À propos de cette page
Ce cours de physique en troisième sur « Énergie mécanique et conservation » suit le programme officiel de physique de troisième. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : L'énergie : définition et unité, L'énergie cinétique, L'énergie potentielle de pesanteur, L'énergie mécanique. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de troisième à réussir en physique.
Au programme
1 · L'énergie : définition et unité
2 · L'énergie cinétique
3 · L'énergie potentielle de pesanteur
4 · L'énergie mécanique
5 · Conservation de l'énergie mécanique
6 · Dissipation de l'énergie mécanique
7 · Transferts et conversions d'énergie
1L'énergie : définition et unité
L'énergie est une grandeur physique qui caractérise la capacité d'un système à modifier son état ou celui d'un autre système (en le faisant se déplacer, chauffer, etc.).
Unité. L'énergie se mesure en joules (J), du nom du physicien britannique James Prescott Joule (1818-1889). On utilise aussi le kilojoule : 1 kJ = 1 000 J, ou le mégajoule : 1 MJ = 106 J.
L'énergie peut prendre de nombreuses formes : énergie cinétique, énergie potentielle, énergie thermique, énergie chimique, énergie électrique, énergie lumineuse, etc. En mécanique, on s'intéresse à deux formes particulières : l'énergie cinétique et l'énergie potentielle de pesanteur.
Astuce. Le joule est une petite unité : lever une pomme de 1 kg à 1 m de hauteur coûte environ 10 J. Un repas apporte environ 8 000 000 J = 8 MJ d'énergie chimique.
2L'énergie cinétique
L'énergie cinétique (notée Ec) est l'énergie associée au mouvement d'un objet. Plus un objet est lourd et rapide, plus son énergie cinétique est grande.
Formule. Ec = ½ × m × v²
• Ec en joules (J)
• m = masse en kilogrammes (kg)
• v = vitesse en mètres par seconde (m/s)
Exemple. Une voiture de masse m = 1 000 kg roule à v = 20 m/s (72 km/h).
Ec = ½ × 1 000 × 20² = ½ × 1 000 × 400 = 200 000 J = 200 kJ
Attention ! La vitesse doit toujours être convertie en m/s avant d'appliquer la formule. 1 km/h = 1/3,6 m/s. La formule contient v² : si la vitesse double, l'énergie cinétique est multipliée par 4 !
Un objet à l'arrêt (v = 0) a une énergie cinétique nulle. L'énergie cinétique est toujours positive ou nulle.
3L'énergie potentielle de pesanteur
L'énergie potentielle de pesanteur (notée Ep) est l'énergie associée à la position en altitude d'un objet par rapport à une référence choisie (souvent le sol). Elle est due à la force de pesanteur exercée par la Terre.
Formule. Ep = m × g × h
• Ep en joules (J)
• m = masse en kilogrammes (kg)
• g = intensité de la pesanteur ≈ 10 N/kg (sur Terre)
• h = hauteur par rapport à la référence, en mètres (m)
Astuce. On choisit librement la référence de hauteur (h = 0). En général, on prend le sol ou le point le plus bas du mouvement. L'énergie potentielle peut être négative si l'objet est en dessous de la référence.
Exemple. Un livre de masse m = 0,5 kg est posé sur une étagère à h = 1,5 m au-dessus du sol (référence).
Ep = 0,5 × 10 × 1,5 = 7,5 J
Attention ! L'énergie potentielle dépend du choix de la référence. Si h = 0 est le sol, un objet au sol a Ep = 0. Si on choisit une autre référence, la valeur change, mais les variations ΔEp restent les mêmes.
4L'énergie mécanique
L'énergie mécanique (notée Em) d'un objet est la somme de son énergie cinétique et de son énergie potentielle de pesanteur.
Formule. Em = Ec + Ep = ½ × m × v² + m × g × h
L'énergie mécanique regroupe ainsi l'énergie due au mouvement (Ec) et l'énergie due à la position (Ep). Elle se mesure en joules (J).
Exemple. Une balle de masse m = 0,1 kg est lancée à h = 5 m au-dessus du sol (référence) avec une vitesse v = 4 m/s.
