1 Chapitre 8 ● La conservation de l’énergie Le livre du professeur • Physique-C

1 Chapitre 8 ● La conservation de l’énergie Le livre du professeur • Physique-Chimie • 3e La conservation de l’énergie 8 Présentation Ce chapitre marque le retour dans le troisième thème « L’énergie et ses conversions », et en constitue la dernière étape. En effet, les chapitres suivants portent notamment sur l’énergie électrique, les dipôles ohmiques et la puissance électrique. Le présent chapitre est, quant à lui, centré sur la notion annoncée dans son intitulé : la conservation de l’énergie, qui y est introduite progressivement. Tout d’abord, la définition de l’énergie cinétique devient quantitative avec la découverte de la formule qui permet de calculer sa valeur. Ensuite, l’opposition des variations d’énergie de position et d’énergie cinétique est mise en évidence, puis présentée comme la conséquence de l’absence de transfert d’énergie à d’autres systèmes. Enfin les activités 3 et 4 amènent le cœur du sujet : la conservation de l’énergie. Les élèves l’utiliseront à plusieurs reprises afin de réaliser le bilan énergétique d’un système simple. Place dans la progression Les concepts fondamentaux tels que les sources, formes, transferts et conversions d’énergie sont désormais bien en place dans l’esprit des élèves. Ces notions qualitatives peuvent ainsi déboucher sur une approche quantitative. Sommaire Activité 1 ..................................................................................... p. 2 Activité 2 ..................................................................................... p. 4 Activité 3 ..................................................................................... p. 6 Activité 4  ................................................................................... p. 8 Exercices ................................................................................... p. 11 Parcours de compétences ...................................................... p. 18 Accompagnement personnalisé ............................................ p. 19 La Physique-Chimie autrement .............................................. p. 19 Annexes imprimables prêtes à l'emploi : Présentation des différentes annexes  ............................... p. 23 Corrigés des protocoles expérimentaux  ........................... p. 24 Puzzles des protocoles  ........................................................ p. 25 Comptes-rendus à compléter  ............................................ p. 26 Aides à la résolution de la mission  .................................... p. 27 La suite du thème contiendra également en majorité des études quantitatives. L’enjeu pour les élèves en fin de cycle est d’être capables de dresser des bilans énergétiques dans des cas simples, mais tout en intégrant des calculs de consommation d’énergie électriques relatifs à la vie courante. 5e › Unité d’énergie. › Source d’énergie. › Transfert d’énergie. ›  Conversion d’un type d’énergie à un autre. Identification des formes, des sources, des transferts et des conversions de l’énergie. 4e › Unité d’énergie. › Source. › Transfert. ›  Conversion d’un type d’énergie à un autre. › Notion de puissance. Identification des formes, des sources, des transferts et des conversions de l’énergie. Utilisation de la relation liant puissance, énergie et durée. Sous thème de l’électricité : ›  Puissance électrique : P = U × I. Réalisation de calculs de consommation d’énergie électrique dans des situations de la vie courante 3e › Unité d’énergie. › Source. › Transfert. ›  Conversion d’un type d’énergie à un autre. › Notion de puissance. › Conservation de l’énergie. Identification des formes, des sources, des transferts et des conversions de l’énergie. Utilisation de la relation liant puissance, énergie et durée. Réalisation de bilan énergétique pour un système simple. 2 Chapitre 8 ● La conservation de l’énergie Le livre du professeur • Physique-Chimie • 3e Document(s) L’activité contient trois documents de natures différentes : ›  Doc. 1 :  Un tableau de données contenant des valeurs d’énergie cinétique pour différents véhicules se déplaçant à 50 km/h. ›   Doc. 2 :  Un court texte expliquant ce que représente l’énergie cinétique. ›  Doc. 3 :  Un graphique présentant l’énergie cinétique d’une voiture en fonction de la vitesse. 2.  Le document 1 montre que l’énergie cinétique dépend de la masse du système qui est en mouvement et qui augmente avec elle. Le document 3 montre, quant à lui, que l’énergie cinétique d’un système en mouvement dépend de sa vitesse et augmente avec elle. 1.  