L’EAU POTABLE – LA DÉFORESTATION – L’ÉNERGIE – LES CHANGEMENTS CLIMATIQUES

LA PRODUCTION ALIMENTAIRE - LES MATIÈRES RÉSIDUELLES

Chapitre 3

L’ÉNERGIE ET SES MANIFESTATIONS

1. Qu’est-ce que l’énergie

1.1 La loi de la conservation de l’énergie

1.2 Le rendement énergétique

1.3 L’énergie thermique

· La distinction entre « Chaleur et température »

· La relation entre la chaleur et la masse, la capacité thermique massique

et la température STE

1.4 L’énergie cinétique STE

· La relation entre l’énergie cinétique, la masse et la vitesse STE.

1.5 L’énergie potentielle STE

· La relation entre l’énergie potentielle gravitationnelle, la masse, l’intensité du champ gravitationnel et la hauteur STE.

1.6 L’énergie mécanique STE

· La relation entre l’énergie cinétique et l’énergie potentielle STE.

2. Le mouvement et les forces

2.1 Le mouvement STE

2.2 Les forces et la modification du mouvement STE.

2.3 Les types de forces STE

· La force gravitationnelle STE

2.4 L’équilibre entre deux forces (ATS)

2.5 La force efficace STE

2.6 Le travail STE

· La relation entre le travail et l’énergie STE

· La relation entre le travail, la force et le déplacement STE

Verdict (Devoir)

Diagnostic

1. Qu’est-ce que l’énergie (page 70)

· Définition : ____ L’énergie est la capacité d’accomplir un travail ou de provoquer un changement_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

· En science et technologie de secondaire 2, tu as appris que les plantes pour produire le glucose utilisaient une forme d’énergie en provenance du __ Soleil _______________________________.

· Dans le soleil l’énergie est produite à la suite de réaction ________ Nucléaires__________________.

· Le glucose produit par les plantes est lui-même une source d’énergie que les êtres vivants sont capables de libérer. On dira du glucose qu’il contient de l’énergie ______ Chimique _________________.

· L’énergie du glucose ainsi libérée sera transformée en d’autres formes d’énergie nécessaire à l’être vivant. Par exemple en énergie ________ Thermique _________ pour maintenir la température du corps mais aussi en énergie ____ Mécanique ___________ permettant ainsi d’effectuer des mouvements musculaires.

a) Voici quelques formes d’énergie et leurs sources possibles, complète ce tableau avec ton manuel ou avec Denis.

Forme d’énergie

Description

Exemples de sources

Énergie élastique

Énergie emmagasinée dans un objet dû à sa compression ou à son étirement.

1. Ressort comprimé

2. Élastique tendu

Énergie électrique

Énergie due au mouvement des électrons d’un atome à un autre

· Centrale électrique

· Pile

· Génératrice

Énergie thermique

Énergie due au mouvement désordonné des particules d’une substance.

· Feu

· Élément chauffant

· Soleil

Énergie rayonnante

Énergie transportée par une onde électromagnétique

· Ampoule

· Feu

· Four micro-ondes

· Soleil

· Tél. Cellulaire – TV -Radio

Énergie chimique

Énergie emmagasinée dans des liaisons d’une molécule.

· Pomme

· Cire d’une bougie

· Combustibles fossiles

Énergie éolienne

Énergie résultant du mouvement de l’air.

· Vent

Énergie sonore

Énergie contenue et transportée dans une onde sonore

· Son

· Musique

Énergie hydraulique

Énergie résultant du mouvement d’un cours d’eau.

· Chute d’eau

· Rivière

Énergie nucléaire

Énergie emmagasinée dans le noyau des atomes

· Noyau des atomes

· Soleil

b) Qu’est-ce que l’énergie contenue dans les aliments te permet de réaliser?

___ Marcher, de soulever une boîte de nous garder au chaud, etc._________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

c) En science on dira que l’énergie permet d’effectuer un _ TRAVAIL ______________________ (marcher ou soulever une boîte), ou un _________ CHANGEMENT _______________(dégager de la chaleur pour nous garder au chaud).

d) Dans le système international d’unités, l’énergie s’exprime en ___ JOULE _________ (J).

e) À quoi correspond 1 joule?

1 J = 1 N x 1 m

1 JOULE =L’énergie nécessaire pour déplacer un objet avec une force de 1 N sur une distance de 1 m

James Prescott Joule (24 décembre 1818, Salford, près de Manchester, Angleterre – 11 octobre 1889, Sale) est un physicien (et brasseur) britannique. Son étude sur la nature de la chaleur et sa découverte de la relation avec le travail mécanique l'ont conduit à la théorie de la conservation de l'énergie (la première loi de la thermodynamique). Il a également énoncé une relation entre le courant électrique traversant une résistance et la chaleur dissipée par celle-ci, appelée au XXe siècle la loi de Joule. Enfin il a travaillé avec Lord Kelvin pour développer l'échelle absolue de température et a étudié la magnétostriction. En 1850, il devient membre de la Royal Society. En 1852, il est lauréat de la Royal Medal et, en 1870, il reçoit la médaille Copley. Dans le système international, l'unité du travail porte son nom : le joule.

