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Exercices

Exercice corrigé

8

En trottinette.

Sylvain se rend au collège tous les matins en trottinette. Pour pouvoir avancer, il utilise de l’énergie chimique stockée par son corps sous forme de sucres et de dioxygène. Lorsqu’il s’élance, cette énergie est d’une part utilisée pour prendre de la vitesse et d’autre part convertie sous forme d’énergie thermique. Sylvain pèse 45 kg et atteint la vitesse de 12 km/h.

Étapes de la méthode

  • Identifier les différentes formes d’énergie (énergie cinétique, de position, électrique, chimique, thermique, lumineuse, etc.).
    Identifie les réservoirs d’énergie (noyaux, batterie, corps humain, espèces chimiques, etc.).
  • Observer l’ordre dans lequel les énergies sont abordées. Cet ordre permet de comprendre comment se fait la conversion d’énergie.
  • Pour utiliser l’expression de l’énergie cinétique, vérifier qu'on dispose des bonnes données dans les bonnes unités (J, kg, m/s). Si ce n’est pas le cas, il faut convertir dans ces unités-là.
  • Effectuer le calcul numérique en remplaçant chaque grandeur par sa valeur.

Corrigé :

  • Sylvain convertit de l’énergie chimique présente initialement dans les sucres en énergie cinétique pour se mettre en mouvement. Une partie de cette énergie est transformée en énergie thermique.
  • L’énergie cinétique de Sylvain est :
    Ec=12×m×v2\text{E}_{\text{c}} = \dfrac{1}{2} \times m \times v^{2}
    Ec=12×45×(12×10001×60×60)2\text{E}_{\text{c}} = \dfrac{1}{2} \times 45 \times (\dfrac{12 \times 1\:000}{1 \times 60 \times 60})^{2}
    Ec=250J.\text{E}_{\text{c}} = 250 \: \text{J}.
9

En camion.

Un camion se déplace à 100 km/h. Il pèse cinq tonnes. En freinant, ses plaquettes de frein s’échauffent et il finit par s’arrêter.

Je m'entraine

13

Course dans la savane.

Dans la savane, une lionne rattrape un gnou. Ils se déplacent tous les deux à 80 km/h.

Données :
  • masse d’une lionne : mlionne = 130 kg
  • masse d’un gnou : mgnou = 250 kg
14

Le pendule.

Un pendule est un système composé d’une bille suspendue au bout d’une corde qui peut se balancer. On écarte la bille de sa position d’équilibre puis on la lâche. Le pendule se met en mouvement.
16

Sur mon skate !

Paolo se déplace sur son skate en ligne droite à une vitesse de 10 km/h. Il pèse 75 kg.

Une notion, trois exercices

J'approfondis

19

Ampoules fluocompactes.

Pour remplacer les lampes à incandescence gourmandes en énergie, les fabricants de luminaires ont conçu les lampes fluocompactes. Pour une ampoule de 40 W fonctionnant pendant 1 seconde, l’énergie se répartit en : 6 J pour alimenter les électrodes à l’intérieur de la lampe, 19 J en énergie lumineuse visible et le reste en énergie thermique.
21

Définition du joule.

Un joule représente l’énergie de position perdue par une masse de 100 g qui tombe d’un mètre. On fait tomber une bille de 100 g qui possède initialement une énergie totale de 10 J.
24

Énergie en fonction de la vitesse au carré.

À l’aide d’un capteur, on enregistre la vitesse et l’énergie cinétique de l’ensemble « un scooter et son conducteur ». On obtient 3 mesures :
  • à 30 km/h, Ec = 5,85 kJ ;
  • à 50 km/h, Ec = 16,55 kJ ;
  • à 90 km/h, Ec = 52,65 kJ.
25

Gobelets autochauffants.

Il existe dans le commerce des gobelets autochauffants qui permettent de réchauffer des boissons sans besoin de réchaud. Dans un compartiment sous le gobelet, il y a deux espèces chimiques séparées par un film : de l’hydroxyde de calcium d’un côté et de l’eau de l’autre. En rompant ce film, la réaction entre les deux espèces chimiques génère de l’énergie thermique qui permet de chauffer le gobelet et la boisson.
26

La photosynthèse.

