Zeitplan

PARTIE II : COMPRENDRE
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Pratiquer une démarche expérimentale pour mettre en évidence :
- les différents paramètres influençant la période d’un oscillateur mécanique ;
- son amortissement.
Établir/exploiter les expressions du travail d’une force constante (force de pesanteur, force électrique dans un champ uniforme).
Établir l’expression du travail d’une force de frottement d’intensité constante dans le cas d’une trajectoire rectiligne.
Analyser les transferts énergétiques au cours d’un mouvement d’un point matériel.
Pratiquer une démarche expérimentale pour étudier l’évolution des énergies cinétique, potentielle et mécanique d’un oscillateur.
Extraire et exploiter des informations sur l’influence des phénomènes dissipatifs sur la problématique de la mesure du temps et
la définition de la seconde.
Extraire et exploiter des informations pour justifier l’utilisation des horloges atomiques dans la mesure du temps.
Chapitre 10
Oscillateurs, travail et énergie
I. Travail d’une force
I.1
Définition
Le travail W AB (F ) d’une force F constante dont le point
d’application se déplace de A vers B est égal au produit scalaire :
W AB ( F ) = F ⋅ AB = F × AB × cos α
F en N
AB en m
W en J
F
α
A
Figure 1 : Travail d’une force constante
Figure 2 : Travail moteur ou résistant
Si 0 < α < 90 alors 0 < cos α < 1
F
α
B
Et donc W AB ( F ) = F × AB × cos α
Le travail de la force est positif.
>0
Le travail est dit moteur.
La force favorise le déplacement.
A
Si α = 90 alors cos α = 0
F
α
Et donc
B
W AB ( F ) = F × AB × cos α = 0
Le travail est nul.
La force n’a pas d’effet sur le déplacement.
A
Si 90 < α < 180 alors -1 < cos α < 0
Et donc
B
α
A
1/ 6
F
AB cos α 0
Le travail de la force
<
×
× négatif
= est
W AB ( F )
B
F
Le travail est dit résistant
La force s’oppose au déplacement.
I.2
Travail d’une force conservative
Définition :
Une force est dite conservative si son travail ne dépend
pas du chemin suivi par son point d’application, mais
uniquement des positions de départ et d’arrivée.
Chemin 1
F
WChem 1 ( F ) = WChem 2 ( F )
α
B
A
Chemin 2
Figure 3 : Force conservative
Exemple 1 :
Travail du poids
Soit une masse m se déplaçant d’un point A vers un point B tels que zA > zB.
W AB ( P) = P ⋅ AB
A
zA
m
W AB ( P) = P × AB × cos α
→
g
W AB ( P) = mg × AB × cos α
P α
h
Or
cos α =
B
zB
D’où :
h
AB
h = AB cos α
W AB ( P) = mg × h
Figure 4 : Travail moteur du poids
m en kg
g en N/kg
h en m
W en J
A noter :
•
Le travail du poids ne dépend que du point de départ et du point d’arrivé. Le poids est une force
conservative.
•
Lorsque l’objet de masse m descend dans le champ de pesanteur, le travail du poids est moteur.
W AB ( P) = + mgh
•
Lorsque l’objet de masse m monte dans le champ de pesanteur, le travail du poids est résistant.
W AB ( P) = − mgh
Figure 5 : Travail résistant du poids
B
zB
Exercice :
→
g
On considère un objet de masse m qui se déplace
d’un point A d’altitude zA vers un point B d’altitude
zB telle que zB > zA.
h
Montrer que le travail du poids de cette masse
W AB ( P) = − mgh
avec h une longueur telle que h = z A − z B
peut alors s’écrire
2/ 6
P
zA
A
Exemple 2 :
Travail d’une force électrique
Soit une particule de charge q et de masse m plongée dans un champ électrique d’intensité E. Si la particule
se déplace du point A vers le point B alors le travail de la force électrique que subit cette particule vaut :
W AB ( Fe ) = Fe ⋅ AB
→
E
W AB ( Fe ) = Fe × AB × cos α
A
W AB ( Fe ) = qE × AB × cos α
→
Fe
m
α
Or dans le triangle rectangle ABC on a :
cos α =
D’où :
L
AB
L = AB cos α
B
C
E en V/m
q en coulomb C
L en m
W en J
W AB ( Fe ) = qE × L
L
xA
xB
Figure 6 : Travail d’une force électrostatique
Or la tension (ou différence de potentiels) UAB existant entre deux points A et B d’un champ
électrostatique constant E est telle que :
U AB = E × L
D’où
E=
Et comme
avec
L = xB − x A
E en V/m
U en V
L en m
U AB
L
W AB ( Fe ) = qE × L
On a alors :
Soit :
W AB ( Fe ) = q
U AB
×L
L
W AB ( Fe ) = qU AB
Figure 7 : Champ et potentiels
P
A noter :
La tension UPN existant entre les deux armatures P et N distantes
d’une longueur d est donc liée à la valeur du champ E par la
relation :
V P − V N = U PN = E × d
E=
U PN
d
→
E
E en V/m
U en V
d en m
→
E
UPN
3/ 6
N
d
I.3
Travail d’une force non conservative
f
Définition :
Chemin 1
Une force est dite non conservative si son travail dépend
du chemin suivi par son point d’application.
B
A
WChem 1 ( F ) ≠ WChem 2 ( F )
f
Chemin 2
Figure 8 : Force non conservative
Exemple :
Travail de la force de frottement
On considère une masse m qui glisse le long d’une
pente avec une force de frottement f opposée au
mouvement de m.
A
Le travail de cette force est donc :
f
W AB ( f ) = f ⋅ AB
m
W AB ( f ) = f × AB × cos(180°)
W AB ( f ) = f × AB × (−1)
Sens de
déplacement
B
D’où :
W AB ( f ) = − f × AB
Figure 9
W en J
f en N
AB en m
A noter :
•
On voit bien d’après la formule que plus le trajet entre
A et B est long plus le travail de la force de frottement
est grand. Cette force est donc non conservative.
•
La réaction totale R du support sur un objet peut être
décomposée en deux forces :
-
La réaction normale du support RN
-
La réaction tangentielle du support RT
équivalente à la force de frottement f du
support.
→
R
→
RT
→
→
RN ou f
Déplacement
Figure 10 : Réaction du support
II. Oscillations libres d’un pendule
Une oscillation est un mouvement périodique. Les oscillations sont soit à amplitude constante (frottements négligés)
: on parle d’oscillations libres. Soit, elles subissent des frottements : on dit alors qu’elles sont amorties.
Un pendule simple est constitué d’une masse m reliée à un point fixe par un fil (de masse négligeable et inextensible) de longueur l. L'écart angulaire par rapport à l'équilibre est repéré par l’angle .
En faisant l’acquisition de l’angle  en fonction du temps, on se rend compte que l’on a une
courbe sinusoïdale, de période T, et de même amplitude angulaire  0.
Les expériences montrent que :
 la période T (durée d’une oscillation) ne dépend pas de  0 ;
on dit qu'il y a isochronisme des petites oscillations (si  0 est petit, en pratique  0 < 20°) ;
 la période T ne dépend pas de la masse m du pendule ;
 la période T dépend de la longueur l du pendule.
4/ 6
l

