3e prépa-métiers | Physique-Chimie | L'énergie et ses conversions
Dernière mise à jour : 21 octobre 2026
Matériel : un stylo et la calculatrice (autorisée). Lis chaque question jusqu'au bout avant de répondre. Écris toujours l'unité à côté du résultat.
| Vitesse | 50 km/h | 90 km/h | 130 km/h |
|---|---|---|---|
| Distance de freinage (route sèche) | 14 m | 45 m | 93 m |
Source : Délégation à la sécurité et à la circulation routières, dépliant « La vitesse : connaissez-vous ses effets et ses risques ? » (securite-routiere.gouv.fr, 2010).
C1 · Aide : un objet qui bouge a de l'énergie cinétique. Un objet immobile n'en a pas.
1. Pour chaque objet, coche la bonne case.
| Objet | A de l'énergie cinétique | N'a pas d'énergie cinétique |
|---|---|---|
| Un vélo garé contre un mur | ☐ | ☐ |
| Un camion qui roule sur l'autoroute | ☐ | ☐ |
| Une trottinette électrique qui roule | ☐ | ☐ |
| Un scooter arrêté au feu rouge | ☐ | ☐ |
2. Complète : l'énergie se mesure en ; son symbole est .
3. L'énergie cinétique dépend de deux grandeurs. Entoure-les.
la masse / la couleur / la vitesse / la température
Sur une route de campagne, une voiture et un camion roulent à la même vitesse : 80 km/h.
4. Lequel a le plus d'énergie cinétique ? Entoure : la voiture / le camion
5. Complète : il a plus d'énergie cinétique car sa est plus grande.
1. 0,5 pt par ligne. Vélo garé : pas d'énergie cinétique. Camion qui roule : énergie cinétique. Trottinette qui roule : énergie cinétique. Scooter arrêté : pas d'énergie cinétique (il est immobile : Ec = 0 J).
2. En joules ; symbole J (0,5 pt chacun).
3. La masse et la vitesse (0,5 pt chacune).
4. Le camion (0,5 pt).
5. Sa masse est plus grande : les deux vont à la même vitesse, mais le camion est beaucoup plus lourd (0,5 pt).
C2 · Aide : Ec = ½ × m × v². « ½ » se tape 0,5. La masse m est en kg, la vitesse v en m/s, l'énergie Ec en J.
Un cycliste et son vélo ont une masse de 75 kg. Ils roulent à 4 m/s.
1. m = kg ; v = m/s
2. Calcule le carré de la vitesse : 4² = 4 × 4 =
3. Ec = 0,5 × × = J
Une trottinette électrique et son utilisateur ont une masse de 90 kg. Ils roulent à 18 km/h.
4. Convertis la vitesse : 18 ÷ 3,6 = m/s
5. Ec = 0,5 × 90 × ² = J
1. m = 75 kg ; v = 4 m/s (0,5 pt chacun).
2. 4² = 4 × 4 = 16 (1 pt).
3. Ec = 0,5 × 75 × 16 = 600 J (0,5 pt pour les valeurs, 1 pt pour le résultat avec l'unité).
4. 18 ÷ 3,6 = 5 m/s (0,5 pt).
5. Ec = 0,5 × 90 × 5² = 0,5 × 90 × 25 = 1 125 J (1 pt).
C3 · Aide : masse × 2 → énergie × 2. Vitesse × 2 → énergie × 4.
Une voiture roule d'abord à 30 km/h, puis à 60 km/h. Sa masse ne change pas.
1. La vitesse est multipliée par : 60 ÷ 30 =
2. L'énergie cinétique est multipliée par (entoure) : 2 / 4 / 6
Une camionnette de 2 000 kg et une voiture de 1 000 kg roulent à la même vitesse.
3. La masse de la camionnette est celle de la voiture multipliée par : 2 000 ÷ 1 000 =
4. L'énergie cinétique de la camionnette est plus grande. Combien de fois ? Entoure : 2 fois / 4 fois
5. Vrai ou faux ? Entoure la bonne réponse.
« Rouler deux fois plus vite, c'est avoir deux fois plus d'énergie cinétique. » VRAI / FAUX
1. 60 ÷ 30 = 2 : la vitesse est multipliée par 2 (1 pt).
