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Physique-Chimie · 2ème Année Bac — SVT

Aspects énergétiques des oscillations mécaniques

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

Pour un système oscillant (ressort-masse), l'énergie mécanique $E_m$ est la somme de l'énergie cinétique $E_c$ et de l'énergie potentielle élastique $E_{pe}$ : $$E_m = E_c + E_{pe}$$

  1. Énergie cinétique : $E_c = \frac{1}{2}mv^2$
  2. Énergie potentielle élastique : $E_{pe} = \frac{1}{2}kx^2 + C$ (généralement $C=0$ si $E_{pe}=0$ à l'équilibre $x=0$).
  3. Conservation : En l'absence de frottements, $E_m = \text{constante}$.
  4. Dissipation : En présence de frottements, $E_m$ diminue au cours du temps.

Méthodes à maîtriser

  • Exprimer $E_m$ en fonction de $x$ et $\dot{x}$ (ou $v$).
  • Utiliser la conservation de l'énergie pour trouver la vitesse maximale $v_{max}$ connaissant l'amplitude $X_m$ : $E_m = \frac{1}{2}kX_m^2 = \frac{1}{2}mv_{max}^2$.
  • Tracer les courbes $E_c(t)$, $E_{pe}(t)$ et $E_m(t)$.

Exemples corrigés

Exemple : Un ressort de raideur $k=20 , N/m$ et une masse $m=0,2 , kg$. Amplitude $X_m = 0,1 , m$. $E_m = \frac{1}{2} \times 20 \times (0,1)^2 = 0,1 , J$. À l'équilibre ($x=0$), $E_{pe}=0$ donc $E_m = E_c = 0,1 , J$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier le carré dans les formules d'énergie.
  • Confondre la période propre $T_0$ avec la période des oscillations énergétiques $T_E = T_0/2$.
  • Croire que $E_m$ varie sans frottements.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Aspects énergétiques des oscillations mécaniques

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Quelle est l'unité de l'énergie mécanique ?

❓ Questions fréquentes

Est-ce que l'énergie mécanique est toujours constante ?

Non, elle n'est constante que si le système est isolé des forces de frottement. S'il y a des frottements, l'énergie mécanique diminue car elle se transforme en chaleur.

💡 À retenir : Pas de frottements = conservation de $E_m$.

Kifach n7seb l'énergie potentielle ila kan l'ressort m3elle9 verticalement ?

Dans le cas vertical, on ajoute l'énergie potentielle de pesanteur. $E_p = E_{pe} + E_{pp}$. Souvent, on simplifie en choisissant l'origine de l'énergie potentielle à la position d'équilibre, ce qui annule l'effet du poids.

💡 À retenir : À l'équilibre, $E_p$ est minimale.

Pourquoi la période de l'énergie est la moitié de la période du mouvement ?

Parce que l'énergie dépend du carré de la position ($x^2$) et de la vitesse ($v^2$). Le système passe deux fois par la position d'équilibre pendant une période $T_0$.

💡 À retenir : $T_E = T_0 / 2$.

Chno hiya l'unité dyal k ?

L'unité de la constante de raideur $k$ est le Newton par mètre ($N/m$).

💡 À retenir : $F = k \cdot x$.

Est-ce que Ec peut être négative ?

Non, jamais. L'énergie cinétique est toujours positive ou nulle car elle dépend du carré de la vitesse ($v^2$).

💡 À retenir : $E_c \geq 0$.

Kifach n3ref wach l'énergie mécanique katn9s ?

Tu le sais si l'amplitude des oscillations diminue au cours du temps sur le graphe $x(t)$. C'est le signe qu'il y a des frottements.

💡 À retenir : Amortissement = perte d'énergie.

Est-ce que Em dépend de la masse m ?

Oui, dans l'expression $E_m = \frac{1}{2}mv_{max}^2$. Si la masse change, l'énergie cinétique maximale change pour une même amplitude.

💡 À retenir : $E_m$ dépend des paramètres du système.

Est-ce que l'énergie potentielle est maximale quand la vitesse est maximale ?

Non, c'est l'inverse. Quand la vitesse est maximale, l'objet passe par l'équilibre ($x=0$), donc $E_{pe} = 0$.

💡 À retenir : $E_c$ et $E_{pe}$ sont en opposition de phase.

Comment calculer v si on connaît Em et x ?

On utilise $E_m = \frac{1}{2}mv^2 + \frac{1}{2}kx^2$. Donc $v = \sqrt{\frac{2}{m}(E_m - \frac{1}{2}kx^2)}$.

💡 À retenir : Isoler $v$ dans l'équation de $E_m$.

Est-ce que Em change si on change l'origine des temps ?

Non, l'énergie mécanique est une propriété intrinsèque du système à un instant donné, elle ne dépend pas du choix de l'origine des temps.

💡 À retenir : $E_m$ est une valeur scalaire.

Est-ce que le ressort a une énergie quand il est au repos ?

Si le ressort est à sa longueur à vide et qu'il n'est pas étiré, son énergie potentielle élastique est nulle.

💡 À retenir : $E_{pe} = 0$ à la position de repos.

Est-ce que la valeur de C dans E{pe} = frac{1}{2}kx^2 + C est importante ?

Seule la variation d'énergie compte. On choisit souvent $C=0$ pour simplifier les calculs à l'équilibre.

💡 À retenir : Le choix de la référence est arbitraire.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un oscillateur élastique horizontal est constitué d'un ressort de raideur $k = 40 , N/m$ et d'un solide de masse $m = 0,1 , kg$. L'amplitude est $X_m = 0,05 , m$.

  1. Calculer l'énergie mécanique du système.
  2. Calculer la vitesse maximale du solide.
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Exercice 2

On observe l'évolution de l'énergie cinétique $E_c$ d'un oscillateur. On mesure $E_c = 0,02 , J$ quand $x = 0,03 , m$. Sachant $k = 50 , N/m$, calculer l'énergie mécanique totale.

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Exercice 3

Un système subit des frottements. À $t_0$, $E_m = 0,1 , J$. À $t_1$, $E_m = 0,08 , J$. Calculer l'énergie dissipée par frottement entre $t_0$ et $t_1$.

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