Transcript cours

Progression du début de l’année scolaire
ONDES
1. Ondes et particules
2. Caractéristiques des ondes
3. Propriétés des ondes
ANALYSE CHIMIQUE
4. Analyse spectrale
5. Réaction chimique par échange de proton
6. Contrôle de la qualité par dosage
TEMPS, MOUVEMENT ET EVOLUTION
7. Temps et évolution chimique : cinétique et catalyse
8. Cinématique et dynamique newtoniennes
9. Application des lois de Newton et des lois de Kepler
10. Travail et énergie
11. Temps et relativité restreinte
COURS 10 : TRAVAIL ET ENERGIE
Compétences exigibles au baccalauréat
•
Etablir et exploiter les expressions du travail d’une force constante (force de pesanteur,
force électrostatique dans le cas d’un champ uniforme)
•
Etablir l’expression du travail d’une force de frottement d’intensité constante dans le cas
d’une trajectoire rectiligne.
•
Analyser les transferts énergétiques au cours d’un mouvement d’un point matériel.
•
Extraire et exploiter des informations relatives à la mesure du temps pour justifier
l’évolution de la définition de la seconde.
•
Extraire et exploiter des informations sur l’influence des phénomènes dissipatifs sur la
problématique de la mesure du temps et la définition de la seconde.
•
Extraire et exploiter des informations pour justifier l’utilisation des horloges atomiques
dans la mesure du temps.
•
Pratiquer une démarche scientifique pour mettre en évidence les différents paramètres
influençant la période d’un oscillateur mécanique, son amortissement.
•
Pratiquer une démarche expérimentale pour étudier l’évolution des énergies cinétique,
potentielle et mécanique d’un oscillateur.
Page 1 sur 16
Sommaire
COURS 10 : TRAVAIL ET ENERGIE
I) LA MESURE DU TEMPS
II) NOTION DE TRAVAIL D’UNE FORCE
III)
TRAVAIL D'UNE FORCE CONSTANTE
IV) TRAVAIL ET ENERGIE
V) RETOUR SUR LA MESURE DU TEMPS
Annexe
Page 2 sur 16
Activité d'introduction:
# Etude documentaire du livre Hachette page 188: Mesure du temps et définition de la
seconde: la quête de la précision
Lire le premier paragraphe « La mesure du temps » et répondre aux questions 1a) et b)
# Visionner la vidéo sur le mécanisme d'échappement pendule
http://www.youtube.com/watch?v=URsfqpuQwbk
# Visionner la vidéo diffusée sur Arte: les rouages de l'horlogerie suisse
(à visionner intégralement ou à partir de l'instant 2 min et 50 s)
http://www.youtube.com/watch?v=ZhRRtHQQ44A
I) LA MESURE DU TEMPS
1) Introduction
Le temps a d’abord été défini par les phénomènes astronomiques et mesuré à l’aide
d’horloges utilisant des oscillateurs mécaniques.
Horloge à balancier utilise les oscillations
d'un pendule
Montre utilisant un oscillateur élastique
constitué d'un ressort spirale et d'un
balancier
2) Notions sur les oscillateurs mécaniques
a. Définition
Un oscillateur mécanique est un système qui évolue de façon périodique autour de sa
position d’équilibre.
La période propre, notée T0, correspond à la durée d’une oscillation.
Page 3 sur 16
b. Paramètres influençant la période propre
pendule simple
pendule élastique
c. Transferts énergétiques
Au cours du mouvement d’un solide, des transferts d'énergie se produisent.
Visionner le simulateur du pendule simple
http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/lycee/premiere_1S/pendule_simple_forces_vitesse_energie.htm
Visionner le simulateur du pendule élastique
http://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/Meca/Oscillateurs/oscillateur_horizontal.html
II) NOTION DE TRAVAIL D’UNE FORCE
Le travail constitue un mode de transfert de l'énergie
Le travail s’exprime en Joule noté J.
Le travail d’une force est une grandeur algébrique qui permet d'évaluer l'effet d'une
force sur l'énergie d'un objet en mouvement.
Au cours du déplacement de A
vers B, laquelle des trois forces
a l'effet le plus important?
