Collège · 5ᵉ · Physique
Énergie et transferts
Formes d'énergie, transferts et conservation de l'énergie
À propos de cette page
Ce cours de physique en cinquième sur « Énergie et transferts » suit le programme officiel de physique de cinquième. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : L'énergie et son unité, le joule, Les grandes formes d'énergie, L'énergie cinétique d'un objet en mouvement, L'énergie de position. 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 cinquième à réussir en physique.
1
L'énergie et son unité, le joule
Définition. L'énergie est la grandeur qui permet à un système de produire un mouvement, une élévation de température, une lumière ou un son. Elle s'exprime en joules, de symbole J.
| Unité | Symbole | Valeur en joules |
|---|---|---|
| joule | J | $1$ J |
| kilojoule | kJ | $1\,000$ J |
| mégajoule | MJ | $1\,000\,000$ J |
| kilowattheure | kWh | $3\,600\,000$ J $= 3{,}6 \times 10^{6}$ J |
Astuce. Le kilowattheure est l'unité de la facture d'électricité ; le joule est l'unité officielle. Pour passer des kWh aux J, on multiplie par $3{,}6 \times 10^{6}$.
2
Les grandes formes d'énergie
| Forme d'énergie | Exemple |
|---|---|
| cinétique | une voiture qui roule, le vent |
| de position (potentielle) | l'eau retenue derrière un barrage |
| thermique | un radiateur chaud, l'eau d'une bouilloire |
| chimique | un aliment, une pile, du carburant |
| électrique | le courant qui circule dans un fil |
| lumineuse | le rayonnement du Soleil, une lampe |
| nucléaire | le combustible d'une centrale nucléaire |
Attention ! L'énergie n'est pas une substance : on ne peut ni la voir ni la peser. On ne la repère que par ses effets — un mouvement, un échauffement, une lumière.
3
L'énergie cinétique d'un objet en mouvement
Définition. Tout objet en mouvement possède une énergie cinétique, notée $E_c$. Elle dépend de deux grandeurs : la masse $m$ et la vitesse $v$ : $$E_c = \dfrac{1}{2} \times m \times v^{2}$$ avec $m$ en kg, $v$ en m/s et $E_c$ en joules.
Exemple. Une voiture de $1\,200$ kg roulant à $25$ m/s ($90$ km/h) : $E_c = 0{,}5 \times 1\,200 \times 25^{2} = 375\,000$ J, soit $375$ kJ.
Attention ! La vitesse intervient au carré : si la vitesse double, l'énergie cinétique est multipliée par quatre, pas par deux. C'est la raison physique des limitations de vitesse : à $100$ km/h, l'énergie à dissiper au freinage est quatre fois plus grande qu'à $50$ km/h.
4
L'énergie de position
Définition. Un objet situé en hauteur possède une énergie de position (ou énergie potentielle de pesanteur) : $$E_{pp} = m \times g \times h$$ avec $m$ en kg, $g$ en N/kg, $h$ la hauteur en mètres et $E_{pp}$ en joules.
Exemple. Un seau de $8{,}0$ kg hissé à $12$ m ($g = 9{,}8$ N/kg) : $E_{pp} = 8{,}0 \times 9{,}8 \times 12 = 940{,}8$ J.
Exemple. Lorsqu'un objet tombe, son énergie de position diminue tandis que son énergie cinétique augmente : l'énergie se convertit d'une forme à l'autre.
5
Chaînes énergétiques : réservoirs et convertisseurs
Vocabulaire. Un réservoir stocke l'énergie (pile, barrage, aliment). Un convertisseur la transforme d'une forme en une autre (lampe, moteur, panneau solaire). Un transfert fait passer l'énergie d'un système à un autre.
Exemple. Barrage hydroélectrique : réservoir d'eau (énergie de position) → turbine (énergie cinétique) → alternateur (énergie électrique) → réseau.
6
La conservation de l'énergie et le rendement
Principe de conservation. L'énergie ne se crée pas et ne disparaît pas : elle se transforme et se transfère. L'énergie totale reçue par un convertisseur est égale à l'énergie totale qu'il restitue, toutes formes confondues.
Rendement. Une partie de l'énergie est convertie sous une forme inutile, le plus souvent thermique : ce sont les pertes. Le rendement est la part utile : $$\text{rendement} = \dfrac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{reçue}}} \times 100$$ en pourcentage.
Exemple. Une ampoule à incandescence reçoit $60$ J et n'en restitue que $3$ J sous forme de lumière : rendement $= \dfrac{3}{60} \times 100 = 5$ %. Les $57$ J restants partent en chaleur.
Attention ! Dire qu'on « perd » de l'énergie est un abus de langage : elle n'est pas détruite, elle est simplement dispersée sous une forme qu'on ne peut plus utiliser. Le rendement d'un convertisseur ne peut jamais dépasser $100$ %.
7
Puissance, durée et énergie : E = P × t
Définition. La puissance $P$ est l'énergie transférée par seconde. Elle s'exprime en watts (W) : $1$ W $= 1$ J/s. $$E = P \times t$$ avec $P$ en W, $t$ en secondes et $E$ en joules. Avec $P$ en kW et $t$ en heures, on obtient directement $E$ en kWh.
Exemple. Un four de $1\,500$ W fonctionne $2$ min $30$ s, soit $150$ s : $E = 1\,500 \times 150 = 225\,000$ J, soit $225$ kJ.
Exemple en kWh. Un radiateur de $2$ kW pendant $3{,}5$ h : $E = 2 \times 3{,}5 = 7$ kWh, soit $7 \times 3{,}6 \times 10^{6} = 2{,}52 \times 10^{7}$ J.
Attention ! Ne mélange jamais les unités : des watts avec des secondes donnent des joules ; des kilowatts avec des heures donnent des kilowattheures. Toute autre combinaison est fausse.
En bref
- L'énergie se mesure en joules (J) ; $1$ kJ $= 1\,000$ J et $1$ kWh $= 3{,}6 \times 10^{6}$ J.
- Formes : cinétique, de position, thermique, chimique, électrique, lumineuse, nucléaire.
- $E_c = \dfrac{1}{2} m v^{2}$ : doubler la vitesse quadruple l'énergie cinétique.
- $E_{pp} = m \times g \times h$ pour un objet en hauteur.
- Chaîne énergétique : réservoir → convertisseur → formes finales.
- L'énergie se conserve : elle se transforme et se transfère, jamais elle ne disparaît. Les « pertes » sont surtout thermiques.
- Rendement $= \dfrac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{reçue}}} \times 100$, toujours inférieur à $100$ %.
- $E = P \times t$ : W et secondes ⇒ joules ; kW et heures ⇒ kWh.
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