Ec = ½ × 0,1 × 4² = 0,8 J
Ep = 0,1 × 10 × 5 = 5 J
Em = 0,8 + 5 = 5,8 J
| Grandeur | Symbole | Formule | Unité |
|---|
| Énergie cinétique | Ec | ½ × m × v² | J |
| Énergie potentielle | Ep | m × g × h | J |
| Énergie mécanique | Em | Ec + Ep | J |
5Conservation de l'énergie mécanique
Lorsqu'un objet est soumis uniquement à la pesanteur (ou à des forces qui ne travaillent pas, comme la réaction normale perpendiculaire au mouvement) et qu'il n'y a pas de frottement, son énergie mécanique se conserve tout au long du mouvement.
Principe de conservation. Sans frottement : Em = constante
Autrement dit : Ec + Ep = constante
ou encore : Em(début) = Em(fin)
Cela signifie que si l'objet descend (Ep diminue), il accélère (Ec augmente), et inversement : si l'objet monte (Ep augmente), il ralentit (Ec diminue). L'énergie se transforme continuellement entre les deux formes sans être perdue.
Exemple : chute libre sans frottement. Une bille lâchée depuis h = 2 m (v = 0) avec g = 10 N/kg et m = 0,05 kg.
Au départ : Em = 0 + 0,05 × 10 × 2 = 1 J
Au sol (h = 0) : Em = ½ × 0,05 × v² + 0 = 1 J ⟹ v² = 40 ⟹ v = 6,3 m/s
Astuce. La conservation de l'énergie mécanique permet de calculer la vitesse à n'importe quelle hauteur, même sans connaître la forme exacte de la trajectoire.
6Dissipation de l'énergie mécanique
En présence de frottements (avec l'air, avec une surface, etc.), l'énergie mécanique diminue au cours du temps. L'énergie mécanique n'est plus conservée : on dit qu'elle se dissipe.
Dissipation. Avec frottements : Em(fin) < Em(début)
La différence est convertie en énergie thermique (chaleur) : ΔEthermique = Em(début) − Em(fin)
Cette énergie thermique échauffe légèrement l'objet et le milieu environnant. Elle est difficile à récupérer et à réutiliser : on parle de dégradation de l'énergie.
Exemple. Un skateboardeur descend une rampe. En présence de frottements, il arrive en bas avec une vitesse plus faible que prévu si l'énergie avait été conservée. La différence d'énergie mécanique a été convertie en chaleur.
Attention ! La dissipation ne signifie pas que l'énergie « disparaît » : elle se transforme en énergie thermique. L'énergie totale de l'Univers est toujours conservée (premier principe de la thermodynamique), mais l'énergie mécanique, elle, peut diminuer.
7Transferts et conversions d'énergie
Dans tous les systèmes mécaniques, on observe des transferts et des conversions d'énergie :
- Conversion Ep → Ec : un objet tombe, son énergie potentielle se transforme en énergie cinétique.
- Conversion Ec → Ep : un objet lancé vers le haut ralentit, son énergie cinétique se transforme en énergie potentielle.
- Conversion Em → Ethermique : en présence de frottements, l'énergie mécanique se transforme partiellement en énergie thermique.
Ces conversions illustrent le principe de conservation de l'énergie : l'énergie ne se crée pas et ne se détruit pas, elle se transforme d'une forme à une autre.
Principe général. L'énergie totale d'un système isolé est toujours constante. En mécanique :
Em(début) = Em(fin) + Ethermique dissipée
Exemple : pendule. Un pendule oscille : au point le plus haut, toute son énergie est potentielle (v = 0) ; au point le plus bas, toute son énergie est cinétique (h = 0, vitesse maximale). Sans frottement, l'énergie mécanique est constante à tout instant. Avec frottements (air, point d'attache), le pendule finit par s'arrêter : l'énergie mécanique a été dissipée en chaleur.
★À retenir
À retenir :
• Ec = ½mv² (J) : énergie du mouvement.
• Ep = mgh (J) : énergie de la position en altitude.
• Em = Ec + Ep : énergie mécanique totale.
• Sans frottement : Em = constante (conservation).
• Avec frottements : Em diminue → énergie thermique dissipée.
• L'énergie totale est toujours conservée (elle change de forme).