(F1 = F2 = F3)
Page 4 sur 16
III)
TRAVAIL D'UNE FORCE CONSTANTE
1) Introduction
Une force est caractérisée par une direction, un sens et une valeur.
Lorsque les trois caractéristiques ne varient pas au cours du temps, la force est constante.
Si le travail d’une force est indépendant du chemin suivi, on dit que la force est
conservative.
2) Définition
r
Soit une force F constante appliquée entre les points A et B. Le travail de cette force
r
entre le point A et B, notée WAB (F ) est égal au produit scalaire du vecteur déplacement
par le vecteur force:
r
r
r
W AB ( F ) = F . AB = F . AB. cos( F , AB ) =F.AB.cos( α )
r
WAB ( F ) en joule (J), F en Newton(N), AB en mètre (m).
3) Travail moteur, travail résistant
WAB = F.AB. cos(α) = F.AB > 0
travail moteur
WAB = F.AB. cos(α) > 0
travail moteur
π
2
WAB = F.AB. cos(α) = 0
travail nul
π
<α≤π
2
WAB = F.AB. cos(α) < 0
travail résistant
α =0
0<α<
α=
π
2
Page 5 sur 16
4) travail du poids
Soit un objet de masse m se
déplaçant d'un point A à un
point B dans un référentiel
galiléen.
Le champ de pesanteur a pour
intensité g.
Calcul du travail du poids (force constante) le long du chemin AB:
Les coordonnées du vecteur poids sont:
Les coordonnées du vecteur
sont :
Soit un objet de masse m se déplaçant d'un point A d'altitude zA à un point B d'altitude
zB dans un référentiel galiléen. Le travail du poids est égal à:
r
r
W AB ( P ) = P. AB = mg.( z A − z B )
r
Unité: WAB ( P ) en joule (J), m (kg), g (N.kg-1), zA et zB en mètre (m)
Le travail du poids ne dépend pas du chemin suivi (voir figure ci dessus) mais
uniquement de l'altitude initiale et de l'altitude finale: on dit que le poids est une force
conservative.
Page 6 sur 16
5) travail d'une force électrostatique
r
Rappel: entre 2 plaques chargées règne un champ électrostatique E orienté de la plaque
positive vers la plaque négative.
La valeur du champ électrostatique entre 2 plaques P (plus) et N (négative) est égale à la
tension UPN divisée par la distance d entre les plaques:
U
E = PN
d
Unité: UPN(V) > 0, d(m), E (V.m-1) > 0
La valeur du champ électrostatique entre 2 points A et B est égale à la tension UAB
U
divisée par la distance (voir schéma ci-dessous): E = AB
l
Une particule de masse M, supposée
ponctuelle, de charge électrique q et de
masse m, est placée dans run champ
électrostatique uniforme E . Elle est soumise
r
r
à une force électrostatique F = q.E constante.
Elle se déplace d'un point A à un point B.
r
r
r
WAB ( F ) = q.E. AB = q.E. AB.. cos(F , AB) = q.E. AB. cosα
Or AB. cos α = l
r
Ainsi WAB ( F ) = q.E. AB. cosα = q.E.l
D'après l’expression E =
UPN
d
, on peut en déduire que E =
U AB
par conséquent
l
r
U
Ainsi W AB ( F ) = q.E.l = q.E . AB = q.U AB
E
Page 7 sur 16
r
Une particule chargée, de charge q, placée dans un champ électrostatique E uniforme
r
r
r
est soumise à une force électrostatique F = q.E . Le travail de cette force WAB (F ) le long
du chemin AB vaut:
r
r
WAB ( F ) = q.E. AB = q.E. AB. cos α
r
WAB ( F ) = q.U AB
r
Unité : WAB (F ) en joule (J); q en coulomb(C); UAB en volt
Le travail ne dépend pas du chemin suivi, mais uniquement de la tension électrique
entre les points A et B. La force électrostatique est une force conservative.
Remarque: quand est-ce que le travail de la force électrostatique est moteur? Résistant?