1.1 La loi de la conservation de l’énergie (page 71)

Définition :

_ La loi dit que l’énergie ne peut être ni créée, ni détruite, elle peut seulement être transférée ou transformée. L’énergie totale demeure constante._____________________________________________________________________________________________________________

Ex. :

Etotale = Ee = Ethermique= Ec = etc.

a) L’énergie électrique peut-elle être transportée? ________ OUI __________________________

b) Comment transporte-t-on l’énergie électrique?

________ Les lignes à hautes tension ____________________________________________

c) L’énergie peut également être transformée d’une forme à une autre.

Exemple :

L’énergie solaire est transformée au cours de la photosynthèse en énergie chimique

En science on dira que l’énergie solaire est transférée vers la plante et par la suite il y a transformation de l’énergie solaire en énergie chimique.

d) Donne la définition d’un TRANSFERT D’ÉNERGIE.

_____ Un transfert d’énergie est le passage de l’énergie d’un milieu à un autre .

Ex. : versez de l’eau chaude dans l’eau froide.___________________________________________________

e) Donne la définition d’une TRANSFORMATION D’ÉNERGIE.

____ Une transformation d’énergie est le passage de l’énergie d’une forme à une autre. Exemple électrique à lumineuse.________________________________________

f) Donne le nom d’un appareil qui transforme l’énergie électrique en énergie :

Nom de l’appareil

Calorifique

Sécheuse – cuisinière

Thermique

Séchoir à cheveux

Lumineuse

Ampoule – tube fluorescent

Sonore

Synthétiseur

Mécanique

Ventilateur

Chimique

Chargeur de batteries

1.2 Le rendement énergétique (page 72)

· Qu’est-ce que le rendement énergétique?

Le rendement énergétique est le % d’énergie consommée par une machine ou un système qui a été transformée en énergie utile.

x 100

· Quel est le pourcentage d’énergie chimique consommée par une auto sert réellement à son déplacement?

_________12%________________________________.

· Sous quelles formes retrouve-t-on le reste de l’énergie qui ne sert pas au déplacement de la voiture?

· __ Frottement entre les pièces – chaleur (4%)

· Échappement – ventilateur – etc

· Pompage de L’eau (air) (6 %)

· Dans le cas d’une ampoule incandescente, c’est seulement ________5 %_________________.

· Sous quelle forme retrouve-t-on surtout l’énergie consommée par l’ampoule incandescente?

__________________ Chaleur ____________________________________.

· La bicyclette est un des moyens de transport ayant le meilleur rendement énergétique. En effet __________90 %__________________ de l’énergie fournie par les muscles du cycliste sert effectivement à faire tourner les roues du vélo.

1.3 L’énergie thermique (Page 73)

a) Définition :

____ L’énergie thermique est l’énergie que possède une substance en raison de la quantité de particules qu’elle contient et de leur température (degré d’agitation).

Du point de vue microscopique, l’énergie thermique provient du mouvement désordonné de toutes les particules d’une substance.

Eau chaude Eau froide

b) Quels sont les deux facteurs pouvant expliquer la variation de l’énergie thermique dans une substance?

_______(1) Quantité de particules _____________________(2) Température de la Complète le tableau suivant :

Facteur

Variation du facteur

Résultat

Quantité de particules

Lorsque la quantité de particule augmente

Ethermique ↑

Lorsque la quantité de particule diminue

Ethermique ↓

Température

Lorsque la température augmente

Ethermique ↑

Lorsque la température diminue

Ethermique ↓

c) Si tu verses 100 ml d’eau chaude à 1000C dans un récipient contenant déjà 100 ml d’eau à 200C, l’eau chaude va transférer son énergie thermique à l’eau froide. Ce transfert d’énergie thermique porte le nom de Chaleur.

Donne une définition complète de la chaleur.

LA CHALEUR EST UN TRANSFERT D’ÉNERGIE THERMIQUE ENTRE DEUX MILIEUX DE TO DIFFÉRENTES. TOUJOURS DU CHAUD VERS LE FROID

d) Quelle est la relation mathématique entre la chaleur et l’énergie thermique :

Q = La chaleur en joule

Q = 𝞓Et

𝞓Et = variation d’énergie thermique

e) Quelle différence y a-t-il entre « CHALEUR » et « TEMPÉRATURE »?

Définition  de la « TEMPÉRATURE »

________ La température est une mesure du degré d’agitation des particules d’une substance

La distinction entre « Chaleur et température »

On confond souvent « Chaleur » et « Température ». Lorsque la température est élevée, on dit : « Il fait chaud! ». Pourtant, même sous le point de congélation, une substance a encore la capacité de transmettre de la chaleur. En fait, la température ne tient compte que de la vitesse des particules d’une substance. La chaleur, pour sa part, tient compte non seulement de la vitesse des particules (c’est-à-dire de leur degré d’agitation), mais aussi de leur masse (autrement dit, de la quantité de particules).

· La relation entre la chaleur et la masse, la capacité thermique massique et la température STE (page 74)

a) Lorsqu’on chauffe un cube de fer et un cube d’aluminium, que se passe-t-il avec leur température? _______ Leur température augmente ____________________________________.

b) Est-ce que la température des deux substances va augmenter avec la même vitesse?

