Remarques

FICHE 1
PRÉSENTATION




|Titre |Conservation de l'énergie totale d'un système isolé |
|Type |Activité documentaire |
|d'activité | |
|Objectifs de |Aborder la notion de la conservation de l'énergie via une |
|l'activité |analogie. |
|Références par|Cette activité illustre le thème « Comprendre ; Lois et |
|rapport au |modèles » |
|programme | |
| |et le sous thème « Formes et principe de conservation de |
| |l'énergie » |
| | |
| |en classe de Première Scientifique |
| |Notions et contenus |Compétences attendues |
| |Principe de conservation de |Analyse d'un document |
| |l'énergie |Saisir le but d'une analogie |
| | |Traduire un texte en anglais |
| | | |
| | | |
|Conditions de |Prérequis : les différentes formes d'énergie |
|mise en ?uvre |Durée : 1H 30 à 2H |
| |Contraintes matérielles : aucune |
|Remarques |Le texte de Feynman présenté dans ce document est une |
| |combinaison de deux versions disponibles... |
|Auteur |ABD-EL-KADER Françoise |Académie de LYON |
| |TEYSSIER Sébastien | |


FICHE 2


Conservation de l'energie totale d'un système isolé





FICHE 3

Fiche pour le professeur




Conservation de l'energie totale d'un système isolé


Objectifs : à l'aide d'une situation concrète que les élèves ont déjà
abordée dans le chapitre précédent, on rappelle que l'énergie d'un système
peut prendre plusieurs formes.
On montre ensuite que la conservation ou non de l'énergie d'un système
dépend directement du choix qui a été effectué pour définir ce système. On
présente ensuite l'analogie présentée dans le texte de Feynman pour
vérifier la bonne compréhension du principe par les élèves.


Activité 1 Les montagnes russes.
















Sur des montagnes russes, un wagon est tracté jusqu'au point A où il est
abandonné sans vitesse initiale. Sa vitesse au point B est de 31,6 m.s-1

1. On considère dans un premier temps que le système {wagon+passager}
(de masse 300kg) roule sans frottements.


a) Quelles sont les différentes formes d'énergie du wagon qui varient
au cours du mouvement ? Justifier.
L'énergie cinétique Ec = ½.m.v2 varie puisque la vitesse est passée
de 0 à 31,6 m.s-1. L'énergie potentielle Ep = m.g.z varie également
puisque l'altitude du wagon évolue au cours du mouvement (variation
de 50 m).
b) Quelle(s) autre(s) formes d'énergie le système possède-t-il ?
Le wagon possède aussi une certaine énergie interne U (comprenant
l'énergie thermique du fait de la température non nulle du wagon).
c) L'énergie totale du système est-elle conservée ? Justifier par un
calcul.
Lors de ce mouvement, l'énergie potentielle initiale est
transformée totalement en énergie cinétique. Vérifions-le par le
calcul : EpA = m.g.zA = 300 kg x 10 N/kg x 50 m = 1,5.105 J ;
d'autre part : ECB = ½.m.vB2 = ½ x 300 x 31,62 = 1,5.105 J. Par
conséquent, l'intégralité de l'énergie potentielle s'est
transformée en énergie cinétique. L'énergie interne du système
restant constante (aucun frottements = pas de dissipation d'énergie
thermique), l'énergie totale est donc conservée.
2. Cette fois, le système {wagon+passager} frotte sur les rails. La
vitesse du wagon au point B est alors VB = 25 m.s-1
a) Quelles sont les différentes formes d'énergie du wagon qui varient
au cours du mouvement ?
On retrouve les mêmes formes d'énergie que précédemment.
b) Dans ce cas, l'énergie totale du système est-elle conservée ?
Justifier par un calcul.
L'énergie totale n'est plus conservée (EpA = 1,5.105 J et ECB =
0,94.105 J ) . Une partie est dissipée irréversiblement sous
forme d'énergie thermique dans les rails...
3. On choisit maintenant de définir le système par l'ensemble {wagon +
passager + rails}. Que pouvez-vous dire de la conservation de
l'énergie de ce nouveau système sur une courte durée ?
Si on ne laisse pas au système le temps de se refroidir, son énergie
totale est conservée...

On appelle système isolé, un système qui n'échange pas d'énergie avec
l'extérieur. L'énergie totale d'un système isolé se conserve.

Activité 2 Une analogie : Denis la Menace et ses cubes.

