Cours de physique - Athénée de Luxembourg

Cours de physique
Classes 3B et 3C
Athénée de Luxembourg
Table des matières
1 Mécanique
1.1 Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.1 Rappel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.2 Mesurer des forces . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.3 Notion d’équilibre . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.4 Équilibre d’un corps soumis à deux forces . . . .
1.1.5 Équilibre d’un corps soumis à trois forces . . . . .
1.1.6 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.7 Principe d’inertie . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.8 Principe de l’action et de la réaction . . . . . . .
1.2 Le moment d’une force . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 Le levier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2 Équilibre d’un levier . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3 Définition du moment d’une force . . . . . . . . .
1.2.4 Théorème des moments . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.5 Méthode de résolution d’un problème à moments
1.2.6 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Équilibre statique d’un corps solide . . . . . . . . . . . .
1.3.1 Conditions d’équilibre . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.2 Formes d’équilibre . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 Machines simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.1 Poulies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.2 Plan incliné . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.3 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5 Le travail d’une force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.1 Le travail au sens physique . . . . . . . . . . . . .
1.5.2 Définition du travail d’une force . . . . . . . . . .
1.5.3 La règle d’or de la mécanique . . . . . . . . . . .
1.5.4 Rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.5 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6 La puissance d’une force . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6.1 Pourquoi la puissance ? . . . . . . . . . . . . . . .
1.6.2 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6.3 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6.4 Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7 Énergie mécanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7.1 Notion d’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7.2 Formes d’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.7.3 Transformations d’énergie . . . . . . . . . . . . .
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35
35
35
36
36
37
37
37
39
3BC
3
Table des matières
1.7.4
1.7.5
Conservation de l’énergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Exercices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2 Thermodynamique
2.1 Énergie interne . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 La température . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2 La notion d’énergie interne . . . . . . . .
2.1.3 Conservation de l’énergie . . . . . . . . .
2.1.4 Modes de transfert d’énergie interne . . .
2.1.5 Principe d’équivalence . . . . . . . . . .
2.1.6 Premier principe de la thermodynamique
2.2 La chaleur sous toutes ses formes . . . . . . . .
2.2.1 Capacité thermique massique . . . . . .
2.2.2 Chaleur latente . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3 Transmission de la chaleur . . . . . . . .
2.3 Machines thermiques . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Pompe à chaleur . . . . . . . . . . . . .
2.3.2 Moteur thermique . . . . . . . . . . . . .
3 Électricité
3.1 Tension et énergie électriques . .
3.1.1 Énergie électrique . . . . .
3.1.2 La tension électrique . . .
3.2 Puissance électrique . . . . . . . .
3.2.1 Exercices . . . . . . . . .
3.3 Résistance électrique et loi d’Ohm
3.3.1 Définition de la résistance
3.3.2 La loi d’Ohm . . . . . . .
3.3.3 Résistivité électrique . . .
3.3.4 Exercices . . . . . . . . .
3.4 Les lois de Kirchhoff . . . . . . .
3.4.1 La loi des nœuds . . . . .
3.4.2 La loi des mailles . . . . .
3.4.3 Exercices . . . . . . . . .
3.5 Associations de résistances . . . .
3.5.1 Montage en série . . . . .
3.5.2 Montage en parallèle . . .
3.5.3 Exercices . . . . . . . . .
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60
60
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67
67
67
68
69
71
71
71
71
72
72
73
73
Chapitre 1
Mécanique
1.1
Forces
1.1.1
Rappel
Pour décrire les effets d’une force, nous devons préciser toutes ses propriétés :
• son point d’application ;
• sa droite d’action, c’est-à-dire sa direction ;
• son sens ;
• son intensité.
On peut réunir toutes ces propriétés en une seule grandeur mathématique, le vecteur. Une
force est donc représentée par un vecteur force (figure 1.1).
droite d'action
point d'application
F˛
sens
Figure 1.1 – Une force est représentée par un vecteur
La norme du vecteur est égale à l’intensité de la force. L’intensité du vecteur force F~ sera
notée F . L’unité d’intensité de force dans le Système international est le newton (N).
1.1.2
Mesurer des forces
Corps élastiques, corps plastiques
Un corps solide soumis à une force se déforme. S’il reprend sa forme initiale après la suppression de la force, on l’appelle corps élastique, dans le cas contraire il s’agit d’un corps
plastique.
3BC
5
Mécanique
Expérience 1.1 Qui est le plus fort ?
Deux élèves tirent, l’un après l’autre, sur un ressort
qui est fixé d’un côté (figure 1.2).
Comment peut-on déterminer qui est le plus fort ?
Traduit dans le langage de la physique, la question
qui se pose est : quel élève applique la force la plus
intense sur l’extenseur ?