________________ NON ________________________________________________________

c) Certaines substances ont besoins d’absorber plus de chaleur que d’autres pour augmenter leur température de 10C. Cette propriété caractéristique de la matière se nomme la :

« CAPACITÉ THERMIQUE MASSIQUE ».

Définition :

____ LA CAPACITÉ THERMIQUE MASSIQUE CORRESPOND À LA QUANTITÉ D’ÉNERGIE THERMIQUE QU’IL FAUT FOURNIR À 1 GRAMME D’UNE SUBSTANCE POUR AUGMENTER SA TEMPÉRATURE DE 1OC

Voici la capacité thermique massique de quelques substances :

Substance

Capacité thermique massique

Substance

Capacité thermique massique

Eau liquide

4,19

Verre

0,84

Éthanol

2,46

Sable

0,80

Glace

2,06

Fer

0,45

Huile végétale

2,00

Cuivre

0,38

Bois

1,76

Argent

0,24

Air

1,01

Tungstène

0,13

d) D’après le tableau, quelle substance a la plus grande « capacité thermique massique »?

_________ EAU _________________________________________________________________

Calcul de la chaleur absorbée ou dégagée par une substance STE (page 75)

Pour résoudre les problèmes suivants tu auras besoin de la formule de l’énergie thermique :

Q = m x c x Toù Q = _ La chaleur, c’est-à-dire la variation d’énergie thermique (en J)___

m = ________ représente la masse (en g)_

c = ___ représente la capacité thermique massique (en J/g x oC)______

T = _ La variation de TO (en oC)____________________

T = Tf – Ti où Tf = _____ Température finale (en OC)____

Ti = _____ Température initiale (en OC)____________

N.B.Si T est négatif, la substance a perdu de l’énergie thermique, c'est-à-dire qu’elle a dégagé de la chaleur.

Si T est positif, la substance a absorbé de la chaleur, elle a absorbé de la chaleur.

Exemple : Un bécher contenant 100 g d’eau passe de 200C à 440C. Calcul la quantité d’énergie thermique absorbée par l’eau.

Q = m x c x T

Q = 100g x 4,19 j/g x 0C x (44 - 20) 0C = 10 056 J

Exercices

1. Trouve l’énergie thermique absorbée ou libérée des problèmes suivants.

a) Un bécher contenant 100 g d’huile végétale passe de 200C à 440C.

Q = m x C x 𝞓T 100 g x 2,0 J/g x oC x (44-20) = 4800 J

b) Un bécher contenant 200 g d’eau passe de 200 à 440C.

Q = m x C x 𝞓T 200g x 4,19 J/g x 0C x 240C =

Rép. : 20 112 J

c) Un bécher contenant 100 g d’eau passe de 440C à 200C.

Q = m x C x 𝞓T 100g x 4,19 J/g x 0C x -240C =

Rép. : -10 056 J

d) Que peux-tu observer en regardant les réponses aux problèmes suivants?

Même si la variation de température est la même pour chacun des liquides, la quantité de chaleur absorbée ou dégagée est différente.

Exercices

1. Quelle est la quantité de chaleur absorbée par 100 g d'eau contenue dans un verre de polystyrène si la température

de celle-ci passe de 20 oC à 44 oC, lorsqu'on y ajoute un bloc d'aluminium chauffé.

Q = m x c x ∆T 100g x 4,19J/g x 0C x 240C = 10 056 J

2. On fournit 20,9 kJ pour chauffer une quantité d'eau dont la température augmente de 10 C. Calculez la masse

de cette quantité d'eau.

Q = m x c x ∆T20 900 J = m x 4,19J/g x 0C x 100C 20900J/(4,19J/g x 0C x 100C) = 498.8 g

3. Dans une bouilloire, on chauffe un litre d'eau dont la température initiale est de 18C. Quelle quantité d'énergie

l'eau doit-elle absorber pour arriver à ébullition? (1 litre d'eau = 1 kg = 1000 g)

Q = m x c x ∆T 1000 g x 4,19J/g x 0C x 820C 343 580 J

4. Une tasse contient 120 ml de café qui se refroidit de 80C à 45C. Si on assimile ce liquide à de l'eau, quelle

quantité d'énergie perdil?

Q = m x c x ∆T 120 g x 4,19J/g x 0C x -350C -17 598 J

5. Une certaine quantité d'eau à 250C est portée à ébullition à l'aide de 31 500 joules. Quelle est cette masse d'eau?

Q = m x c x ∆T Q/(c x ∆T) 31 500 J / (4, 19J/g x 0C X 750C) = 100,23 g

6. Un chauffeeau porte 300 l d'eau de 20C à 70C. Quelle est, exprimée en kilojoules, la quantité de chaleur

absorbée par l'eau?

Q = m x c x ∆T 300 000 g x 4, 19J/g x 0C x 500C) 62 850 Kj (62 850 000 J)

7. Vous déposez un morceau de cuivre ayant une température initiale de 85,0 C dans un thermos contenant 320 g

d'eau distillée à 20,0C. Après un certain temps, la température se stabilise à 35,0 oC. Déterminez quelle quantité

d'énergie thermique a été transmise du bloc de cuivre à l'eau.

