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Troisième · Physique-Chimie · Chapitre 4

L'énergie et ses conversions

Ce que tu sauras faire

  • Citer les principales formes d'énergie et reconnaître celles qui interviennent dans une situation donnée.
  • Calculer une énergie cinétique avec la relation Ec=12×m×v2E_c = \dfrac{1}{2} \times m \times v^2, après avoir converti la vitesse en mètres par seconde.
  • Expliquer, à partir de l'énergie cinétique, pourquoi la distance de freinage est multipliée par quatre quand la vitesse double.
  • Utiliser l'énergie de position et comprendre sa conversion en énergie cinétique lors d'une chute ou d'une descente.
  • Construire une chaîne énergétique en distinguant réservoirs, convertisseurs et transferts.
  • Appliquer la conservation de l'énergie, identifier les pertes par transfert thermique et calculer un rendement.
  • Convertir entre joule, wattheure et kilowattheure, et distinguer sources renouvelables et non renouvelables dans la production d'électricité.

Au programme du chapitre

  1. L'énergie, ses formes et son unité
  2. L'énergie cinétique
  3. Énergie cinétique et sécurité routière
  4. L'énergie de position et l'énergie mécanique
  5. Chaînes énergétiques : réservoirs, convertisseurs, transferts
  6. Conservation de l'énergie, pertes et rendement
  7. Joule, wattheure, kilowattheure et facture
  8. Sources d'énergie et production d'électricité
  9. Économiser l'énergie et isoler

Exercices corrigés

Exercice 1

Un camarade affirme : « Sur l'autoroute je roule à 130 km/h au lieu de 110 km/h : ce n'est qu'un peu plus de vitesse, donc un peu plus d'énergie. » Que lui réponds-tu, et quelle grandeur faut-il comparer ?
Un coup de pouce
Ne compare pas les vitesses entre elles, mais les carrés des vitesses : c'est le carré qui intervient dans la formule.
Voir la correction pas à pas
Il raisonne comme si l'énergie cinétique était proportionnelle à la vitesse, alors qu'elle dépend de son carré. La bonne comparaison ne porte pas sur les vitesses, mais sur Ec=12×m×v2E_c = \dfrac{1}{2} \times m \times v^2, donc sur le rapport des carrés.
Le rapport des vitesses vaut 130÷110≈1,18130 \div 110 \approx 1{,}18. Le rapport des énergies vaut son carré, soit environ 1,182≈1,41{,}18^2 \approx 1{,}4 : il emporte près de 40 % d'énergie en plus, qu'il faudra entièrement dissiper pour s'arrêter. La distance de freinage augmente dans la même proportion. « Un peu plus de vitesse » n'est jamais « un peu plus d'énergie » : c'est toujours davantage.

Exercice 2

Un inventeur présente une machine qui, dit-il, fournit 1200 J d'énergie électrique alors qu'elle n'en reçoit que 1000 J. Il ajoute qu'elle pourrait ainsi se réalimenter elle-même et tourner sans fin. Que penser de cette annonce ?
Un coup de pouce
Calcule le rendement annoncé et demande-toi entre quelles valeurs un rendement peut se situer.
Voir la correction pas à pas
Elle est impossible, et on peut le dire sans même examiner la machine. L'énergie ne se crée pas : pour tout convertisseur, Erec¸ue=Eutile+EperdueE_{\text{reçue}} = E_{\text{utile}} + E_{\text{perdue}}, donc l'énergie utile est toujours inférieure à l'énergie reçue. Le rendement annoncé vaudrait 12001000=1,2\dfrac{1200}{1000} = 1{,}2, c'est-à-dire 120 %120\ \%, ce qui n'a aucun sens.
Deux explications sont vraisemblables : soit la machine reçoit en réalité de l'énergie d'une source qu'on a oublié de compter, soit la mesure est fausse. Quant au mouvement perpétuel, il est exclu pour la même raison : une machine réelle perd toujours de l'énergie par transfert thermique, et finit donc par s'arrêter si rien ne l'alimente.

Les pièges à éviter

  • Utiliser une vitesse en km/h dans la formule de l'énergie cinétique.
  • Croire que doubler la vitesse double l'énergie cinétique.
  • Élever la masse au carré au lieu de la vitesse.
  • Oublier le facteur un demi dans l'énergie cinétique.

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