Sur le schéma ci dessus UAB > 0 .
r
- si q > 0 , WAB (F ) > 0 travail moteur, la force est dans le sens du mouvement
r
- si q < 0, WAB (F ) < 0, travail résistant, la force est opposée au mouvement.
6) force non conservative : cas des forces de frottements
Considérons le cas où un solide est en mouvement rectiligne sur une table. Le solide est
r
soumis à une force de frottement f .
r
Soit une force de frottement f constante appliquée entre les points A et B. Le travail de
r
cette force entre le point A et B, notée WAB ( f ) est égal au produit scalaire du vecteur
déplacement par le vecteur force:
r
r
r
WAB ( f ) = f . AB = f . AB. cos( f , AB) =f.AB.cos( α )
r
si α = π , WAB ( f ) = f.AB.cos( π ) = -f.AB
r
WAB ( f ) en joule (J), f en Newton(N), AB en mètre (m).
Page 8 sur 16
En règle générale le travail de la force de frottement est < 0, il réalise alors un transfert
thermique vers l’extérieur du système.
Autre exemple : Pourquoi les skis glissent sur la neige ? http://www.skitrace.com/glisseski.php
Le travail d'une force de frottement dépend du chemin suivi: la force de frottement est
une force non conservative.
En effet, considérons un chemin 1, A B, puis un chemin 2, A D C B.
Le travail W1 de la force de frottement le long du chemin 1 et W2 le long du chemin 2 sont
différents. En valeur absolue W1 < W2.
IV) TRAVAIL ET ENERGIE
1) Energie cinétique
L'énergie cinétique d'un solide caractérise son état de mouvement
Au niveau de la terminale S, on utilisera
l'expression suivante:
m en kg
v en m.s-1
EC en J
2) Energie potentielle
Elle est associée à une force conservative
Entre deux points A et B, sa variation vaut:
Force conservative
Poids
Expression de l'énergie potentielle
L'énergie potentielle de pesanteur s'exprime de la
manière suivante:
Epp B = mgzB
où m est la masse du système ( kg )
g est l'intensité de la pesanteur terrestre ( N.kg-1)
z est l'altitude au point B ( m )
Epp B est l'énergie potentielle de pesanteur au point B ( J)
Page 9 sur 16
Force électrostatique
L'énergie potentielle électrique s'exprime de la manière
suivante:
Epe B = q VB
q est la valeur de la charge électrique en Coulomb ( C)
VB est le potentiel électrique au point B en volt ( V )
Epe B est l'énergie potentielle électrostatique au point B
en joule ( J)
3) Energie mécanique
Em = Ec + Ep
Forces appliquées au
système
Energie mécanique
Conservatives ou dont le
travail est nul
Constante
E mA = E mB
Le travail des forces
conservatives assure le
transfert de l'énergie
cinétique en énergie
potentielle (ou inversement)
∆Em = 0
Au moins une force non conservative
Non constante
La variation d’énergie mécanique
est égale à la somme des travaux des
forces non conservatives (comme les
frottements)
Transfert d'énergie
Page 10 sur 16
V) RETOUR SUR LA MESURE DU TEMPS
1) Inconvénients des oscillateurs mécaniques dans la mesure du temps
L'usure des pièces,
la dissipation de l'énergie mécanique
et la sensibilité de la période aux conditions géographiques (altitude, latitude …)
atmosphériques (température …)
ont forcé à une évolution de la définition de la seconde et à l'avènement des horloges
atomiques pour satisfaire à un besoin de précision notamment pour les systèmes de géo
localisation.
2) Définition actuelle de la seconde
Page 11 sur 16
ANNEXE
CONSERVATION DE L'ENERGIE MECANIQUE EN L'ABSENCE DE FORCES DE
FROTTEMENTS
Document réalisé à partir du site
http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/lycee/premiere_1S/pendule_si
mple_forces_vitesse_energie.htm
Page 12 sur 16
Page 13 sur 16
Page 14 sur 16
Visionne, pour de plus amples informations, la vidéo sur l'horloge atomique
http://www.astro.oma.be/D1/DIDAC/horlogeatomique.php
Page 15 sur 16
Page 16 sur 16