Q = m x c x ∆T 320 g x 4, 19J/g x 0C x 150C 20 112 J

8. Classez les trois opérations suivantes en ordre croissant, selon la quantité d'énergie thermique nécessaire pour les réaliser.

A. Chauffer 20 g d'eau de 10 C à 70 C. Q = m x c x ∆T 20g x 4, 19J/g x 0C x 600C = 5028 J

B. Chauffer 35 g d'antigel de 30 0C à 80 0C. . Q = m x c x ∆T 35 g x 2,2 J/g x oC x 1100C = 8470 J

C. Chauffer 25 g d'alcool méthylique de 0 0C à 65 C. Q = m x c x ∆T 25 g x 2,5 J/g x oC x 650C = 4062,5J

C –A - B

9. De quelle quantité d'énergie thermique auraiton besoin pour amener un bloc de fer de 400 g à une température

de 400 C si, au départ, il était plongé dans un bocal d'eau bouillante ?

Q = m x c x ∆T 400 g x 0,45J/g x 0C x 3000C 54 000 J

10. On fournit 2 250 J à un solide dont la masse est 100 g et on constate que la température passe de 20C à 70C.

Quelle est la chaleur massique de ce solide?

Q = m x c x ∆T c = Q/(m x ∆T) 2 250 J / (100g x 500C) = 0,45 (fer)

11. Quelle quantité de chaleur fautil pour faire passer 75 g d'eau de 42C à 67C?

Q = m x c x ∆T 75g x 4, 19J/g x 0C x 250C 7856,25J

12. Quelle quantité de chaleur fautil pour faire passer 150 ml d'eau d'une température de 17C à une température de 81C?

Q = m x c x ∆T 150 g x 4, 19J/g x 0C x 640C = 40224 J

13. Un étudiant veut chauffer une masse d'eau de 500 g de 230C à 470C. Quelle quantité de chaleur doitil fournir à

cette masse d'eau?

Q = m x c x ∆T 500g x 4, 19J/g x 0C x 240C = 50 280 J

14. Un chauffeeau électrique porte les indications suivantes: Il contient 250 litres d'eau. La température de

l'eau passe de 20C à 50C.. Quelle quantité d'énergie thermique a été absorbée par l'eau?

Q = m x c x ∆T 250 000 g x 4, 19J/g x 0C x 30oC = 31 425 000 J = 31 425 Kj

15. Une étudiante, lors d'une expérience de laboratoire, doit laisser refroidir 2,2 kg d'eau de 95C jusqu'à la température

de la pièce soit 23C. Quelle quantité de chaleur sera libérée par l'eau?

Q = m x c x ∆T 2200g x 4, 19J/g x 0C x – 720C -663 696 J

16. Un étudiant met 90 g d'eau à 20 0C dans un calorimètre. Il chauffe l'eau avec un résistor pendant 40 minutes et

la température s'élève à 700C. Sachant que la chaleur massique de l'eau est de 4,19 J/g .0C , quelle est l'énergie

fournie par le calorimètre ( réponse en joules ) ?

Q = m x c x ∆T 90 g x 4, 19J/g x 0C x 50oC 18 855J

17. On fournit 1254 joules à une masse d'eau placée dans un calorimètre. La température de l'eau passe

de 22C à 280C. Sachant que la chaleur massique de l'eau est de 4,19 J/gC, quelle était cette masse d'eau?

Q = m x c x ∆T m = Q/(c x ∆T) 1254 J/(4, 19J/g x 0C x 60C) = 49,88 g

18. Quelle quantité de chaleur doit-on fournir à 35 g d'azote pour les faire passer de -15 oC à 124 oC ?

Q = m x c x ∆T 35 g x 1,0 J/g x 0C x 1390C 4865 J

19. Vous avez une médaille en or pur à laquelle vous fournissez 390 Joules. Suite à ce chauffage, vous observez

que la température passe de 25 oC à 49 oC. Quelle est la masse de votre médaille ?

Q = m x c x ∆T m = Q/(c x ∆T) 390 J/(0,134 J/g x 0C x 240C) = 121,27 g

20. Une substance inconnue ayant une masse de 200 g se refroidit et perd 28 600 J. Ce refroidissement a pour

effet de faire passer la température de votre échantillon de 35 oC à 25 oC.

De quelle substance s'agit-il ? Q = m x c x ∆T c = Q/(m x ∆T) -28 600J/(200g x -100C) = 14,3 c’est de l’hydrogène bâtard

21. Vous avez 2500 g de cuivre qui passe de 185 oC à –27 oC et 500 g d'hélium qui passe de –5 oC à –125 oC. Laquelle de ces deux substances libèrera le plus de chaleur ?

