire de l’électricité.

• Poser une nouvelle situation problème : un objet est posé au sol, un autre est placé en hauteur (sur la table par exemple) ; comment soulever l’objet au sol ? Si cela n’est pas proposé par les élèves, intro-duire le matériel disponible (poulie, ficelle) et montrer comment il fonctionne. L’expérience la plus simple consiste à attacher les deux objets aux deux extrémités de la ficelle : lorsque l’objet placé en hauteur tombe (on le pousse de la table), l’objet initialement par terre monte, grâce à la poulie.



A

A B

B

Schéma 4


On peut utiliser un objet qui perd de l’altitude pour en déplacer un autre. Placer une masse en altitude est une façon de stocker de l’énergie.

Variante

On peut aussi démarrer la séance en dessinant les quatre expériences au tableau (principe du levier contrepoids, plan incliné et poulie) et en demandant aux élèves ce que ces expériences ont en commun.

Éclairage scientifique pour l’enseignantD’après l’architecte romain Vitruve, le treuil

aurait été inventé par Archimède en 236 avant J.-C. Il est cependant probable qu’un tel dispo-sitif ait été employé bien plus tôt, notamment pour la construction des pyramides.

Le treuil, grâce à la poulie, permet de déporter le sens de l’effort. Pour soulever une charge, il n’est plus nécessaire d’effectuer une

traction vers le haut (très difficile), mais horizon-talement (des hommes ou des bêtes peuvent le faire), voire verticalement, en utilisant un contre-poids. L’énergie potentielle du contrepoids est transmise à la charge à soulever, par l’intermé-diaire de la poulie.

Aujourd’hui encore, les contrepoids sont utilisés dans les ascenseurs.




Séance n° 4 L’énergie cinétique : une question de vitesse

Résumé À partir d’un document sur la sécurité routière, les élèves réalisent que les objets ont une énergie liée à leur mouvement. Ils comprennent que cette énergie dépend de leur masse et leur vitesse.

Notions • Les objets ont une énergie liée à leur vitesse : c’est l’énergie cinétique.• L’énergie cinétique est plus importante si l’objet est massif.• L’énergie cinétique est plus importante si l’objet va vite.

Modalité d’investigation Étude documentaire individuelle

Matériel fourni • Pour chaque élève :– la photocopie de la fiche n° 2.• Pour la classe :– une bille assez massive.

Matériel à se procurer • Pour la classe :– de la semoule ;– un bac pour contenir la semoule.

Lexique • L’énergie cinétique : Les objets ont une énergie liée à leur vitesse. L’énergie cinétique augmente si l’objet se déplace plus vite ou s’il est plus massif.

Durée 1 heure (1 heure 30 si les élèves n’ont jamais travaillé sur des graphiques auparavant)

Situation déclenchante (collectivement)• Revenir à l’impact d’une bille lâchée dans un bac de semoule vu lors de la séance n° 2 et faire le paral-lèle avec l’énergie libérée lors d’un impact en voiture (lors d’un accident). De quoi dépend cette énergie ? Qu’est-ce qui fait que le choc est plus ou moins violent ?

• L’hypothèse de la vitesse ne pose aucun problème, les élèves ayant déjà été en général sensibilisés aux questions de sécurité routière.

Étude documentaire (individuellement)• Distribuer à chaque élève une photocopie de la fiche n° 2.

• Les réponses aux questions sont :

1. La voiture roulant à 60 km/h met plus de temps à s’arrêter que celle roulant à 30 km/h car elle possède une plus grande énergie cinétique. Pour s’arrêter, il faut dissiper plus d’énergie, ce qui prend plus de temps.

2. Le tableau montre que le camion possède une plus grande énergie cinétique car il est plus massif.



C’est donc lui qui occasionne le plus de dégâts en cas de choc.3. Les courbes ressemblent à ceci :

Énergie cinétique d’un véhicule

Vitesse (en km/h)30

0

5 000

10 000

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Énergie (en kJ)

Camions

Voitures

Note : le premier point (56 kJ) ne peut pas être placé avec exactitude sur le graphique : il suffit de décider de le mettre entre 50 et 60 kJ, une telle précision est largement suffisante ici.

4. Pour le savoir, il faut utiliser les courbes tracées : pour une voiture, un peu moins de 500 J, et pour un camion, un peu plus de 5 000 J.

Mise en commun • Corriger les différentes questions collectivement.

• Expliquer que l’énergie liée à la vitesse s’appelle l’énergie cinétique (kinesis : « mouvement » en grec) : elle est d’autant plus grande que l’objet est massif et qu’il se déplace rapidement.

