Chapitre n°9 Energie cinétique et Energie potentielle

I. Énergie potentielle

1) Définition

L’énergie potentielle d’un corps est proportionnelle à sa masse et à son altitude.

https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=Xi42ZJK74xQ

2) Formule

L’expression de l’énergie potentielle est:

\(E_p = m \cdot g \cdot h\)

Avec pour unités :

• Ep en Joule :J
• M en kilogramme : Kg
• H en métre :m
• g=9,8(N/Kg) ou plus simplement g=10(N/Kg)

3) Application

Exercice

Déterminer la masse d’eau qui doit chuter de 1m par seconde pour alimenter une ampoule de 60W pendant une seconde.

Réponse :

L’énergie électrique consommée par l’ampoule est \(E = P \cdot t = 60 \cdot 1 = 60J\)

Cette énergie correspond à celle de l’énergie potentielle Soit \(m \cdot g \cdot h = 60\)

On en déduit : \(m = \frac{60}{h \cdot g} = \frac{60}{1 \cdot 10} = 6kg\)

II. Énergie cinétique

1) Formule

L’énergie cinétique d’un corps est proportionnelle à sa masse et au carré de sa vitesse.

Son expression est :

\(E_c = \left(\frac{1}{2}\right)\cdot m \cdot v^2\)

Avec

• Ec en Joule : J
• M en kilogramme :Kg
• Ven mètre par seconde :s

Énergie CINÉTIQUE – Cours et exemple | Physique | Collège – lycée – YouTube

Énergie cinétique et vitesse | Collège | Lycée | Physique (youtube.com)

2) Exercice

Calculer l’énergie cinétique d’une météorite de 12000 tonnes animée d’une vitesse de 20km/s. Comparer cette énergie avec la bombe atomique d’Hiroshima de 4.10¹²J

Réponse

\(m = 12000 \cdot 10^3 = 1{,}2 \cdot 10^7\ Kg\)

\(v = 20km/s = 20 \cdot 10^3 = 2 \cdot 10^4m/s\)

\(E_c = 0{,}5 \cdot 1{,}2 \cdot 10^7 \cdot (2 \cdot 10^4)^2 = 2{,}4 \cdot 10^{15}\ J\)

Cette énergie correspond à 600 bombes atomiques

 

Météorite tombée en Sibérie en 1908

Météorite tombée en Arizona il y a 50000ans

III. Conservation de l’énergie

L’énergie mécanique est la somme des énergie cinétique et potentielle.

Si un mouvement a lieu sans frottement alors l’énergie mécanique se conserve

Les Énergies Mécaniques – 3ème – Physique – Collège – Mathrix – YouTube

IV. application à la sécurité routière

1) Distance de freinage

La distance de freinage d’un véhicule est proportionnelle à son énergie cinétique.

Elle est donc proportionnelle au carré de sa vitesse, soit à son énergie cinétique. \(D_f = k \cdot v^2\)

2) Exercice

La distance de freinage d’une mobylette lancée à 30 Km/h est de 7m.

Quelle sera la distance de freinage pour une vitesse de 60km/h

Réponse

La distance de freinage est proportionnelle au carré de la vitesse du véhicule \(D_f = k \cdot v^2\)

Si la vitesse est multipliée par deux la distance sera multipliée par 4 et elle sera de 28m

3) Distance d’arrêt d’un véhicule

Lorsqu’un obstacle apparaît, il faut au conducteur un certain temps avant d’appuyer sur le frein, cette durée se nomme le temps de réaction tR .Pendant ce temps le véhicule avance et parcourt une distance de réaction: \(D_R = v \cdot t_R\)

Ainsi la distance d’arrêt DA d’un véhicule correspond à la somme des distances de réaction et de freinage: \(D_A = D_R + D_F\)

Exercice

Déterminer quelles seront les distances d’arrêt de la mobylette si le conducteur met une seconde à réagir pour les vitesse de 30 et 60km/h

Réponse

On calcule les vitesses en m/s et on trouve:

\(v = 30/3{,}6 = 8{,}33m/s\) pour 30km/h

\(v = 16{,}66m/s\) pour 60km/h.

En une seconde la mobylette parcourt :

8,33m à 30km/h et 16,66m à 60km/h.

On en déduit les distances d’arrêts :

• Pour \(v = 30km/h\) : \(D_A = 7 + 8{,}33 = 15{,}3m\)
• Pour \(v = 60km/h\) : \(D_A = 28 + 16{,}66 = 44{,}7m\)

 

V Application pour une centrale hydroélectrique

MT2E : Barrage hydraulique, fonctionnement (youtube.com)

Principe de fonctionnement d’une centrale hydraulique. (youtube.com)

1) principe de fonctionnement

L’énergie potentielle de l’eau se transforme en énergie cinétique ou mécanique dans la turbine.

La turbine entraîne l’alternateur qui transforme l’énergie mécanique reçue en énergie électrique.

Une partie de l’énergie est perdue sous forme de chaleur soit en énergie thermique

2) Chaine énergétique

La chaine énergétique de l’alternateur d ’une centrale électrique d’un barrage est:

Chaine énergétique – exemple de l’éolienne | Physique (Collège – lycée) (youtube.com)

Diagramme de conversion d’énergie 🎯 PHYSIQUE CHIMIE COLLÈGE (révision BREVET) – YouTube

3) Rendement

Le rendement d’un convertisseur est le rapport de la puissance utile sur la puissance absorbée

\(\eta = P_u / P_a\)

Calculer le RENDEMENT d’un convertisseur ✅ 1ère spécialité | Physique Chimie – YouTube