Cuivre : Q = m x c x ∆T 2500 g x 0,397 J/g x 0C x -2120C = -201400 J

Hélium : Q = m x c x ∆T 500g x 5,2 J/g x 0C x -1200C = -312 000 J Réponse : Hélium

22. (QUESTION BONI) La chaleur libérée par un grain de sucre est de 1,567 microjoule. Cette énergie est transférée à 1 mg d'eau. De combien de degrés Celsius la température de ce milligramme d'eau s'élèvera-t-elle ?

23. Tu sors du four un bloc de fer ayant une masse de 275 g pour réchauffer l'intérieur de ta botte. À sa sortie du four le bloc est à 185 oC. Après une heure passée dans ta botte, il est maintenant à 55oC. Quelle quantité de chaleur a-t-il cédé à ta botte ?

Q = m x c x ∆T 275 g x 0,45 J/g x 0C x -1300C = -16087,5 J

24. Quelle quantité de chaleur devras-tu fournir à 45 g de mercure pour faire monter sa To de 200C ?

Q = m x c x ∆T 45 g x 0,14 J/g x 0C x 20oC = 126 J

25. Quelle quantité de chaleur les 1200 g d'eau contenus dans le système de refroidissement d'une automobile absorbent-ils s'ils passent de 10 oC à 75 oC ?

Q = m x c x ∆T 1200g x 4,19 J/g x 0C x 650C = 326 820 J

26. Quelle quantité de chaleur faut-il fournir à 1250 g de bouillon de poulet (presque 100% d'eau) pour le faire passer de la température de la pièce (25 oC ) jusqu'à 100 oC ?

Q = m x c x ∆T 1250 g x 4,19 J/g x 0C x 750C = 392812,5 J

27. On chauffe un local avec un système de tuyaux remplis d'eau chaude (75 oC). Après avoir circulé dans les tuyaux, l'eau retourne à la pompe avec une température de 26 oC.

Quelle quantité de chaleur a-t-elle été cédée à la pièce par chaque gramme d'eau ?

Q = m x c x ∆T 1g x 4,19 J/g x 0C -490C = -205.31J

28. Le bécher A contient 148,809 g d'eau à 49 oC et le bécher B contient 399,106 g d'huile d'olive à 54oC. Si les deux béchers voient leur température descendre à 25 oC, lequel des deux a libéré le plus de chaleur ?

Q = m x c x ∆T 148,809g x 4,19 J/g x 0C x -240C = -14 964 J

Q = m x c x ∆T 399,106g x 1,296 J/g x 0C x-290C = -14 999J rép. : Huile

29. ** 100 g d'eau et 100 g d'antigel sont à 25 oC au départ, mais après un certain temps de chauffage l'eau monte jusqu'à 60,7 oC et l'antigel monte jusqu'à 93,1 oC. Se pourrait-il que les deux bechers soient sur la même plaque chauffante ?

30. ** Lors d'un laboratoire vous avez chauffé 119 g d'eau et 227 g d'antigel chacun à 25oC au départ. Si vous avez fourni 25 000 J de chaleur à chaque becher puisqu'ils sont sur la même plaque chauffante. Laquelle des deux substances aura la température finale la plus élevée ?

31. POUR PETITS GÉNIES (TRÈS TRÈS DIFFICILE !!)

Ta piscine est munie d'un chauffe-eau au gaz. Sur celui-ci il est inscrit qu'il offre une puissance de 200 000 b.t.u./ heure. Sachant que la piscine contient 40 m3 d'eau à 27 oC, combien de temps il faudra au chauffe-eau pour faire monter la To de l'eau à 35 oC ?

(On néglige toute perte de chaleur).

1.4 L’énergie cinétique STE (page 76)

· Crois-tu qu’un objet qui est en mouvement, comme une auto, peut briser une clôture.

OUI

· Donne un autre exemple de mouvement qui peut déplacer un objet.

· Une bille qui roule sur une table peut en déplacer une autre en la frappant

· On dira que l’auto et la ___ bille ___________ possède de l’énergie cinétique.

· Définition :

______ L’énergie cinétique est l’énergie que possède un objet en raison de son mouvement._____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

· La relation entre l’énergie cinétique, la masse et la vitesse STE.

L’énergie cinétique d’un objet dépend de sa _____ masse ________ et de sa ___ vitesse ____________.

Par exemple, plus une bille est lourde et plus elle roule vite, plus elle possède d’énergie et plus sa capacité à effectuer un travail est grande.

La relation mathématique entre l’énergie cinétique, la masse et la vitesse est la suivante :

Ek = __ Énergie cinétique de l’objet en joule (J)_____

Ek = mv2

V = ___ vitesse de l’objet en m/sec __

m = __ masse de l’objet en Kg _____

Exercices sur l’énergie cinétique

1. Une voiture de 2500 kg roule à 50 km/h. Quelle est son énergie cinétique?

E = ½ m v 2 ½ x 2500 kg x (13,88 m/s)2

Rép. : 240 818J

2. Une voiture de 2500 kg roule à 100 km/h. Quelle est son énergie cinétique?

E = ½ m v 2 ½ x 2500 Kg x (27,78 m/s)2

Rép. : 964 660 J

3. Une mini-fourgonnette de 5000 kg roule à 50 km/h. Quelle est son énergie cinétique?

E = ½ m v 2 ½ x 5000 kg x (13,88 m/s)2

Rép. : 481 636 J

4. En regardant les exemples suivants, que se passe-t-il avec l’énergie cinétique si on double la masse d’un objet?

Son énergie cinétique devient 2 fois plus grande

5. En regardant les exemples suivants, que se passe-t-il avec l’énergie cinétique si on double la vitesse d’un objet?

Son énergie devient quatre fois plus grande.

