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Exercices

Sommaire

Je me teste

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.
1.
Réalise la chaine énergétique de Sylvain lorsqu’il s’élance en trottinette.
2.
Calcule son énergie cinétique lorsqu'il avance à 12 km/h.
Doc. 1
Trotinette.

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×(12×1 0001×60×60)2\text{E}_{\text{c}} = \dfrac{1}{2} \times 45 \times (\dfrac{12 \times 1\:000}{1 \times 60 \times 60})^{2}
    Ec=250 J.\text{E}_{\text{c}} = 250 \: \text{J}.
Doc. 2
Energie.
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.
1.
Représente la chaine énergétique des plaquettes de frein.
2.
Calcule l’énergie cinétique que possède le camion initialement.
Doc. 3
Camion.

Je m'entraine

10

L’énergie éolienne.

À l’aide de la chaine énergétique d’une éolienne, réponds aux questions suivantes :
1.
Quelle énergie souhaite-t-on obtenir avec une éolienne ?
2.
Quelle est l’énergie initiale dans la chaine énergétique ?
3.
Nomme le convertisseur présent dans cette chaine.
4.
Pour quelle raison utilise-t-on les éoliennes ?
5.
Toute l’énergie du réservoir initiale est-elle convertie par l’éolienne ? Justifie ta réponse.
Doc. 1
L'énergie éolienne.
11

Lancer de ballon.

Laura lance un ballon de rugby verticalement vers le haut. Elle observe alors le mouvement de ce ballon. Dans un premier temps, il s’élève en perdant de la vitesse. À son altitude maximum, sa vitesse s’annule un instant, puis il redescend avec de plus en plus de vitesse.
1.
Dans la première phase du mouvement, justifie la variation d’énergie cinétique du ballon.
2.
Dans la première phase du mouvement, justifie la variation d’énergie de position du ballon.
3.
Dans la seconde phase du mouvement, justifie la variation d’énergie cinétique du ballon.
4.
Dans la seconde phase du mouvement, justifie la variation d’énergie de position du ballon.
5.
Dans quelle(s) partie(s) du mouvement l’énergie du ballon se conserve-t-elle ?
12

Freinage d’une roue de vélo.

Réalise cette expérience chez toi : retourne ton vélo et fais tourner la roue de devant. Appuie progressivement sur le frein avant.
1.
Observe le mouvement de la roue. Comment varie la vitesse de celle-ci lorsque tu appuies sur le frein ?
2.
Quelle est l’énergie mise en jeu lors du mouvement de la roue ?
3.
Lorsque la roue est arrêtée, touche la partie du frein située à côté de la roue. Qu’observes-tu concernant sa température ?
4.
Réalise une chaine énergétique contenant les éléments suivants : frein, roue, environnement.
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
1.
Calcule l’énergie cinétique de la lionne.
2.
Calcule l’énergie cinétique du gnou.
3.
Lequel des deux animaux doit convertir le plus d’énergie pour atteindre 80 km/h ? Justifie ta réponse à l’aide des énergies cinétiques calculées précédemment.
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.
1.
Décris les formes d’énergie que possède la bille ainsi que les conversions mises en jeu lors du mouvement.
2.
Comment expliquer qu’au bout d’un certain temps, il n’y ait plus de balancement ?
Doc. 2
Le pendule.
15

Le chargeur de téléphone.

Pour recharger son téléphone, Djibril branche son chargeur au secteur et alimente la batterie du téléphone. Il constate un échauffement après quelques heures.
1.
Quelle forme d’énergie permet de convertir le chargeur de téléphone ?
2.
Dans quel réservoir se trouve l’énergie chimique du téléphone ?
3.
Quelle forme d’énergie est responsable de l’échauffement du chargeur ?
4.
Dans quel réservoir sera stockée cette énergie-là ?
16

Sur mon skate !

