Physique

Objectifs d’apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

• Expliquer la loi de la conservation de l’énergie.
• Décrire certaines des nombreuses formes d’énergie.
• Définir l’efficacité d’un processus de conversion d’énergie comme la fraction laissée sous forme d’énergie utile ou de travail, plutôt que d’être transformée, par exemple, en énergie thermique.

Making Connections : Utilité du principe de conservation de l’énergie

Le fait que l’énergie soit conservée et qu’elle ait plusieurs formes la rend très importante. Vous constaterez que l’énergie est abordée dans de nombreux contextes, car elle intervient dans tous les processus. Il deviendra également évident que de nombreuses situations sont mieux comprises en termes d’énergie et que les problèmes sont souvent plus facilement conceptualisés et résolus en considérant l’énergie.

Stratégies de résolution de problèmes pour l’énergie

Vous trouverez les stratégies de résolution de problèmes suivantes utiles chaque fois que vous traiterez de l’énergie. Ces stratégies permettent d’organiser et de renforcer les concepts énergétiques. En fait, elles sont utilisées dans les exemples présentés dans ce chapitre. Les stratégies générales de résolution de problèmes familières présentées précédemment – impliquant l’identification des principes physiques, des connaissances et des inconnues, la vérification des unités, et ainsi de suite – restent pertinentes ici.

Étape 1. Déterminer le système d’intérêt et identifier les informations données et la quantité à calculer. Un croquis sera utile.

Étape 2. Examinez toutes les forces impliquées et déterminez si vous connaissez ou si on vous donne l’énergie potentielle provenant du travail effectué par les forces. Ensuite, utilisez l’étape 3 ou l’étape 4.

Étape 3. Si vous connaissez les énergies potentielles pour les forces qui entrent dans le problème, alors les forces sont toutes conservatrices, et vous pouvez appliquer la conservation de l’énergie mécanique simplement en termes d’énergie potentielle et cinétique. L’équation exprimant la conservation de l’énergie est KEi + PEi = KEf + PEf.

Étape 4. Si vous connaissez l’énergie potentielle pour seulement certaines des forces, peut-être parce que certaines d’entre elles sont non-conservatives et n’ont pas d’énergie potentielle, ou s’il y a d’autres énergies qui ne sont pas facilement traitées en termes de force et de travail, alors la loi de conservation de l’énergie dans sa forme la plus générale doit être utilisée.

KEi + PEi + Wnc + OEi = KEf + PEf +OEf.

Dans la plupart des problèmes, un ou plusieurs des termes sont nuls, ce qui simplifie sa solution. Ne calculez pas Wc, le travail effectué par les forces conservatrices ; il est déjà incorporé dans les termes PE.

Étape 5. Vous avez déjà identifié les types de travail et d’énergie impliqués (à l’étape 2). Avant de résoudre l’inconnue, éliminez des termes partout où cela est possible pour simplifier l’algèbre. Par exemple, choisissez h=0 au point initial ou final, de sorte que PEg soit nul à cet endroit. Résolvez ensuite l’inconnue de la manière habituelle.

Étape 6. Vérifiez la réponse pour voir si elle est raisonnable. Une fois que vous avez résolu un problème, réexaminez les formes de travail et d’énergie pour voir si vous avez établi correctement l’équation de conservation de l’énergie. Par exemple, le travail effectué contre la friction devrait être négatif, l’énergie potentielle au bas d’une colline devrait être inférieure à celle du haut, et ainsi de suite. Vérifiez également que la valeur numérique obtenue est raisonnable. Par exemple, la vitesse finale d’un skateur qui dévale une rampe de 3 m de haut pourrait raisonnablement être de 20 km/h, mais pas de 80 km/h.

Figure 1. L’énergie solaire est transformée en énergie électrique par des cellules solaires, qui est utilisée pour faire fonctionner un moteur dans cet avion à énergie solaire. (crédit : NASA)

Explorations PhET : Masses et ressorts

Un laboratoire réaliste de masses et de ressorts. Suspendez des masses à des ressorts et ajustez la rigidité et l’amortissement du ressort. Vous pouvez même ralentir le temps. Transportez le laboratoire sur différentes planètes. Un tableau montre les énergies cinétique, potentielle et thermique pour chaque ressort.

