Aspects énergétiques des phénomènes mécaniques | Physique-Chimie | Terminale spécialité
Dernière mise à jour : 21 octobre 2026, 02:00
Une force constante de valeur \(F = 50\) N tire une caisse sur une distance \(d = 8{,}0\) m, la force faisant un angle \(\alpha = 30^\circ\) avec le déplacement.
Calcule le travail de cette force.
\(W=F\,d\,\cos\alpha=50\times 8{,}0\times\cos 30^\circ=50\times 8{,}0\times 0{,}87\approx 3{,}5\times 10^{2}\) J.
Un objet de masse \(m = 2{,}0\) kg descend d'une hauteur \(h = 3{,}0\) m. On prend \(g = 9{,}8\) m·s\(^{-2}\).
1. Exprime le travail du poids lors de cette descente. 2. Calcule-le. 3. Ce travail dépend-il du chemin suivi ?
1. Pour une descente d'une hauteur \(h\) : \(W(\vec{P})=+m\,g\,h\) (moteur, car le poids et le déplacement vertical sont dans le même sens).
2. \(W=2{,}0\times 9{,}8\times 3{,}0=58{,}8\approx 59\) J.
3. Non : le travail du poids ne dépend que de la dénivelée (altitude de départ et d'arrivée), pas du chemin suivi.
Une voiture de masse \(m = 1{,}0\times 10^{3}\) kg passe de la vitesse \(v_1 = 10\) m·s\(^{-1}\) à \(v_2 = 20\) m·s\(^{-1}\).
1. Énonce le théorème de l'énergie cinétique. 2. Calcule la variation d'énergie cinétique \(\Delta E_c\).
1. La variation d'énergie cinétique d'un système est égale à la somme des travaux des forces extérieures : \(\Delta E_c=\sum W(\vec{F})\).
2. \(\Delta E_c=\tfrac{1}{2}m\,v_2^2-\tfrac{1}{2}m\,v_1^2=\tfrac{1}{2}\times 10^{3}\times(20^2-10^2)=\tfrac{1}{2}\times 10^{3}\times 300=1{,}5\times 10^{5}\) J.
Une bille de masse \(m\) est lâchée sans vitesse d'une hauteur \(h\). On néglige les frottements. On note \(E_c\) l'énergie cinétique et \(E_p=m\,g\,z\) l'énergie potentielle de pesanteur.
1. Définis l'énergie mécanique \(E_m\). 2. Que peut-on dire de \(E_m\) au cours de la chute ? 3. Comment évoluent \(E_c\) et \(E_p\) ?
1. \(E_m=E_c+E_p\).
2. En l'absence de frottements, l'énergie mécanique se conserve : \(E_m=\text{cste}\).
3. \(E_p\) diminue (l'altitude baisse) et \(E_c\) augmente d'autant : il y a conversion de l'énergie potentielle en énergie cinétique.
Un pendule simple oscille sans frottement autour de sa position d'équilibre.
1. Où l'énergie cinétique est-elle maximale ? où l'énergie potentielle est-elle maximale ? 2. Qu'appelle-t-on période propre ? 3. Que devient l'amplitude des oscillations si l'on tient compte des frottements ?
1. \(E_c\) est maximale au passage par la position d'équilibre (vitesse maximale) ; \(E_p\) est maximale aux positions extrêmes (vitesse nulle). Sans frottement, à chaque instant \(E_c+E_p=\text{cste}\).
2. La période propre \(T_0\) est la période des oscillations libres du système (sans excitation ni frottement).
3. Avec frottements, l'énergie mécanique diminue : les oscillations sont amorties (l'amplitude décroît jusqu'à l'arrêt).
Un enfant (masse \(m = 30\) kg) part sans vitesse du haut d'un toboggan de hauteur \(h = 2{,}0\) m. On prend \(g = 10\) m·s\(^{-2}\).
1. En supposant les frottements négligeables, calcule la vitesse en bas du toboggan par conservation de l'énergie mécanique. 2. En réalité, on mesure \(v = 5{,}0\) m·s\(^{-1}\). Calcule l'énergie « perdue » par frottements.
1. Conservation : \(\tfrac{1}{2}m\,v^2=m\,g\,h\Rightarrow v=\sqrt{2gh}=\sqrt{2\times 10\times 2{,}0}=\sqrt{40}\approx 6{,}3\) m·s\(^{-1}\).
2. \(E_m\) au départ \(=m\,g\,h=30\times 10\times 2{,}0=600\) J. \(E_c\) en bas réel \(=\tfrac{1}{2}\times 30\times 5{,}0^2=375\) J. Énergie dissipée par frottements : \(600-375=225\) J.