• Demander aux élèves comment on peut montrer, dans l’expérience du lâcher de bille dans la semoule, que l’énergie cinétique augmente avec la vitesse. Il suffit de faire plusieurs lâchers, avec une vitesse initiale nulle (sans élan) ou en lançant la bille avec plus ou moins de force.

• Réaliser l’expérience collectivement (sinon, le risque est grand que les élèves lancent très fort leurs billes et mettent de la semoule partout !) et constater que, plus la vitesse du lancer est élevée, plus le diamètre du cratère est grand.

ConclusionRédiger collectivement quelques phrases résumant les connaissances découvertes durant la séance, et les noter dans les cahiers de science. Par exemple :Les objets ont une énergie liée à leur vitesse : c’est l’énergie cinétique. Cette énergie augmente si l’objet se déplace plus vite ou s’il est plus massif. Pour cette raison, la vitesse est un danger sur la route !




Éclairage scientifique pour l’enseignantLe terme « cinétique » vient du grec kinesis,

qui signifie « mouvement ». L’énergie cinétique est donc l’énergie qu’un corps possède en raison de son mouvement. Elle ne dépend que de la masse de l’objet et de sa vitesse.

On la calcule simplement : 1

2 × m × v2

C’est aussi l’énergie nécessaire pour arrêter le mouvement d’un objet.

Cette énergie cinétique entre cruellement en jeu en cas d’accident de la route. Une voiture est un véhicule très massif (plus d’une tonne en général), et se déplaçant vite. À 30 km/h, l’énergie cinétique est de l’ordre de 50 kJ, en fonction de la masse de la voiture. Lors d’un choc avec un piéton, cette énergie est brutalement transmise au piéton, sous forme d’énergie thermique et d’énergie mécanique (déformation, éjection…). À titre de compa-raison, un vélo (poids total de 80 kg, avec son passager) possède une énergie cinétique de

3 kJ à la même vitesse : les dégâts ne sont pas les mêmes ! Pour obtenir les mêmes dégâts qu’avec la voiture, il faudrait qu’il roule à plus de 200 km/h !

Dans l’expérience de la bille et du cratère, différentes formes d’énergie entrent en jeu :– lorsqu’on place une bille en hauteur, on lui donne une certaine énergie potentielle ;– lorsqu’on la lâche, son énergie potentielle se transforme en énergie cinétique : plus on la lâche de haut, plus elle tombe vite !– lors du choc, l’énergie cinétique est trans-formée en énergie thermique ou mécanique (déformation, éjection…).

L’énergie thermique est, elle-même, une forme d’énergie cinétique, mais microscopique : c’est la somme de l’énergie cinétique de tous les atomes ou molécules qui composent l’objet considéré (ces atomes ou molécules bougent de façon désordonnée, leur vitesse moyenne dépendant de leur température).


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En t’aidant du texte et du tableau ci-dessous, réponds aux questions.

Sur la route, la vitesse est un danger. Plus un véhicule roule vite, plus il possède d’énergie. Pour s’arrêter, il faut évacuer cette énergie : plus il y en a à évacuer, plus c’est difficile.

En cas d’accident, cette énergie est libérée brutalement pendant le choc et peut causer d’importants dégâts matériels ou humains.

Vitesse

Énergie cinétique du véhicule

voiture de1 600 kg

Camion de 20 000 kg

30 km/h 56 kJ 700 kJ

50 km/h 150 kJ 1 900 kJ

100 km/h 620 kJ 7 700 kJ

130 km/h 1 000 kJ 13 000 kJ

Questions

1. Une voiture met-elle plus de temps à s’arrêter si elle roule à 30 km/h ou à 60 km/h ? Pourquoi ?

2. En cas d’accident à 100 km/h, quel est le véhicule qui cause le plus de dégâts : le camion ou la voiture ? Pourquoi ?

3. Trace, sur le graphique ci-contre, deux courbes : une montrant l’énergie cinétique d’une voiture en fonction de sa vitesse, et l’autre montrant la même chose pour un camion.

4. Comment savoir quelle est l’énergie libérée par un choc à 80 km/h ?

L’énergie • Séquence 1Actisciences • Matière et énergie © Éditions Sed, 2015

Énergie cinétique d’un véhicule

Vitesse (en km/h)30

0

5 000

10 000

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Énergie (en kJ)

Nom : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Date : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Fiche n° 2

Énergie et sécurité routière : le rôle de la vitesse


Documents

e Énergie · 2018-06-19 · Fichier ressources David Wilgenbus Astrophysicien Hélène Gaillard Professeur des écoles Gabrielle Zimmermann Biologiste Cycles 2 et 3 e Énergie E4161