Paolo se déplace sur son skate en ligne droite à une vitesse de 10 km/h. Il pèse 75 kg.
1.
Détermine l’énergie cinétique que possède Paolo lorsqu’il est en mouvement.

Une notion, trois exercices

17

Un montagne russe

Timéo observe une montagne russe. Grâce à son smartphone, il détermine que la vitesse du train en bas d’une descente est de 28 m/s. Chaque train avec ses passagers pèse 4 000 000 g. Timéo constate qu’en remontant, la vitesse du train diminue progressivement et que celui-ci termine à l’arrêt lorsqu’il a fini de remonter.
1.
Quelle énergie est associée au mouvement du train en bas de la descente ?
2.
Quelle est la forme d’énergie, liée à l’altitude, que possède le train à la fin de son ascension ?
3.
Rappelle l’expression de l’énergie cinétique d’un objet en mouvement avec les unités.
4.
Convertis la masse du train et de ses passagers en kg.
5.
Calcule l’énergie cinétique du train et de ses passagers en bas de la descente.
6.
Décris l’évolution de l’énergie cinétique du train lors de sa remontée. Que devient cette énergie ?
7.
Déduis-en la valeur de l’énergie de position lorsque le train a fini de remonter.
17

Du saut à l'élastique

Marty va faire du saut à l’élastique et se filme en train de réaliser son saut. Il détermine qu’il atteint une vitesse de 14 m/s juste avant que l’élastique ne soit tendu. Marty pèse 75 000 g.
1.
Donne la forme d’énergie que possède Marty au moment de sauter.
2.
Donne l’évolution de cette énergie au fur et à mesure du saut. Que devient-elle ?
3.
Convertis la masse de Marty en kg.
4.
Calcule l’énergie cinétique de Marty lorsqu’il atteint la vitesse de 14 m/s.
17

Le lance-balles de tennis

Pour améliorer son coup droit, Norah utilise un lance-balles qui lui envoie des balles de tennis à une vitesse de 5 m/s. Chaque balle pèse 58,5 g. Pour tester l’appareil, Norah tire les balles verticalement. Elle observe également que la vitesse des balles diminue lorsqu’elles gagnent de l’altitude. On considère que l’énergie de position de la balle est nulle au moment où la balle sort du lance-balles.
1.
Calcule l’énergie cinétique de la balle de tennis lorsqu’elle sort du lanceur.
2.
Décris l’évolution de l’énergie cinétique de la balle lors de sa montée. Que devient cette énergie ?
3.
Calcule, en détaillant ton raisonnement, la valeur de l’énergie de position de la balle lorsqu’elle atteint son altitude maximale.

J'approfondis

18

Pendule de Newton.

Le pendule de Newton est composé de cinq billes suspendues par des fils. Lorsqu’on écarte la 1re bille de la position d’équilibre et qu’on la lâche, elle perd de l’altitude et vient frapper la 2e bille. Son énergie cinétique est transferée jusqu’à la dernière bille et la met en mouvement. Chaque bille a une masse de 100 g.
1.
La perte d'altitude de la 1re bille pour une hauteur h de 5 cm correspond à une énergie de position de 0,049 J. En quelle énergie l’énergie de position de la bille est-elle convertie ?
2.
À l’aide du principe de conservation de l’énergie, donne la valeur de l’énergie cinétique de la 1re bille lorsqu’elle atteint le même niveau que les autres.
3.
Calcule alors la vitesse de la 1re bille lorsqu’elle touche la 2e.
4.
L’énergie cinétique de la 1re bille est intégralement transmise à la 5e bille. À quelle vitesse la 5e bille quitte-t-elle la 4e ? Justifie ta réponse.
5.
La vitesse de la 5e bille deviendra-t-elle nulle, et si oui, à quelle altitude ? Justifie ta réponse.
6.
Décris la suite de l’évolution du pendule de Newton.
Doc. 1
Le pendule de Newton.
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.
1.
Calcule l’énergie électrique fournie à l’ampoule fluocompacte pendant 1 seconde.
2.
À l’aide de la conservation de l’énergie, déduis la quantité d’énergie thermique convertie par la lampe.
20

Expression de l’énergie de position.