Tu devrais maintenant comprendre pourquoi la vitesse est si souvent en cause lors des accidents mortels.

1.5 L’énergie potentielle STE (page 77)

Lorsqu’on soulève un marteau ou lorsqu’on étire la corde d’un arc , on effectue un travail. L’énergie cinétique nécessaire à l’exécution de ce travail est transférée à l’objet sous forme d’«énergie potentielle ». On dit qu’il s’agit d’une énergie de réserve parce qu’elle doit d’abord être transformée en une autre forme d’énergie pour pouvoir effectuer un travail. Lorsque le marteau retombe, son énergie potentielle se transforme en énergie cinétique et elle permet d’enfoncer un clou . De la même façon, lorsqu’on relâche la corde d’un arc, son énergie potentielle se transforme également en énergie cinétique et elle propulse la flèche .

Dans cette partie, on calculera l’énergie « potentielle gravitationnelle ».

Définition :

_______ C’est l’énergie de réserve que possède un objet en raison de sa masse et de sa hauteur par rapport à une surface de référence.____________________________________________________________________________________

· La relation entre l’énergie potentielle gravitationnelle, la masse, l’intensité du champ gravitationnel et la hauteur STE.

L’énergie potentielle gravitationnelle dépend de la _______ masse ______, de l’___ intensité ______ du champ gravitationnelle et de la _____ hauteur _____ d’un objet par rapport à une surface de référence. La relation mathématique entre ces données est établie par la formule suivante.

Ep = _ énergie potentielle gravitationnelle (J)_

Ep = mgh

m = masse de l’objet en Kg __

g = Intensité du champ gravitationnel en (N/Kg)

soit

9,8 N/Kg sur la terre

h = hauteur de l’objet par rapport à une surface de référence

en m

Exercices (page 77)

1. Trouve l’énergie potentielle gravitationnelle acquise par une roche de 1 kg élevée à une hauteur de 1 m.

Ep = mgh 1 kg x 9.8 N/Kg x 1 m = 9,8 J

Rép. : 9,8 J

2. Trouve l’énergie potentielle gravitationnelle acquise par une roche de 2 kg élevée à une hauteur de 1 m.

Ep = mgh 2 kg x 9.8 N/Kg x 1 m

Rép. : 19,6 J

3. Trouve l’énergie potentielle gravitationnelle acquise par une roche de 1 kg élevée à une hauteur de 2 m.

Ep = mgh 1 kg x 9,8 N/Kg * 2m

Rép. : 19,6 J

4. Que se passe-t-il avec l’énergie potentielle gravitationnelle lorsqu’on double la masse de l’objet?

Elle double

5. Que se passe-t-il avec l’énergie potentielle gravitationnelle lorsqu’on double la hauteur de l’objet?

Elle double

1.6 L’énergie mécanique STE (page 78)

· L’exemple du marteau permet de constater que l’énergie cinétique peut se transformer en énergie potentielle et vice versa.

Définition : La somme de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle constitue l’  « énergie mécanique » d’un système.

· La relation entre l’énergie cinétique et l’énergie potentielle STE.

Em = Ek + Ep Em = ____ Énergie mécanique _________________

Ek = _____ Énergie cinétique ________________

Ep = _______ Énergie potentielle ______________

La pomme de Newton:

La loi de la conservation de l’énergie nous permet d’affirmer que, dans un système où il n’y a pas de frottement, l’énergie mécanique demeure toujours constante. Prenons l’exemple d’un objet en chute libre. À mesure qu’il tombe, son énergie potentielle diminue tandis que son énergie cinétique augmente. Ainsi, si l’on néglige le frottement, son énergie mécanique reste la même à tout moment.

Exemple :

2. Le mouvement et les forces (STE) (page 79)

2.1 Le mouvement STE

· Pour mettre un objet en mouvement, il faut toujours appliquer une ou plusieurs forces sur cet objet.

· Les variables permettant de décrire le mouvement sont la _____ vitesse ________________, le __________ déplacement __________, le _________ temps _____________ et l’_ accélération __________.

· En science, on définit la vitesse comme étant un ____ déplacement _______ en fonction du ___________ temps ____________ (en m/s). De même, on considère l’accélération comme une modification de la vitesse en fonction du temps (en m/s2). Il est souvent utile de connaître l’accélération d’un objet, car c’est l’une des principales conséquences de l’application d’une force.

2.2 Les forces et la modification du mouvement STE. (page 80)

· Lorsqu’on tire ou qu’on pousse sur un objet, on exerce une force sur lui. En effet, une force est une traction ou une poussée pouvant modifier le mouvement d’un objet. Il arrive aussi qu’une force ne modifie le mouvement que d’une partie de l’objet. Elle provoque alors sa déformation.

