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1 PHYSIQUE-CHIMIE- TECHNOLOGIE République du Bénin  MINISTERE DE L’ENSEIGNE

1 PHYSIQUE-CHIMIE- TECHNOLOGIE République du Bénin  MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SECONDAIRE ET DE LA FORMATION TECHNIQUE ET PROFESSIONNELLE  GUIDE DU PROGRAMME D’ETUDES PAR COMPETENCES C L A S S E D E 1 è r e S E R I E S C & D V E R S I O N R E V I S E E DIRECTION DE L’INSPECTION PEDAGOGIQUE Porto – Novo, août 2010 PHYSIQUE-CHIMIE- TECHNOLOGIE 2 SITUATION D’APPRENTISSAGE N°1 TITRE : L’énergie mécanique au service du développement 1 Elément de planification 1.1 DUREE : 1.2 CONNAISSANCES ET TECHNIQUES DOMAINE : MECANIQUE Connaissances et techniques Indications pédagogiques et commentaires Connaissances exigibles (Evaluation) 1- Notions de cinématique - Vecteur espace et vecteur vitesse d’un point dans un repère donné - Mouvement de translation d’un solide - Mouvement de rotation d’un solide autour d’un axe fixe ; vitesse angulaire ; vitesse linéaire d’un point du solide. - Moment d’une force par rapport à un axe ; moment d’un couple de forces D’une manière générale, la mécanique a été abordée de façon plus ou moins approfondie par les apprenants aussi bien au primaire (EST) et au secondaire (classe de 3ème et 2nde). En classe de première, il s’agit d’aller plus loin et d’asseoir de manière plus ferme des concepts nouveaux et les applications associées. Pour cette étude le professeur peut faire visiter les espaces de jeu de Magic Land(Cotonou), du CTA BIMYNS (de Djèrègbé) Wêkê, l’échangeur de Godomey ou les passages supérieurs. Il partira d’une situation complexe de vie ou des photos pour permettre aux apprenants de se poser des questions comme : - Quels sont les différents types de mouvement ? - Comment caractériser chaque type de mouvement ? • Le professeur amènera les apprenants à formuler la définition de la vitesse instantanée comme étant une variation infinitésimale du vecteur position par rapport au même ordre de grandeur de variation de temps; ils illustreront par quelques exemples et mettront l’accent sur les unités du système international Tous les mouvements seront étudiés dans un repère orthonormé galiléen à deux dimensions ; toutefois il ne sera pas nécessaire de définir le repère galiléen (prévue pour la classe de Terminale). - Construction des vecteurs vitesses moyenne m et instantanée d’un point mobile. - Enoncé des propriétés de la vitesse des points d’un solide en translation et d’un solide en rotation (en relation avec la vitesse angulaire w). - Les conditions de variation d’un vecteur- vitesse. - Détermination des vitesses angulaire w et linéaire v d’un point d’un solide en rotation. - Comparaison des vitesses v de deux points situés à des distances différentes d’un même axe de rotation. - Exploitation de l’expression de la vitesse angulaire w en fonction de la fréquence N. - Exploitation de l’expression du moment d’une force F М = F x d. - Définition d’un couple de forces. 2- Travail et puissance d’une force A partir des activités d’observation et d’exploitation documentaire, le professeur amènera les apprenants à formuler des questions comme : Comment définir le travail d’une force en physique ? De quels paramètres le travail mécanique dépend-il ? 3 • Travail et puissance d’une force constante • Travail et puissance des forces agissant sur un solide en mouvement de translation - Travail élémentaire d’une force et puissance instantanée - Travail du poids d’un corps - Travail d’une force de frottement • Travail et Puissance des forces agissant sur un solide en mouvement de rotation autour d’un axe fixe Comment illustrer l’expression mathématique du travail ? • Il s’agit ici d’une force constante en grandeur, direction et sens. • Le professeur attirera l’attention des apprenants sur : - le travail élémentaire W = F. ℓ (cos α) et sur la nature du travail d’une force (travail moteur, travail résistant) - la puissance instantanée p= W/t •Par des activités d’exploitation documentaire, le professeur partira de l’expression du travail élémentaire et de la puissance instantanée pour amener les apprenants à : - établir et utiliser la relation W = F (cos α) et p= F v cos α - établir et utiliser l’expression du travail du poids d’un corps - établir et utiliser l’expression du travail de la force de frottement • Par des activités d’exploitation documentaire, le professeur partira de l’expression du moment d’une force constante, d’un couple de forces constantes, du travail élémentaire et de la puissance instantanée pour établir et utiliser l’expression du travail d’une force et d’un couple de forces de moment constant et celle de la puissance instantanée. On abordera le couple de torsion, mais le travail de