Chapitre 15 : (Cours) Principe de la conservation de l’énergie

Introduction :

L’énergie décrit l’état d’un système sous l’action d’une ou plusieurs des quatre interactions fondamentales. C’est
une propriété fondamentale de la matière et n’est observée qu’indirectement, par un changement de vitesse, de
température, de position, …

I. Différentes formes d’énergie

I.1. Energie cinétique

L'énergie cinétique Ec d'un solide de masse m se déplaçant à la vitesse v, en translation, se calcule ainsi :


1  Ec : énergie cinétique, en J
Ec  mv 2  m : masse du solide, en kg
2  v : vitesse du centre d'inertie du solide, en m.s-1
Remarques :
 L’énergie cinétique d’un solide dépend du référentiel d’étude (car la vitesse est relative).
 Cette relation n’est pas applicable aux systèmes en rotation.

I.2. Energie potentielle de pesanteur

On définit l’énergie potentielle de pesanteur Epp d'un solide de masse m situé à l'altitude z ainsi :

 Epp : énergie potentielle de pesanteur, en J
E pp  mgz  m : masse du solide, en kg
 g : champ de pesanteur, en N.kg-1
 z : altitude, en m

Remarques :
 L’énergie potentielle de pesanteur d'un solide dépend de son altitude z, c'est à dire de sa position par
rapport à la Terre. Elle est due à l'interaction du solide avec la Terre.

 Le terme « potentielle » signifie « possible » : cette énergie ne se présente pas sous forme visible,
contrairement à l’énergie cinétique. Elle est en quelque sorte mise en réserve.

 Par convention Epp= 0 pour z = 0 (on choisit en général le sol comme référence). Mais il est possible de
choisir le niveau de référence pour l'énergie potentielle (Epp= 0) à une altitude quelconque.


I.3. Energie mécanique

On définit l’énergie mécanique Em d'un solide comme la somme de son énergie cinétique et de son énergie
potentielle de pesanteur :

Em  Ec  E pp

I.4. Autres formes d’énergie

Il existe d’autres formes d’énergie :
- L’énergie nucléaire, liée aux interactions forte et faible.
- L’énergie chimique, liée aux interactions électriques dans l’atome.
- L’énergie électrique, liée aux interactions de Coulomb.

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II. Conservation de l’énergie mécanique

La conservation de l’énergie est un principe fondamental en physique. En 1930, Enrico Fermi s’est appuyé sur ce
principe pour émettre l’hypothèse de l’existence des neutrinos : en effet, au cours des réactions nucléaires β, le
bilan en énergie était déséquilibré. La première confirmation expérimentale de cette hypothèse remonte à 1956.

II.1. Mouvements sans frottements (exemple de la chute libre)

Voir TP 15.

Par définition, un projectile en chute libre n’est soumis qu’à une seule force, son poids P . On néglige la force de
frottement de l’air (sur des faibles altitudes).
L’étude en TP d’un lancer de projectile en chute libre montre l’énergie cinétique croît si l’énergie potentielle de
pesanteur décroît (et inversement). Mais l’énergie mécanique reste constante.

Em  Ec  E pp  constante

Il y a en réalité un échange d’énergie « cinétique »  « potentielle de pesanteur », comme le montre le graphe ci-
dessous.




II.2 Mouvements avec frottements

Voir TP 15.

Dans ce cas d’une chute dans un fluide visqueux (eau par exemple), un solide subit des frottements visqueux
exercés par le fluide.
L’énergie mécanique du système n’est plus constante … l’échange d’énergie « cinétique »  « potentielle de
pesanteur » est partiel. Il y a une partie de l’énergie du système échangée avec le milieu extérieur, sous forme
d’énergie thermique (chaleur). L’énergie mécanique diminue.

Ex : le bouclier thermique d’une sonde spatiale (ci-contre) entrant dans l’atmosphère
subit des frottements intenses qui élèvent sa température jusqu’à 2000°C.
Il y a transfert d’énergie sous forme thermique : l’énergie cinétique de la sonde
diminue. Son énergie potentielle de pesanteur diminue avec l’altitude.
Son énergie mécanique diminue alors que l’agitation thermique microscopique de la
sonde augmente. Il y a donc dissipation de l’énergie par transfert thermique.




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Notions et contenus Compétences exigibles

Énergie d’un point matériel en mouvement dans le Connaître et utiliser l’expression de l’énergie cinétique
champ de pesanteur uniforme : énergie cinétique, d’un solide en translation et de l’énergie potentielle de
énergie potentielle de pesanteur, conservation ou non pesanteur d’un solide au voisinage de la Terre.
conservation de l’énergie mécanique. Réaliser et exploiter un enregistrement pour étudier
Frottements ; transferts thermiques ; dissipation l’évolution de l’énergie cinétique, de l’énergie potentielle
d’énergie. et de l’énergie mécanique d’un système au cours d’un
mouvement.


Formes d’énergie Connaître diverses formes d’énergie.

Principe de conservation de l’énergie. Exploiter le principe de conservation de l’énergie dans
Application à la découverte du neutrino dans la des situations mettant en jeu différentes formes
désintégration β. d’énergie.




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