Présentation de l'auteur du texte : Richard FEYNMAN (1918-1988).

Prix Nobel pour ses travaux sur la description et le calcul des
interactions entre particules, Richard Feynman était un génie. Théoricien
de la physique quantique, enfant terrible du projet Manhattan, critique
acerbe de la commission d'enquête sur la navette spatiale américaine, il a
profondément marqué la physique moderne.

Le texte qui suit est extrait du fameux cours de Physique (Mécanique Tome
1) de Richard Feynman. La première partie du document est en version
originale.

Première partie : « the law is called the conservation of energy ».

"There is a fact, or if you wish, a law, governing all natural phenomena
that are known to date. There is no known exception to this law-it is exact
so far as we know. The law is called the conservation of energy. It states
that there is a certain quantity, which we call energy, that does not
change in the manifold(1) changes which nature undergoes(2). That is a most
abstract idea, because it is a mathematical principle; it says that there
is a numerical quantity which does not change when something happens. It is
not a description of a mechanism, or anything concrete; it is just a
strange fact that we can calculate some number and when we finish watching
nature go through her tricks and calculate the number again, it is the
same. (Something like the bishop(3) on a white square, and after a number
of moves-details unknown-it is still on some white square. It is a law of
this nature.) Since it is an abstract idea, we shall illustrate the meaning
of it by an analogy."

(1) manifold : divers
(2) undergo : subir
(3) bishop : le fou aux échecs


Questions :

1. Qu'est-ce qu'une loi de conservation ?
Une loi de conservation explique qu'une certaine quantité ne change
pas lors des divers changements que peut subir un système.
2. Que veut montrer Feynman en prenant l'exemple du fou aux échecs ?
Aux échecs, le fou reste en permanence sur les cases blanches (par ex)
quelque soit ses déplacements ; ce qui peut être traduit par le fait
que l'énergie se conserve sans qu'on ait à se préoccuper des étapes et
des mécanismes qui ont cours lors de l'évolution du système : seuls
les états initial et final sont à prendre en compte...
3. Qu'est-ce qu'une analogie ?
Une analogie est un rapport réalisé entre deux situations différentes
(parce qu'elles appartiennent à des contextes différents ou parce
qu'elles ne concernent pas les mêmes domaines) qui sont pourtant
semblables par leur « mécanisme ».


Deuxième partie : « Denis la Menace ».

« Imaginons un enfant, par exemple « Denis la Menace », qui possède des
cubes absolument indestructibles, et qui ne peuvent être divisés en
morceaux. Tous les cubes sont identiques. Supposons qu'il ait 28 cubes. Sa
mère le met dans une chambre au début de la journée avec ses 28 cubes. A la
fin de la journée, étant curieuse, elle compte les cubes avec attention et
découvre une loi phénoménale - quoiqu'il fasse avec ses cubes, il en reste
toujours 28 ! Ceci se répète plusieurs jours durant, jusqu'au jour où il
n'y a que 27 cubes, mais un peu de recherche montre qu'il y en a un sous le
tapis- elle doit regarder partout pour s'assurer que le nombre de cubes n'a
pas changé. Un jour, cependant, le nombre semble changer - il n'y a que 26
cubes. Une recherche attentive montre que la fenêtre était ouverte, et en
regardant dehors, elle retrouve les deux autres cubes. Un autre jour, un
compte précis indique qu'il y en a 30 ! Ceci lui causa une consternation
considérable, jusqu'au moment ou elle réalisa que Bruce était venu en
visite, amenant ses cubes avec lui, et qu'il en laissa quelques-uns à la
maison de Denis. Après s'être débarrassée de ces cubes supplémentaires,
elle ferme la fenêtre, ne laisse pas rentrer Bruce et tout, alors, se passe
bien, jusqu'au moment où recomptant elle ne trouve que 25 cubes. Néanmoins,
il y a une boîte dans la chambre, une boîte de jouets, et la mère essaye
d'ouvrir la boite, mais le garçon dit : « Non, n'ouvre pas cette boite à
jouets »,et se met à crier. La mère n'a pas le droit d'ouvrir la boite à
jouets. Etant extrêmement curieuse et quelque peu ingénieuse, elle invente
un stratagème ! Elle sait qu'un cube pèse cent grammes, aussi pèse-t-elle
la boîte au moment où elle voit 28 cubes, et elle trouve 500 grammes. A la
vérification suivante, elle repèse la boîte