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Physique-Chimie · 1ère Année Bac — Sciences et Technologies Électriques

Travail et énergie potentielle de pesanteur - Énergie mécanique

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

  • Énergie potentielle de pesanteur ($E_{pp}$) : Pour un solide de masse $m$ à une altitude $z$ dans le champ de pesanteur $g$, elle est définie par : $E_{pp} = mgz + C$. Par convention, $E_{pp} = 0$ au niveau de référence ($z=0$), donc $E_{pp} = mgz$.
  • Travail et $E_{pp}$ : Le travail du poids est égal à la variation de l'énergie potentielle : $W_{AB}(\vec{P}) = E_{pp}(A) - E_{pp}(B) = mg(z_A - z_B)$.
  • Énergie mécanique ($E_m$) : C'est la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle : $E_m = E_c + E_{pp}$.
  • Théorème de l'énergie mécanique : Si le solide n'est soumis qu'à des forces conservatives (poids), $E_m$ est constante : $\Delta E_m = 0$. Si des forces non conservatives (frottements) agissent, $\Delta E_m = W_{AB}(\vec{f})$.

Méthodes à maîtriser

  1. Choisir le niveau de référence : Toujours préciser l'altitude $z=0$ au début de l'exercice pour éviter les erreurs de signe.
  2. Calculer $E_m$ : Calculer séparément $E_c = \frac{1}{2}mv^2$ et $E_{pp} = mgz$ avant de les additionner.
  3. Appliquer la conservation : Si l'énoncé dit "sans frottements", poser directement $E_m(A) = E_m(B)$.

Exemples corrigés

  • Calcul de $E_m$ : Un solide de 2kg à 5m de hauteur avec une vitesse de 3m/s ($g=10m/s^2$). $E_c = 0.5 \times 2 \times 3^2 = 9 J$. $E_{pp} = 2 \times 10 \times 5 = 100 J$. $E_m = 109 J$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de convertir la masse en kg.
  • Confondre $z$ (altitude) avec la longueur de la trajectoire (ex: plan incliné).
  • Oublier que le travail des frottements est toujours négatif ($W < 0$).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Travail et énergie potentielle de pesanteur - Énergie mécanique

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L'unité de l'énergie mécanique est :

❓ Questions fréquentes

Est-ce que E{pp} peut être négative ?

Oui, tout à fait. Comme $E_{pp} = mgz$, si l'objet se trouve en dessous du niveau de référence choisi ($z < 0$), alors $E_{pp}$ devient négative. C'est une valeur relative qui dépend uniquement du choix de l'origine des altitudes.

💡 À retenir : Le signe de $E_{pp}$ dépend du choix du niveau de référence.

Kifach n7seb Em ila kan l'objet ghadi f plan incliné ?
  1. 7seb $E_c = \frac{1}{2}mv^2$.
  2. 7seb $E_{pp} = mgz$. Hna, $z$ hiya l'3olo, ila kan l'plan incliné b zawya $\alpha$ et la distance $d$, $z = d \cdot \sin(\alpha)$.
  3. Jama3houm : $E_m = E_c + E_{pp}$.

💡 À retenir : $z$ est toujours la hauteur verticale, pas la distance parcourue sur le plan.

Est-ce que l'énergie mécanique se conserve toujours ?

Non. Elle ne se conserve que si le système n'est soumis qu'à des forces conservatives (comme le poids). S'il y a des forces de frottements ou des forces motrices extérieures, l'énergie mécanique varie.

💡 À retenir : $\Delta E_m = \sum W(\text{forces non conservatives})$.

Chno hiya l'far9 bin Ec et E{pp} ?

$E_c$ hiya ta9at l'haraka, kat3el9 b la vitesse ($v$). $E_{pp}$ hiya ta9at l'wad3, kat3el9 b l'makan (l'altitude $z$).

💡 À retenir : $E_c$ dépend du mouvement, $E_{pp}$ dépend de la position.

Si la vitesse est nulle, est-ce que Em = 0 ?

Pas forcément. Si la vitesse est nulle, $E_c = 0$, mais si l'objet est à une certaine altitude, $E_{pp}$ n'est pas nulle. Donc $E_m = E_{pp}$.

💡 À retenir : $E_m$ est nulle seulement si l'objet est immobile au niveau de référence.

Wach g katbdel f l'exercice ?

Non, dans les exercices de 1ère Bac, on considère $g$ comme une constante (généralement $g = 9,8 , m/s^2$ ou $10 , m/s^2$).

💡 À retenir : $g$ est l'intensité de la pesanteur, elle est donnée dans l'énoncé.

Comment savoir si une force est conservative ?

Une force est conservative si son travail ne dépend pas du chemin suivi entre deux points, mais seulement de la position initiale et finale. Le poids est l'exemple type.

💡 À retenir : Le poids est une force conservative.

Est-ce que la masse m influence la conservation de Em ?

Non. Dans l'équation de conservation $E_m(A) = E_m(B)$, la masse $m$ apparaît dans chaque terme ($E_c$ et $E_{pp}$), donc elle se simplifie souvent.

💡 À retenir : La conservation de l'énergie mécanique est indépendante de la masse.

Pourquoi on dit "travail du poids" et pas "travail de la pesanteur" ?

C'est une question de terminologie. Le poids est la force exercée par la Terre sur l'objet. La pesanteur est le champ qui crée cette force. Les deux termes sont liés.

💡 À retenir : On calcule toujours le travail de la force $\vec{P} = m\vec{g}$.

Est-ce que Em peut augmenter ?

Oui, si une force extérieure motrice (comme un moteur) travaille sur le système, elle apporte de l'énergie, donc $E_m$ augmente.

💡 À retenir : $\Delta E_m > 0$ si le travail des forces extérieures est moteur.

Kifach n3ref niveau de référence f l'exercice ?

Ghaliban, kankhtaro l'bassa li fiha $z=0$ (l'bassa l'lowla ga3 f l'trajectoire). Mais tu peux choisir n'importe quel niveau, l'essentiel houwa tkhlih constant f l'exercice kamel.

💡 À retenir : Le choix est libre, mais le plus simple est le point le plus bas.

Est-ce que la réaction du support travaille ?

Si le support est fixe et sans frottements, la réaction est perpendiculaire au mouvement, donc son travail est nul. Si le support est mobile ou s'il y a frottements, elle peut travailler.

💡 À retenir : $W(\vec{R}) = 0$ si le mouvement est perpendiculaire à $\vec{R}$.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un solide de masse $m = 0,5 , kg$ est lâché sans vitesse initiale du point A situé à une hauteur $h = 2 , m$ par rapport au sol. On néglige les frottements. Calculer la vitesse du solide au point B (sol). ($g = 10 , m/s^2$).

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Exercice 2

Un solide de masse $m = 1 , kg$ glisse sur un plan incliné d'un angle $\alpha = 30^\circ$ sur une distance $AB = 4 , m$. Il y a des frottements équivalents à une force constante $f = 2 , N$. Il part de A avec une vitesse $v_A = 2 , m/s$. Calculer la vitesse en B.

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Exercice 3

Un pendule simple (masse $m$, longueur $l=1m$) est écarté d'un angle $\theta_0 = 60^\circ$ par rapport à la verticale et lâché sans vitesse. Calculer la vitesse au passage par la position d'équilibre.

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