Suite à la lecture du texte de la situation déclenchante, les élèves auront à l’esprit que l’énergie cinétique dépend de la masse et de la vitesse du mobile. Il est donc envisageable qu’à ce stade, ils proposent une hypothèse sur la nature du lien existant entre elles, la situation évoquant une intuition. En effet, il est clair dans l’esprit des élèves qu’une masse plus grande ou une vitesse plus élevée impliquent des impacts plus destructeurs. Ainsi, les élèves formuleront certainement l’hypothèse de ce lien de croissance. L’hypothèse de la proportionnalité avec la masse et la vitesse pourra également être formulée par certains élèves, plus à l’aise avec l’idée qu’une grandeur puisse être proportionnelle à une autre grandeur. En revanche, la proportionnalité à la masse et au carré de la vitesse n’est pas intuitive et ne peut être évoquée que par des élèves déjà informés sur cette relation. Par ailleurs, il est important que les élèves utilisent dans leur formulation le statut d’hypothèse qui sera par la suite validée ou invalidée. Comment augmente l’énergie cinétique ? ACTIVITÉ DOCUMENTAIRE 1 Liens avec le programme BO Identifier les différentes formes d’énergie. › Cinétique (relation Ec = 1 2 mv2). ›  Le programme mentionne que les élèves doivent savoir identifier les différentes formes d’énergie. L’énergie cinétique est notamment citée avec son expression mathématique. La connaissance et l’interprétation de cette formule sont donc des attentes du programme. ›  L’activité permet de travailler la compétence suivante du domaine 1 : ■  COMPÉTENCE Produire et transformer des tableaux ou des documents graphiques Autres compétences possibles : ■ Lire et comprendre des documents scientifiques pour en extraire des informations ■ Écrire des phrases claires, sans faute, en utilisant le vocabulaire adapté ■ Comprendre et interpréter des tableaux ou des documents graphiques 3e p. 174 Présentation Cette activité permet d’introduire le chapitre sur la conserva- tion de l’énergie. Ainsi, les élèves commencent par une acti- vité documentaire qui leur permet notamment de découvrir et d’analyser l’expression de l’énergie cinétique. Temps prévu ›  Temps total : 55 min ·  Étude de la situation déclenchante et formulation d’une hypothèse : 5 min · Recherche d’information et analyse des données : 30 min · Conclusion, mise en commun et institutionnalisation : 20 min Formulation d’une hypothèse Recherche de données ✔ 3 Chapitre 8 ● La conservation de l’énergie Le livre du professeur • Physique-Chimie • 3e 3.  Le graphique tracé à partir des valeurs du tableau est le suivant : 200 000 400 000 12 000 4 000 2 000 6 000 8 000 10 000 18 000 14 000 16 000 20 000 1 600 000 1 400 000 2 000 000 1 800 00 1 200 000 800 000 600 000 0 1 000 000 0 Masse (en kg) Énergie cinétique (en J) Graphique représentant l’énergie cinétique en fonction de la masse On observe que les points sont répartis le long d’une droite passant par l’origine. Ainsi, on peut en déduire que l’énergie cinétique d’un mobile est proportionnelle à sa masse. 4.  À partir des valeurs de vitesse du graphique, il est possible dans un premier temps de calculer le carré de la vitesse : Vitesse (en km/h) 18 36 54 72 90 108 Vitesse au carré (en (km/h)2) 182 = 324 362 = 1 296 542 = 2 916 722 = 5 184 902 = 8 100 1082 = 11 664 Ensuite, nous pouvons tracer le graphique de l’énergie cinétique en fonction de la vitesse au carré : 100 200 12 000 4 000 2 000 6 000 8 000 10 000 14 000 600 400 300 0 500 0 V2 (en (km/h)2) Énergie cinétique (en J) Graphique représentant l’énergie cinétique en fonction de la vitesse au carré 5.  Les points obtenus sont alignés et la droite qui passe au plus près de chacun de ces points, passe aussi par l’origine du repère. Ainsi, nous pouvons déduire que l’énergie cinétique est proportionnelle au carré de la vitesse de l’objet, autrement dit Ec = kv2. 100 200 12 000 4 000 2 000 6 000 8 000 10 000 14 000 600 400 300 0 500 0 V2 (en (km/h)2) V2 (en (km/h)2) 324 1 296 2 916 5 184 8 100 11 664 Ec (en kJ) 15 60 135 240 375 540 0 0 J K Énergie cinétique (en kJ) Graphique no2 Analyse des données 4 Chapitre 8 ● La conservation de l’énergie Le livre du professeur • Physique-Chimie • 3e 6.  L’hypothèse de la proportionnalité avec le carré de la vitesse étant très peu probable la réponse la plus fréquente pourrait être : « Non, l’hypothèse n’était pas correcte, car elle n’indiquait pas que l’énergie cinétique est proportionnelle au carré de la vitesse. » 7.  Comme l’énergie cinétique est proportionnelle à la masse, nous pouvons écrire que si seule la masse m est variable : Ec = k × m. L’énergie cinétique est aussi proportionnelle au carré de la vitesse donc nous pouvons écrire que si seule la vitesse v est variable : Ec = k’ × v2. Il en découle que lorsque la vitesse v et la masse m sont toutes les deux variables, l’énergie cinétique a pour expression : Ec = k’’mv2. Les indicateurs de uploads/Litterature/ livre-prof-spc3-chap08.pdf

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