L’énergie de position est également appelée énergie potentielle de pesanteur.
Son expression est donnée par la relation :
Ep = m × g × h en N, avec g = 9,8 N/kg, m en kg et h en m.
1.
À l’aide de son expression, donne les paramètres dont dépend l’énergie potentielle de pesanteur.
2.
Calcule l’énergie potentielle de pesanteur dans les cas suivants :
a. un corps de 1 kg à 1 m d’altitude.
b. un corps de 1 kg à 10 m d’altitude.
c. un corps de 20 kg à 1 m d’altitude.
d. un corps de 20 kg à 10 m d’altitude.
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.
1.
Calcule l’énergie de position, cinétique et totale de la bille après 1 m, 2 m, 5 m et 10 m.
2.
Trace le graphique des énergies de position, cinétique et totale en fonction de l’altitude de la bille.
3.
Calcule la vitesse atteinte par la bille lorsqu’elle touche le sol.
22

Footing du dimanche.

En faisant son footing, Claire, qui a une masse de 50 kg, regarde sa vitesse sur une application de son smartphone. L’application indique 13 km/h.
1.
Convertis la vitesse de Claire en m/s.
2.
Calcule l’énergie cinétique que possède Claire lors de son footing.
3.
Parfois, Claire ajoute à chaque cheville un bracelet lesté de 1 kg. Calcule la nouvelle masse de Claire ainsi que sa nouvelle énergie cinétique.
4.
À quelle vitesse devrait courir Claire pour avoir la même énergie sans bracelets lestés aux chevilles ?
23

Énergie cinétique et chute d’un immeuble.

En ville, la vitesse est limitée à 50 km/h. Une des campagnes de sensibilisation de la sécurité routière disait : « Un choc à 50 km/h équivaut à une chute d’un immeuble de quatre étages. »
1.
Convertis 50 km/h en m/s.
2.
Calcule l’énergie cinétique d’un adolescent de 50 kg qui se déplacerait à 50 km/h.
3.
À l’aide de l’expression de l’énergie de position p. 177, calcule la hauteur d’une chute dont l’énergie de position a la même valeur que l’énergie cinétique calculée précédemment.
4.
Sachant qu’un étage d’immeuble fait 2,50 m, calcule le nombre d’étages correspondant à la chute.
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.
1.
Convertis chacune des vitesses en m/s.
2.
Élève au carré les vitesses de la question 1.
3.
Convertis les énergies cinétiques en J.
4.
Quel coefficient de proportionnalité relie l’énergie cinétique et le carré de la vitesse ?
5.
Détermine la masse du conducteur et de son scooter.
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.
1.
Représente la chaine énergétique du gobelet autochauffant.
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.
1.
À l’aide du texte, représente la chaine énergétique du processus de photosynthèse.
2.
Utilise tes connaissances sur le développement des végétaux pour associer aux différents processus biologiques d’un arbre les conversions et transferts d’énergie qui leur correspondent.
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.
1.
Représente la chaine énergétique d’un muscle.
2.
Pour une énergie chimique de 150 kJ, calcule la valeur de l’énergie mécanique et de l’énergie thermique transformées.
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).
1.
En tirant dessus, quelle type d’énergie possède la bille au départ ?
2.
Juste après le lâcher de la bille, en quelle énergie se transforme une partie de l’énergie potentielle élastique de la bille ?
3.
Lorsque la bille ralentit puis s’arrête, quelle forme d’énergie diminue ?
4.
À la fin du mouvement, la bille ne possède plus d’énergie potentielle élastique, ni d’énergie cinétique. En quelle autre forme d’énergie se sont-elles transformées ?
5.
Rappelle ce que signifie la conservation de l’énergie.
6.
Si, au départ, la bille possédait 50 mJ d’énergie potentielle élastique, quelle valeur possède la forme d’énergie trouvée à la question ?
Doc. 2
Expérience avec un ressort.