La conservation de l’énergie s’opère également dans le monde du vivant. Les plantes réalisent la photosynthèse. La photosynthèse permet à la plante de convertir l’énergie lumineuse du Soleil en formant du glucose et du dioxygène. Ces deux substances constituent un réservoir d’énergie chimique qui est stocké dans les cellules et dans l’environnement. Cette conversion s’accompagne d’une augmentation de la température des feuilles de la plante.
27

Énergie dans les muscles.

Au sein des muscles de notre corps, environ 20 % de l’énergie chimique qu’apporte le sang est convertie en énergie mécanique et 80 % en énergie thermique.
28

Expérience avec un ressort.

Lise et Fatoumata réalisent le dispositif suivant : elles fixent l’une des extrémités d’un ressort sur une table et elles accrochent à l’autre extrémité une bille (image 1). Elles étirent le ressort en tirant sur la bille (image 2). Elle possède alors une autre forme d’énergie appelée énergie potentielle élastique. Elles lâchent ensuite cette bille qui se met en mouvement et revient finalement à l’arrêt à la position initiale après plusieurs mouvements de va-et-vient (images 3, 4 et 5).

Je résous un problème

Aujourd’hui, les voitures hybrides associent un fonctionnement thermique et un fonctionnement électrique. Dans les voitures hybrides, une partie de cette énergie thermique est convertie par une commande électrique en énergie chimique stockée dans une batterie. Cette batterie pourra ensuite assister le moteur thermique dans certains cas.
Doc. 1
Les moteurs hybrides.
Dans une voiture classique, l’énergie thermique disponible lors de la combustion du carburant avec le dioxygène est transformée en énergie mécanique par le moteur thermique pour faire avancer la voiture.
Doc. 2
Conversion d’énergie dans un moteur thermique de voiture.

Exercices supplémentaires

Centrale nucléaire.

1.
En t’aidant du bilan n°4 ainsi que de recherches sur internet, rédige sur un ordinateur un texte illustré en expliquant le fonctionnement d’une centrale nucléaire, depuis l’Uranium dans le réacteur jusqu’à l’électricité distribuée au réseau électrique.

Le rendement.

Pour vérifier à quel point un système convertit bien l’énergie, on utilise une grandeur appelée rendement. La relation mathématique donnant le rendement est :
rr (en %) =eˊnergie convertie utile (en J)eˊnergie entrante (en J)×100= \dfrac{\text{énergie convertie utile (en J)}}{\text{énergie entrante (en J)}} \times 100.
m (en kg)01030507090
Ec (en kJ)06,519,432,445,458,3
Doc. 1
Énergie cinétique en fonction de la masse.

L'énergie en vélo.

Marine et Damien se promènent en vélo et Damien dit :
“En pédalant, je détruis de l’énergie chimique et je crée de l’énergie mécanique.”

Parcours de compétences

Parcours de compétences

Sur le parcours Paris-Lyon de 430 km, la vitesse de pointe d’un TGV peut être de 300 km/h, soit 83,3 m/s. Son énergie cinétique est alors de 1 340 MJ.

Niveau 1 - J’effectue une application numérique posée.

Coup de pouce : Vérifie qu’à 50 m/s, un train de 300 tonnes possède une énergie cinétique de 375 MJ :

Ec = 12\dfrac{1}{2} × 300 000 × 502.

Niveau 3 - Je déplace des variables dans une égalité, en accord avec les règles d’opération.

Coup de pouce : Choisis la formule qui exprime la vitesse du TGV : v=2×Ecmv = \sqrt{2 \times \dfrac{\text{E}_{\text{c}}}{m}} ou  v=2×mEcv = \sqrt{2 \times \dfrac{m}{\text{E}_{\text{c}}}}.

Niveau 2 - J’utilise une formule donnée en remplaçant les variables par leurs valeurs.

Coup de pouce : Vérifie qu’à 75 m/s, son énergie cinétique vaut 844 MJ.

Niveau 4 - J’isole correctement une variable dans une égalité pour obtenir son expression en fonction des autres variables.

Coup de pouce : En partant de la relation de l’énergie cinétique, exprime m en fonction de v et Ec.

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Expérience avec un ressort.

Expérience avec un ressort.
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