· Définition d’une FORCE :

· __________ Une force est une action capable de modifier le mouvement d’un objet ou de le déformer en le poussant ou en le tirant. ______________________________________________________________________________________________

Une force est toujours exercée par un corps sur un autre corps. De plus, elle est toujours orientée dans une direction. On peut d’ailleurs représenter graphiquement une force à l’aide d’une flèche. On doit alors tenir compte de quatre éléments :

1. 1.______ Sa DIRECTION, représentée par un segment de droite.

2. ________ Son SENS symbolisé par la pointe de la flèche.

3. _________ Son INTENSITÉ exprimée par la longueur de la flèche, sa largeur ou par un nombre.

4.________ Son POINT D’APPLICATION correspondant à la position de l’origine de la flèche.

Ex. :

On mesure les forces en newton (N). Par définition, un newton correspond à la force nécessaire pour donner à un objet de 1 kg une accélération de 1 m/s2, autrement dit :

1 N = 1 kg x 1

Le mouvement d’un objet peut être modifié par une force de différentes façons :

1. Une force peut mettre en mouvement un objet immobile, c’est-a-dire lui donner une certaine vitesse. Elle peut aussi augmenter la vitesse d’un objet déjà en mouvement. C’est le cas lorsqu’un force est exercée dans la même direction que le mouvement de l’objet. Dans les deux cas, on dit que l’objet accélère.

2. Une force peut également diminuer la vitesse d’un objet, soit en le ralentissant, soit en l’arrêtant complètement. C’est ce qui arrive lorsque la force est exercée dans le sens contraire du mouvement de l’objet. On dit alors que l’objet subit une « accélération négative », ou une « décélération ».

3. Une force peut aussi modifier la trajectoire d’un objet. Celui-ci est alors dévié. Par exemple, une force qui s’exerce d’un côté ou de l’autre d’un objet en mouvement aura tendance à le faire dévier. Les physiciens considèrent que le changement de direction d’un objet en mouvement est aussi une forme d’accélération.

2.3 Les types de forces STE (page 81)

Selon les scientifiques, il y a 4 types de forces :

1. La force

Gravitationnelle

2. La force

Électromagnétisme

3. La force

Nucléaire forte

4. La force

Nucléaire faible

· La force gravitationnelle STE

La force gravitationnelle est une force qui s’exerce entre tous les objets en raison de leur masse et de la distance qui les sépare. Plus le produit masses de deux objets est élevé, plus l’attraction que ces deux objets exercent l’un sur l’autre est grande. Inversement, plus la distance entre deux objets est grande, plus l’attraction entre eux est faible.

La Terre est l’objet le plus massif de notre entourage. Elle est également très près de nous. La force gravitationnelle entre la Terre et tous les objets qui se trouvent à sa surface est donc, de loin, la plus importante force gravitationnelle que ces objets subissent.

Par exemple, un corps en chute libre subit la force gravitationnelle de la terre, ce qui lui donne une accélération de 9,8 m/s2. Cette accélération est la même pour tous les objets en chute libre, quelle que soit leur masse, à condition toutefois que la résistance de l’air soit négligeable.

· La force gravitationnelle terrestre est orientée vers le centre de la planète. Comme cette force diminue avec la distance, on peut imaginer que notre planète est entourée d’un champ gravitationnel dont l’intensité décroit à mesure qu’on s’éloigne du centre de la terre. De ce point de vue, l’accélération subie par les objets qui se trouvent à l’intérieur de ce champ gravitationnel peut être considérée comme une mesure de l’intensité du champ gravitationnel à une certaine distance du centre de la terre. On l’exprime en N/kg plutôt qu’en m/s2. Ces deux mesures sont en effet équivalentes, comme le démontre l’exemple suivant.

· L’INTENSITÉ DU CHAMP GRAVITATIONNEL À LA SURFACE DE QUELQUES ASTRES DU SYSTÈME SOLAIRE

Astre

Intensité du champ gravitationnel à la surface

(N/kg)

Astre

Intensité du champ gravitationnel à la surface

(N/kg)

Soleil

273,95

Mars

3,72

Lune

1,67

Jupiter

25,87

Mercure

3,63

Saturne

11,27

Vénus

8,62

Uranus

8,82

Terre

9,80

Neptune

11,56

· La force gravitationnelle permet d’expliquer non seulement la chute des objets, mais également d’autres phénomènes, comme les marées et la trajectoire des astres.

LA RELATION ENTRE LA MASSE ET LE POIDS

1. La masse est :

____________________________________________________________________________________________

2. Dans le système international, son unité est le :

____________________________________________________________________________________________

3. Le poids est :

____________________________________________________________________________________________

4. Voici la formule mathématique permettant de calculer le poids.

W = _______________________________

W = Fg = mg Fg = ______________________________

m = ______________________________

g = ______________________________

5. Quel est le poids d’un objet de 1 kg sur la terre et la Lune?

____________________________________________________________________________________________

2.4 L’équilibre entre deux forces (ATS)

2.5 La force efficace STE (page 88)

Définition :_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Prenons l’exemple d’une personne qui tire un sac de ballon  de soccer sur le sol d’un gymnase avec une force de 20 N et selon un angle de 400 par rapport au sol. :

Cette force peut être décomposée en deux composantes : une composante parallèle au sol et une composante perpendiculaire au sol.