2. Vitesse × 2 → énergie × 2 × 2 : l'énergie est multipliée par 4 (1 pt).
3. 2 000 ÷ 1 000 = 2 (1 pt).
4. Masse × 2 → énergie × 2 : 2 fois (1 pt).
5. FAUX : rouler deux fois plus vite, c'est avoir quatre fois plus d'énergie cinétique (1 pt).
C4, C5 · Aide : distance de réaction = v × t, avec v en m/s et t en s. La distance de freinage se lit dans le tableau des rappels.
Une voiture roule à 90 km/h sur une route sèche. Le conducteur voit un danger. Son temps de réaction est de 1 s.
1. Complète : distance d'arrêt = distance de + distance de
2. v = 90 ÷ 3,6 = m/s ; distance de réaction = × 1 = m
3. Lis dans le tableau la distance de freinage à 90 km/h : m
4. Distance d'arrêt = + = m
5. Pour chaque situation, coche la distance qui augmente.
| Situation | Distance de réaction | Distance de freinage |
|---|---|---|
| Le conducteur lit un message sur son téléphone | ☐ | ☐ |
| Il pleut : la route est mouillée | ☐ | ☐ |
| Le conducteur est très fatigué | ☐ | ☐ |
6. Écris une règle de sécurité pour le conducteur.
1. Distance d'arrêt = distance de réaction + distance de freinage (0,5 pt chacune).
2. v = 90 ÷ 3,6 = 25 m/s (0,5 pt) ; distance de réaction = 25 × 1 = 25 m (0,5 pt).
3. Distance de freinage = 45 m (0,5 pt).
4. Distance d'arrêt = 25 + 45 = 70 m (0,5 pt).
5. 0,5 pt par ligne. Téléphone : distance de réaction. Route mouillée : distance de freinage. Fatigue : distance de réaction.
6. Une règle parmi : ne pas toucher au téléphone en conduisant ; rouler moins vite sous la pluie ; s'arrêter quand on est fatigué ; respecter les limitations de vitesse (0,5 pt).
C1 · Réponds par une phrase.
1. Pour chaque objet, écris « oui » s'il a de l'énergie cinétique, « non » sinon. Justifie.
a) Un ballon qui roule sur un terrain de football :
b) Une voiture garée sur un parking :
c) Un bus qui roule à 30 km/h :
2. L'énergie cinétique dépend de deux grandeurs. Nomme-les et donne l'unité de chacune.
3. Donne le nom et le symbole de l'unité de l'énergie.
4. Un vélo et son cycliste (80 kg) et un scooter et son conducteur (150 kg) roulent tous les deux à 30 km/h. Lequel a la plus grande énergie cinétique ? Justifie.
1. 0,5 pt chacun. a) Oui : le ballon bouge. b) Non : la voiture est immobile, Ec = 0 J. c) Oui : le bus bouge.
2. La masse, en kg, et la vitesse, en m/s (0,5 pt chacune).
3. Le joule, symbole J (0,5 pt chacun).
4. Le scooter (0,5 pt). Les deux ont la même vitesse, mais le scooter a une plus grande masse : 150 kg > 80 kg (1 pt).
C2 · Écris la formule, remplace, calcule, puis écris l'unité.
1. Écris la formule de l'énergie cinétique. Donne l'unité de Ec, de m et de v.
2. Un cycliste et son vélo ont une masse de 70 kg. Ils roulent à 6 m/s. Calcule leur énergie cinétique.
Une petite voiture a une masse de 1 200 kg. Elle roule à 54 km/h.
3. Convertis la vitesse en m/s.
4. Calcule l'énergie cinétique de la voiture.
1. Ec = ½ × m × v² (0,5 pt). Ec en joules (J), m en kg, v en m/s (0,5 pt).
2. Ec = 0,5 × 70 × 6² = 0,5 × 70 × 36 = 1 260 J (0,5 pt formule, 0,5 pt calcul, 0,5 pt unité).
3. 54 ÷ 3,6 = 15 m/s (1 pt).
4. Ec = 0,5 × 1 200 × 15² = 0,5 × 1 200 × 225 = 135 000 J (1,5 pt). Si l'élève a gardé 54 km/h, le résultat est faux : 0 pt au calcul.
