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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