Si le sac se déplace parallèlement au sol, c’est que la composante de la force parallèle au sol est celle qui permet le déplacement. Si la composante perpendiculaire au sol avait été plus grande, le sac aurait également été soulevé de terre.

Pour calculer l’intensité de la force efficace, on peut utiliser une méthode graphique ou la trigonométrie.

Rappel de la trigonométrie

Sin

Hypothénuse

Cos Côté opposé

Côté adjacent

Tan

· Utilise ces principes pour calculer la force efficace dans notre l’exemple :

· Comme le déplacement du sac est horizontal, la force efficace est donc la composante horizontale de la force de 20 N, c’est-à-dire le côté adjacent à l’angle de 400.

· Un autre exemple : Une boîte ayant un poids de 10 N est déposée sur un plan incliné de 300.

Avec la trigonométrie, on peut trouver la force efficace.

2.6 Le travail STE

· La relation entre le travail et l’énergie STE

Définition :_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Le travail est un transfert d’énergie lié à un déplacement. Tout comme l’énergie, le travail se mesure en Joule.

La relation entre le travail et l’énergie :

On a déjà défini l’énergie comme étant la capacité d’effectuer un travail ou de provoquer un changement. En d’autres termes, lorsqu’on effectue un travail ou un changement, on utilise de l’énergie. Comme l’énergie ne se perd pas et ne se crées pas, l’énergie utilisée pour effectuer un travail est donc transférée d’un objet ou d’un système à un autre.

On peut établir la relation suivante entre le travail et l’énergie.

W = E ou W = ____________________________

E =____________________________

Exemple : Le travail effectué par les turbines d’une centrale hydroélectrique permet de transférer l’énergie hydraulique de l’eau aux turbines et de la transformer en énergie électrique.

· La relation entre le travail, la force et le déplacement STE

La relation entre le travail et l’énergie, la force et le déplacement

Formule pour calculer le travail

W = ________________________________

W = F// x d F// = ________________________________

d =_________________________________

Exemples :

1. Une personne pousse une boîte avec une force de 20 N et la déplace sur une distance de 1 m. Quel est le travail effectué?

2. Une boîte ayant un poids de 10 N est déposée sur un plan incliné de 300. Cette boîte descend et parcourt une distance de 0,5 m. Quel est le travail effectué sur la boîte?

Verdict (Devoir)

Diagnostic

L’EAU POTABLE

–

LA DÉFORESTATION

–

L’ÉNERGIE

–

LES CHANGEMENTS CLIMATIQUES

LA PRODUCTION ALIMENTAIRE

-

LES MATIÈRES RÉSIDUELLES

Chapitre 3

1.

Qu’est

-

ce que l’énergie

1.1

La loi de la conservation de l’énergie

1.2

Le

rendement énergétique

1.3

L’énergie thermique

·

La distinction entre «

Chaleur et température

»

·

La relation entre la chaleur et la masse, la capacité thermique massique

et la température

1.4

L’énergie cinétique

·

La relation entre l’énergie cinétique, la masse et la vitesse

.

1.5

L’énergie potentielle

·

La relation entre l’énergie potentielle gravitationnelle, la masse, l’intensité du champ

gravitationnel et la hauteur

.

1.6

L’énergie mécanique

·

La relation entre l’énergie cinétique et l’énergie potentielle

2.

Le mouvement et les forces

2.1

Le mouvement

2.2

Les forces et la modification du mouvement

2.3

Les types de forces

·

La force gravitationnelle

2.4

L’équilibre entre deux forces

2.5

La force efficace

2.6

Le travail

·

La relation entre le travail et l’énergie

·

La relation entre le travail, la force et le déplacement

Verdict (Devoir)

Diagnostic

L’EAU POTABLE – LA DÉFORESTATION – L’ÉNERGIE – LES CHANGEMENTS CLIMATIQUES

LA PRODUCTION ALIMENTAIRE - LES MATIÈRES RÉSIDUELLES

Chapitre 3

1. Qu’est-ce que l’énergie

1.1 La loi de la conservation de l’énergie

1.2 Le rendement énergétique

1.3 L’énergie thermique

La distinction entre « Chaleur et température »

La relation entre la chaleur et la masse, la capacité thermique massique

et la température

1.4 L’énergie cinétique

La relation entre l’énergie cinétique, la masse et la vitesse .

1.5 L’énergie potentielle

La relation entre l’énergie potentielle gravitationnelle, la masse, l’intensité du champ

gravitationnel et la hauteur.

1.6 L’énergie mécanique

La relation entre l’énergie cinétique et l’énergie potentielle

2. Le mouvement et les forces

2.1 Le mouvement

2.2 Les forces et la modification du mouvement

2.3 Les types de forces

La force gravitationnelle

2.4 L’équilibre entre deux forces

2.5 La force efficace

2.6 Le travail

La relation entre le travail et l’énergie

La relation entre le travail, la force et le déplacement

Verdict (Devoir)

Diagnostic