C3 · On compare trois véhicules.
| Véhicule | Masse | Vitesse |
|---|---|---|
| A : voiture | 1 000 kg | 15 m/s |
| B : camionnette | 2 000 kg | 15 m/s |
| C : voiture | 1 000 kg | 30 m/s |
1. Calcule l'énergie cinétique de A.
2. Entre A et B, quelle grandeur change ? Par combien est-elle multipliée ? Déduis-en l'énergie cinétique de B, sans refaire le calcul.
3. Entre A et C, quelle grandeur change ? Par combien est-elle multipliée ? Déduis-en l'énergie cinétique de C.
4. Léa dit : « Si je roule deux fois plus vite, j'ai deux fois plus d'énergie. » Corrige sa phrase.
1. Ec(A) = 0,5 × 1 000 × 15² = 0,5 × 1 000 × 225 = 112 500 J (1 pt).
2. La masse change (0,5 pt) : 2 000 ÷ 1 000 = × 2 (0,5 pt). Masse × 2 → énergie × 2 : Ec(B) = 112 500 × 2 = 225 000 J (0,5 pt).
3. La vitesse change (0,5 pt) : 30 ÷ 15 = × 2. Vitesse × 2 → énergie × 4 (0,5 pt) : Ec(C) = 112 500 × 4 = 450 000 J (0,5 pt).
4. Si Léa roule deux fois plus vite, elle a quatre fois plus d'énergie cinétique, car 2² = 2 × 2 = 4 (1 pt).
C4, C5 · Utilise le tableau des rappels. Arrondis les distances à l'unité.
En ville, Karim roule à 50 km/h sur une route sèche. Il est attentif : son temps de réaction est de 1 s.
1. Écris la relation entre la distance d'arrêt, la distance de réaction et la distance de freinage.
2. Convertis la vitesse en m/s (arrondis au dixième), puis calcule la distance de réaction.
3. Calcule la distance d'arrêt de la voiture.
4. Le soir, Karim est très fatigué : son temps de réaction passe à 2 s. Calcule sa nouvelle distance d'arrêt sur la même route.
5. Il se met à pleuvoir. Quelle distance augmente : la distance de réaction ou la distance de freinage ? Donne une règle de sécurité.
1. distance d'arrêt = distance de réaction + distance de freinage (1 pt).
2. v = 50 ÷ 3,6 ≈ 13,9 m/s (0,5 pt). Distance de réaction = v × t = 13,9 × 1 ≈ 14 m (0,5 pt).
3. Distance de freinage à 50 km/h : 14 m. Distance d'arrêt = 14 + 14 = 28 m (1 pt).
4. Distance de réaction = 13,9 × 2 = 27,8 ≈ 28 m (0,5 pt). Distance d'arrêt = 28 + 14 = 42 m, soit 14 m de plus (0,5 pt).
5. La distance de freinage : sur route mouillée, la voiture freine moins bien (0,5 pt). Règle : rouler moins vite sous la pluie (0,5 pt).
C1 · Réponds par des phrases complètes.
1. Malik dit : « Un camion garé a beaucoup d'énergie cinétique, car il est très lourd. » A-t-il raison ? Justifie.
2. Un camion de 19 000 kg et une voiture de 1 200 kg roulent sur l'autoroute à 90 km/h. Lequel a la plus grande énergie cinétique ? Justifie.
3. Explique pourquoi, en cas de choc avec un piéton, les blessures sont plus graves quand la voiture roule plus vite. Utilise les mots « énergie cinétique » et « vitesse ».
4. Quand une voiture freine, son énergie cinétique est convertie en une autre forme d'énergie. Laquelle ? Quel indice le montre ?
1. Non (0,5 pt). Un camion garé est immobile : son énergie cinétique est nulle, Ec = 0 J, quelle que soit sa masse (1 pt).
2. Le camion (0,5 pt) : ils ont la même vitesse, mais le camion a une masse beaucoup plus grande (0,5 pt).
3. Plus la vitesse est grande, plus l'énergie cinétique de la voiture est grande (0,5 pt). Lors du choc, c'est cette énergie qui fait les dégâts (0,5 pt) : le choc est plus violent. De plus, vitesse × 2 donne énergie × 4 (0,5 pt).
4. En énergie thermique (0,5 pt). Indice : les freins chauffent (0,5 pt).
C2 · Rédige chaque calcul : formule, valeurs, résultat avec l'unité.