Cliquez pour exécuter la simulation.

Questions conceptuelles

1. Considérez le scénario suivant. Une voiture pour laquelle le frottement n’est pas négligeable accélère depuis l’arrêt en descendant une colline, tombant en panne d’essence après une courte distance. Le conducteur laisse la voiture descendre plus bas dans la colline, puis monter et franchir une petite crête. Il descend ensuite la colline jusqu’à une station-service, où il freine pour s’arrêter et remplir le réservoir d’essence. Identifiez les formes d’énergie dont dispose la voiture, et comment elles sont modifiées et transférées dans cette série d’événements. (Voir la figure 2.)
   

   Figure 2. Une voiture subissant une friction non négligeable dévale une colline, franchit une petite crête, puis redescend, et s’arrête à une station-service.

2. Une voiture subissant une friction non négligeable dévale une colline, franchit une petite crête, puis redescend, et s’arrête à une station-service.
3. Une voiture qui dévale une colline, franchit une crête puis redescend et s’arrête finalement à une station-service. Chacune de ces positions est marquée d’une flèche pointant vers le bas.
4. Décrivez les transferts et les transformations d’énergie pour un javelot, à partir du point où un athlète ramasse le javelot et jusqu’au moment où le javelot est planté dans le sol après avoir été lancé.
5. Les dispositifs dont l’efficacité est inférieure à un violent-ils la loi de conservation de l’énergie ? Expliquez.
6. Listez quatre formes ou types d’énergie différents. Donnez un exemple de conversion de chacune de ces formes en une autre forme.
7. Listez les conversions d’énergie qui se produisent lorsqu’on fait du vélo.

Problèmes &Exercices

1. En utilisant les valeurs du tableau 1, combien de molécules d’ADN pourraient être brisées par l’énergie transportée par un seul électron dans le faisceau d’un tube de télévision à l’ancienne ? (Ces électrons n’étaient pas dangereux en eux-mêmes, mais ils créaient des rayons X dangereux. Les modèles ultérieurs de téléviseurs à tube étaient dotés d’un blindage qui absorbait les rayons X avant qu’ils ne s’échappent et n’exposent les téléspectateurs.)
2. En utilisant des considérations énergétiques et en supposant une résistance à l’air négligeable, montrez qu’une pierre lancée d’un pont à 20,0 m au-dessus de l’eau avec une vitesse initiale de 15.
3. Si l’énergie des bombes à fusion était utilisée pour répondre aux besoins énergétiques du monde, combien de bombes de 9 mégatonnes seraient nécessaires pour fournir une année d’énergie (en utilisant les données du tableau 1) ? Ce n’est pas aussi farfelu que cela peut paraître – il existe des milliers de bombes nucléaires, et leur énergie peut être piégée dans des explosions souterraines et convertie en électricité, comme l’est l’énergie géothermique naturelle.
4. (a) L’utilisation de la fusion de l’hydrogène pour fournir de l’énergie est un rêve qui pourrait se réaliser au cours du prochain siècle. La fusion serait une source d’énergie relativement propre et presque illimitée, comme on peut le voir dans le tableau 1. Pour illustrer cela, calculez pendant combien d’années les besoins énergétiques actuels du monde pourraient être satisfaits par un millionième de l’énergie de fusion de l’hydrogène des océans. (b) Comment cette durée se compare-t-elle à des événements historiquement significatifs, tels que la durée des systèmes économiques stables ?

Solutions choisies aux problèmes &Exercices

1. 4 × 104 molécules

2. en égalisant ΔPEg et ΔKE, on obtient v=\sqrt{2gh+v_0^2}=\sqrt{2\left(9.80\text{ m/s}^2\right)\left(20.0\text{ m}\right)+\left(15.0\text{ m/s}\right)^2}=24.8\text{ m/s}\\

4. (a) 25 × 106 ans ; (b) C’est beaucoup, beaucoup plus long que les échelles de temps humaines.

1. Valeurs représentatives ↵