Je résous un problème

Problématique

1.
En attendant les voitures 100 % électrique, les véhicules hybrides sont aujourd’hui parmi les moins gourmands en énergie.

À l’aide des documents, représente la chaine énergétique complète du moteur hybride de voiture.
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

Équidistance.

1.
Si au cours du mouvement d'un objet, ses positions successives sont équidistantes, alors :

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.

Et les autres centrales électriques ?

1.
En effectuant des recherches sur internet, retrouve les autres types de centrales qui permettent de produire de l’électricité en France. Pour chacune des centrales, tu devras donner des avantages et des inconvénients liés à leur utilisation.
Ex : les centrales nucléaires produisent de l’énergie par fission nucléaire donc elles n’émettent pas de gaz à effet de serre. En revanche, les produits de fission sont en général radioactifs et dangereux pour l’être humain.

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.
1.
Un moteur électrique convertit 50 J d’énergie électrique en 35 J d’énergie thermique et 15 J d’énergie mécanique. Calcule le rendement de ce moteur électrique.

Proportionnalité de l'énergie cinétique.

1.
Trace le graphique de l’énergie cinétique en fonction de la masse à l’aide des valeurs du tableau.
2.
Nomme la propriété que possède l’énergie cinétique par rapport à la masse.
m (en kg)01030507090
Ec (en kJ)06,519,432,445,458,3
Doc. 1
Énergie cinétique en fonction de la masse.

La chargeur de téléphone.

Pour recharger son téléphone, Djibril branche son chargeur au secteur et alimente la batterie du téléphone. Il constate un échauffement après quelques heures.
1.
Quel forme d’énergie permet de convertir le chargeur de téléphone ?
2.
Dans quel réservoir se trouve l’énergie chimique du téléphone ?
3.
Quelle forme d’énergie est responsable de l’échauffement du chargeur ?
4.
Dans quel réservoir sera stockée cette énergie-là ?

Lever les volets.

La professeur de Physique-Chimie demande à Aurélie d’ouvrir le volet de la fenêtre à côté de son bureau. Il s’agit d’un volet fonctionnant avec une manivelle.
1.
Quel type d’énergie fournit Aurélie pour réaliser cette action ?
2.
Quel type d’énergie possède alors le volet roulant en se levant ?
3.
Aurélie constate un léger échauffement du dispositif. De quel énergie s’agit-il ?
4.
Réalise enfin la chaîne énergétique du volet roulant.

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.”
1.
Quels sont les erreurs de vocabulaire liées à la phrase de Damien ?
2.
Comment Marine peut-elle corriger la phrase de Damien pour la rendre correcte du point de vue de la conservation de l’énergie ?

Conversions d’unités.

1.
Convertis les énergies suivantes dans les autres unités :

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.
1.
Calcule la masse de ce TGV.
Données :
1 MJ = 1 000 000 J.
Ec=12 m v2\text{E}_\text{c} = \dfrac{1}{2} \: m \: v^{2}

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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Exercice 17 : Du saut à l'élastique

Marty va faire du saut à l’élastique et se filme en train de réaliser son saut. Il détermine qu’il atteint une vitesse de 14 m/s juste avant que l’élastique ne soit tendu. Marty pèse 75 000 g.

Question 1

Énoncé
Donne la forme d’énergie que possède Marty au moment de sauter.

Question 2

Énoncé
Donne l’évolution de cette énergie au fur et à mesure du saut. Que devient-elle ?

Question 3

Énoncé
Convertis la masse de Marty en kg.

Question 4

Énoncé
Calcule l’énergie cinétique de Marty lorsqu’il atteint la vitesse de 14 m/s.
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