La réponse est bien évidemment que l’allongement du
ressort est d’autant plus grand que la force appliquée
est plus intense.
d
Figure 1.2 – Dispositif expérimental
On essayera de comparer l’allongement d’un ressort et la force appliquée.
Loi de Hooke
Expérience 1.2 Le but de l’expérience est d’étudier la relation entre l’intensité de la force
F~ qu’on exerce sur l’extrémité d’un ressort et l’allongement x d’un ressort qui en résulte.
La figure 1.3 montre le schéma du dispositif expérimental. On mesure l’allongement x du
ressort en faisant varier l’intensité F de la force de 0 N à 1 N.
Remarque : une masse de 100 g exerce approximativement une force de 1 N dirigée verticalement vers le bas.
règle graduée
r
R
ressort
masse
x
r
F
(a) en absence de
forces
~ ré(b) F~ force exercée ; R
action du ressort
Figure 1.3 – Étude de l’allongement d’un ressort
Tableau des mesures :
x (mm)
F (N)
La figure 1.4 permet de représenter graphiquement les résultats des mesures.
Observation :
Lorsque la valeur de F est doublée, la valeur de x double aussi, évolution analogue lorsque
F est triplé, quadruplé, . . . .
6
Mécanique
3BC
Figure 1.4 – Force F en fonction de l’allongement x du ressort
Conclusion :
F est directement proportionnel à x : F ∼ x. Il en suit que le rapport de l’intensité F par
l’allongement x est constant :
F
= k où k est une constante.
x
Ces résultats peuvent être résumés en énonçant la loi de Hooke.
Loi de Hooke Un ressort initialement en équilibre se déforme sous l’effet d’une force.
La déformation (allongement ou compression) x est proportionnelle à l’intensité F de cette
force :
F ∼ x ⇒ F = kx
La facteur de proportionnalité k est appelée constante de raideur du ressort, son unité est le
N/m.
La constante de raideur indique l’intensité de la force nécessaire pour allonger ou comprimer le
ressort d’une unité de longueur. Elle fait intervenir les caractéristiques physiques du ressort :
sa longueur, son épaisseur, le matériau, . . . .
Le diagramme de la figure 1.5 montre que pour déformer différents ressorts d’une même
distance, la force nécessaire est d’autant plus intense que la raideur du ressort est élevée. De
façon équivalente, on constate que pour une même force, la déformation est d’autant plus
grande que la raideur du ressort est petite.
3BC
7
Mécanique
F
ressort à forte raideur
k1 élevé
ressort à faible raideur
k2 bas
x
Figure 1.5 – Comparaison de la raideur de deux ressorts avec k1 > k2
1.1.3
Notion d’équilibre
En tant qu’observateur nous devons choisir un référentiel par rapport auquel nous allons
décrire les phénomènes physiques. Notre référentiel de préférence sera la salle de classe, qui
est un exemple d’un référentiel terrestre. La notion de référentiel sera approfondie en classes
de 2e et de 1re.
Définition Un corps est en équilibre si, dans un référentiel terrestre, tous ses points sont
au repos ou se déplacent en ligne droite et à vitesse constante.
Remarques :
• Nous disons aussi qu’il y a équilibre des forces qui s’appliquent au corps.
• Cette définition s’applique dans tout référentiel galiléen.
Dans la suite, nous allons étudier l’équilibre d’un corps soumis à 2 ou à 3 forces.
1.1.4
Équilibre d’un corps soumis à deux forces
Étude expérimentale
Expérience 1.3 Nous allons appliquer deux forces F~1 et F~2 à un corps très léger de sorte
que son poids soit négligeable par rapport aux intensités des forces F~1 et F~2 (figure 1.6).
F1
O2
F2
O1
Figure 1.6 – Équilibre d’un corps soumis à deux forces
8
3BC
Mécanique
Les forces sont les tensions de deux fils et on mesure leurs intensités grâce à deux dynamomètres. De plus, on peut relever sur papier les directions des fils, c’est-à-dire les directions
des deux forces.
L’expérience est répétée plusieurs fois en changeant les directions et les intensités des forces.
On constate que lorsque le corps est en équilibre, les deux forces F~1 et F~2 ont la même droite
d’action, des sens contraires et des intensités égales.
Nous pouvons formuler la condition pour qu’un corps soumis à deux forces soit en équilibre.
Condition d’équilibre Si un corps soumis à deux forces F~1 et F~2 est en équilibre, ces
forces ont :
• la même droite d’action ;
• des sens contraires ;
• la même intensité : F1 = F2 .
Les deux vecteurs force sont donc opposés :
F~1 = −F~2
ou encore :
F~1 + F~2 = ~0
(1.1)
La somme vectorielle des deux forces F~1 et F~2 est nulle.