ce couple ne sera pas étudié. - Exploitation de l’expression du travail d’une force constante. - Détermination de la nature du travail d’une force (moteur, résistant) et inversement. - Exploitation de l’expression du travail du poids d’un corps, de la puissance moyenne et de la puissance instantanée. - Conversion d’unité : Wh ou kWh en joule - Prévision du sens de rotation imposée par une force agissant seule sur un solide. - Exploitation de l’expression du travail d’une force de moment constant pour une rotation d’angle. - Détermination de la nature du travail et de la puissance d’une force ou d’un couple de forces. - Exploitation de la formule donnant les puissances moyenne Pm et instantanée p 3- Energie cinétique • Energie cinétique de translation • Energie cinétique d’un A partir des activités expérimentales et/ou d’exploitation documentaire, le professeur amènera les apprenants à formuler des questions comme : Comment définit-on l’énergie liée à la vitesse ? Quelle relation existe-t-il entre la vitesse acquise et la hauteur de chute ? • Le professeur partira de la définition de l’énergie cinétique pour établir et utiliser: - l’expression de l’énergie cinétique d’un solide en translation • l’expression de l’énergie cinétique d’un solide en rotation autour d’un axe fixe ; De cette - Exploitation de la formule donnant l’énergie cinétique de translation et de rotation - Formulation et exploitation de l’expression du moment d’inertie J et de l’énergie cinétique Ec. - Détermination de la valeur du moment d’inertie J dans le cas de solides usuels. 4 solide en mouvement de rotation. Moment d’inertie • Théorème de l’énergie cinétique expression, le professeur dégagera l’expression de quelques moments d’inertie • L’énoncé du théorème de l’énergie cinétique s’établira à partir de l’activité expérimentale sur la chute verticale d’une bille. A l’aide de cette activité, on vérifiera que 2g constante h V 2   et par suite ΔEc = WP. L’application du théorème de l’énergie cinétique sera limitée aux seuls cas étudiés : la translation et la rotation ; le mouvement mixte (translation + rotation) étant exclu. Le professeur amènera les élèves à : - donner d’autres exemples pour étayer l’énoncé - découvrir que le théorème reste vrai, même si la force ou le moment ne restent pas constants, car la variation de l’énergie cinétique du solide est égale à la somme algébrique des travaux des forces qui lui sont appliquées pendant la durée de la variation. - Enoncé et exploitation du théorème de l’énergie cinétique. - Application du théorème de l’énergie cinétique au solide en translation ou en rotation autour d’un axe fixe. 4- Energie potentielle de pesanteur A partir des activités d’exploitation documentaire, le professeur amènera les apprenants à formuler la question suivante: D’où provient une énergie potentielle ? Le professeur se limitera au cas d’un champ de pesanteur uniforme. L’énergie potentielle de pesanteur est une énergie de position qui sera interprétée comme une énergie potentielle d’interaction du système terre-solide. - Définition du champ de pesanteur uniforme. - Expression de l’énergie potentielle de pesanteur d’un solide en un point de ce champ. 5- Energie mécanique totale : conservation et non conservation L’énergie mécanique dans le système terre- solide est Em = Epp + Ec = mgz +1/2 mv2 A l’aide d’exemples concrets (chute libre, chute sur un plan incliné sans frottement, pendule pesant), le professeur fera découvrir aux apprenants avec une panoplie suffisante d’exercices, les conditions de la conservation de l’énergie mécanique (absence de force de frottement) et celles de sa non- conservation (présence de forces de frottement). L’enseignant amènera l’apprenant à découvrir quelques applications de la conservation et de la non – conservation de l’énergie mécanique N.B : Ne pas insister sur la transformation de l’énergie mécanique en chaleur ; cette notion sera vue plus tard dans la SA.5 - Définition et expression de l’énergie mécanique (totale) Em. - Condition de la conservation de l’énergie mécanique. - Exploitation de la conservation et de la non- conservation de cette énergie mécanique. 5 Annexes de la S.A n°1 1- Cinématique Fig. 2 : Translations rectiligne et curviligne *Tous les points de l’équerre sont animés d’un mouvement rectiligne .* Chaque point du solide a un mouvement curviligne, le même pour tous les points qui suivent tous des trajectoires identiques (courbes parallèles) Source : Adolphe TOMASINO Physique 1res S.E Collection NATHAN. Page 14. Edition 1988 Fig. 3 : Translation circulaire Tout point d’une nacelle a un mouvement circulaire (Parc d’attraction du Prater à Viennes – Autriche) Source : Adolphe TOMASINO Physique uploads/s3/ guide-1ere-c-et-d.pdf