1. Un scooter et son conducteur ont une masse de 160 kg. Ils roulent à 45 km/h. Calcule leur énergie cinétique.
2. Un camion chargé a une masse de 19 000 kg. Il roule à 90 km/h. Calcule son énergie cinétique.
3. Combien de fois l'énergie cinétique du camion est-elle plus grande que celle du scooter ?
1. v = 45 ÷ 3,6 = 12,5 m/s (0,5 pt). Ec = ½ × m × v² = 0,5 × 160 × 12,5² = 0,5 × 160 × 156,25 = 12 500 J (1,5 pt).
2. v = 90 ÷ 3,6 = 25 m/s (0,5 pt). Ec = 0,5 × 19 000 × 25² = 0,5 × 19 000 × 625 = 5 937 500 J (1 pt).
3. 5 937 500 ÷ 12 500 = 475 : l'énergie cinétique du camion est 475 fois plus grande (1,5 pt).
C3 · Une voiture de 1 000 kg peut rouler à trois vitesses : 10 m/s (36 km/h), 20 m/s (72 km/h) ou 30 m/s (108 km/h).
1. Sans calcul : quand la voiture passe de 10 m/s à 20 m/s, par combien son énergie cinétique est-elle multipliée ? Justifie.
2. Sans calcul : quand elle passe de 10 m/s à 30 m/s, par combien son énergie cinétique est-elle multipliée ? Justifie.
3. Vérifie ta réponse à la question 2 en calculant l'énergie cinétique à 10 m/s et à 30 m/s.
4. Pour réduire l'énergie d'un choc, vaut-il mieux diviser la masse par 2 ou diviser la vitesse par 2 ? Justifie.
1. La vitesse est multipliée par 2 (20 ÷ 10 = 2) (0,5 pt). L'énergie est multipliée par 2² = 2 × 2 = 4 (1 pt).
2. La vitesse est multipliée par 3 (30 ÷ 10 = 3) (0,5 pt). L'énergie est multipliée par 3² = 3 × 3 = 9 (1 pt).
3. À 10 m/s : Ec = 0,5 × 1 000 × 10² = 50 000 J. À 30 m/s : Ec = 0,5 × 1 000 × 30² = 450 000 J. Et 450 000 ÷ 50 000 = 9 (1 pt).
4. Il vaut mieux diviser la vitesse par 2 (0,5 pt) : l'énergie est alors divisée par 4, alors qu'en divisant la masse par 2, elle n'est divisée que par 2 (0,5 pt).
C4, C5 · Utilise le tableau des rappels. Arrondis les distances à l'unité.
La nuit, Inès roule à 90 km/h sur une route de campagne sèche. Un chevreuil surgit sur la route, 60 m devant la voiture.
1. Inès est attentive : son temps de réaction est de 1 s. Calcule sa distance d'arrêt. Peut-elle s'arrêter avant le chevreuil ?
2. Si Inès était très fatiguée, son temps de réaction serait de 2 s. Calcule sa distance d'arrêt. Donne une règle de sécurité.
3. Si Inès roulait à 50 km/h, avec 1 s de réaction, s'arrêterait-elle avant le chevreuil ? Justifie par un calcul.
4. Sous la pluie, à 90 km/h, la distance d'arrêt serait-elle plus grande ou plus petite qu'à la question 1 ? Pourquoi ?
1. v = 90 ÷ 3,6 = 25 m/s (0,5 pt). Distance de réaction = 25 × 1 = 25 m (0,5 pt). Distance d'arrêt = 25 + 45 = 70 m (0,5 pt). 70 m > 60 m : non, la voiture n'est pas arrêtée quand elle arrive au chevreuil (0,5 pt).
2. Distance de réaction = 25 × 2 = 50 m (0,5 pt). Distance d'arrêt = 50 + 45 = 95 m (0,5 pt). Règle : s'arrêter pour se reposer quand on est fatigué (0,5 pt).
3. v = 50 ÷ 3,6 ≈ 13,9 m/s ; distance de réaction ≈ 14 m ; distance d'arrêt = 14 + 14 = 28 m (0,5 pt). 28 m < 60 m : oui, elle s'arrêterait avant le chevreuil (0,5 pt).
4. Plus grande : sur route mouillée, la voiture freine moins bien, donc la distance de freinage augmente (0,5 pt).