On admettra qu’elle dépend également de g. On peut associer l et g pour retrouver, par analyse dimensionnelle,
un temps :
 l  [ l ]  L
2
 g   [ g ]  L  T ²   T   T0 




 T ² 
période T
l
g

0
amplitude
Les valeurs expérimentales montrent que la période du
pendule se détermine ainsi :
l
g
T  2π
t
l s'exprime en m
g s'exprime en m.s -2
T s'exprime en s
III. Transferts énergétiques
III.1
Energies potentielles et forces conservatives
A toute force conservative on peut associer une énergie potentielle EP.
Energie potentielle de pesanteur EPP :
Energie potentielle électrostatique EPé :
z
EPé = 0
→
E
zA
A
h
→
g
L
A
zB
B
B
V
EPP = 0
0
VP
Figure 11 : Energie potentielle de pesanteur
VA
VB
VN = 0
Figure 12 : Energie potentielle électrostatique
En A :
E PPA = mgz A
En A :
E Pé A = qV A
En B :
E PPB = mgz B
En B :
E Pé B = qVB
WAB ( P) = mg × h = mg × ( z A − z B )
WAB ( Fe ) = q × U AB = q × (V A − VB )
WAB ( P) = mgz A − mgz B
WAB ( Fe ) = qV A − qVB
(
WAB ( P ) = E PPA − E PPB = − E PPB − E PPA
Or
)
∆E PP = E PPB − E PPA
Donc :
WAB ( P) = − ∆E PP
(
WAB ( Fe ) = − E Pé B − EPé A
Or
)
∆E Pé = E Pé B − E Pé A
Donc :
WAB ( Fe ) = − ∆E Pé
Conclusion : La variation d’énergie potentielle d’un système se déplaçant d’un point A vers un
point B est égal à l’opposé du travail effectué par la force conservative associée :
∆E P = E PB − E PA = −W AB (F )
W en J
E en J
5/ 6
II.2
Energie mécanique
L’énergie mécanique d’un système de masse m se déplaçant à la vitesse
E m = EC + E P
Rappels
:
EPé = qV (avec V la
tension)
EPP = mgz
EC = ½ m v2
avec EC l’énergie cinétique du système
et EP la somme des énergies potentielles du système
Exemple 1 :
v s’écrit :
Conservation de l’énergie mécanique
Si l’on peut négliger les forces de frottement (forces non
conservatives), l’énergie de la masse de ce pendule est telle que :
E m = cste
∆E m = 0
Energie
Figure 13
Diagramme
énergétique
A
B
z=0
temps
Figure 14 : Oscillations périodiques
Questions :
On libère sans vitesse initiale le pendule de masse m au point A à l’origine du temps. Toutes les forces de
frottement peuvent être négligées ainsi que la poussée d’Archimède qui s’exerce sur m et le fil.
a) Donner les caractéristiques des forces qui s’exercent sur la masse lorsqu’elle est lâchée.
b) Indiquer pour chacune d’elle l’expression de leur travail sur le déplacement de A vers B.
c) Que vaut l’énergie cinétique en A à la date t = 0 ? Justifier.
d) Que vaut l’énergie potentielle de pesanteur au point B ? Justifier.
e) Parmi les trois courbes du diagramme énergétique, indiquer celle de l’énergie mécanique, celle de
l’énergie cinétique et celle de l’énergie potentielle du pendule.
f)
Quelle relation existe-t-il entre ∆E P et
Exemple 2 :
∆EC entre les positions A et B ? Justifier mathématiquement.
Non conservation de l’énergie mécanique
Si les forces de frottement ne peuvent être négligées, des
forces non conservatives travaillent.
Dans l’exemple du pendule, le diagramme énergétique
devient alors :
L’énergie mécanique ne se conserve pas et sa
variation au cours du temps est égale au travail de la
résultante des forces non conservatives appliquées
au système.
E m ≠ cste
∆E m = W
(∑ f )
Energie
Figure 15
Diagramme
énergétique
temps
Lorsqu’un système est soumis à des forces non conservatives qui travaillent, alors son énergie
mécanique ne se conserve pas.
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