Remarque :
En mathématiques, deux vecteurs opposés n’ont pas nécessairement la même droite d’action. En mécanique, cette condition est nécessaire pour avoir l’équilibre.
Pour s’en convaincre, considérons l’exemple de la figure 1.7. Les deux forces ont la même
intensité et des sens contraires, mais n’ont pas la même droite d’action ; le corps n’est pas
en équilibre, il va tourner !
F1
F2
O2
O1
Figure 1.7 – Ce corps n’est pas en équilibre
Applications
La condition d’équilibre permet de déterminer une des deux forces connaissant l’autre. Voici
la procédure à suivre :
3BC
9
Mécanique
• préciser le corps en équilibre ;
• identifier toutes les forces qui s’appliquent à ce corps ;
• appliquer la condition d’équilibre à ces forces.
Exemple 1.1 Une brique posée sur une table est en équilibre (figure 1.8). Considérons
uniquement les forces qui s’appliquent à la brique : son poids P~ , vertical et appliqué en G,
~ de la table.
et la réaction R
R
brique
G
P
table
Figure 1.8 – La brique soumise à deux forces est en équilibre
~ = −P~ . Les intensités des deux forces sont
Comme la brique est en équilibre, nous avons : R
égales : R = P = m g.
Exemple 1.2 Une boule accrochée à un ressort est en équilibre (figure 1.9). Considérons
uniquement les forces qui s’appliquent à la boule : son poids P~ , vertical et appliqué en G, et
la tension T~ du ressort.
ressort
T
boule
G
P
Figure 1.9 – La boule soumise à deux forces est en équilibre
Comme la boule est en équilibre, nous avons : T~ = −P~ . Les intensités des deux forces sont
égales : T = P ⇒ k x = m g.
1.1.5
Équilibre d’un corps soumis à trois forces
Étude expérimentale
Expérience 1.4 Nous utilisons toujours le corps très léger auquel on applique trois forces
F~1 , F~2 et F~3 qui sont les tensions de trois fils (figure 1.10).
10
3BC
Mécanique
F1
F3
O
F2
Figure 1.10 – Équilibre d’un corps soumis à trois forces
On mesure les intensités des forces grâce à trois dynamomètres. De plus, on peut relever sur
papier les directions des fils, c’est-à-dire les directions des trois forces.
L’expérience est répétée plusieurs fois en changeant les directions et les intensités des forces.
On constate que lorsque le corps est en équilibre, les trois forces F~1 , F~2 et F~3 :
• sont situées dans le même plan, on dit qu’elles sont coplanaires ;
• se coupent en un même point O, on dit qu’elles sont concourantes.
Pour trouver une relation entre les vecteurs F~1 , F~2 et F~3 , nous allons choisir une échelle (par
exemple 1 cm pour 0,1 N) et dessiner les vecteurs en leur donnant comme origine le point
d’intersection O de leurs droites d’action (figure 1.11).
F1
R
F3
O
F2
~ de F~1 et F~2
Figure 1.11 – Résultante R
L’action de la force F~3 doit être équilibrée par une force qui résulte des actions des forces F~1
~ résultante des forces F~1 et F~2 . D’après la condition d’équilibre
et F~2 . Appelons cette force R,
dans le cas de deux forces (relation 1.1), nous avons :
~ = −F~3
R
~ est la diagonale du parallélogramme de côtés F~1 et
Nous remarquons que la résultante R
F~2 . Or, ceci est également vrai pour la somme vectorielle des deux vecteurs F~1 et F~2 . Nous
pouvons donc écrire :
~ = F~1 + F~2 ⇒ F~1 + F~2 = −F~3
R
3BC
11
Mécanique
ou encore :
F~1 + F~2 + F~3 = ~0.
Nous pouvons formuler la condition pour qu’un corps soumis à trois forces soit en équilibre.
Condition d’équilibre Si un corps soumis à trois forces F~1 , F~2 et F~3 est en équilibre :
• les trois forces sont coplanaires et concourantes ;
• la somme vectorielle des trois forces est nulle.
La deuxième condition s’exprime par la relation vectorielle :
F~1 + F~2 + F~3 = ~0
(1.2)
Remarque : cette condition d’équilibre peut-être facilement généralisée à un nombre quelconque de forces.
Exercice 1.1 Construire des résultantes et appliquer la condition d’équilibre en utilisant
les simulations suivantes :
http://www.walter-fendt.de/ph14f/
http://www.perso.ch/jdesiebenthal/physique/simulations/introduction.html
Exemple 1.3 Une boule en acier attachée à un fil et attirée par un aimant est en équilibre
(figure 1.12). Considérons uniquement les forces qui s’appliquent à la boule : son poids P~ ,
vertical et appliqué en G, la tension T~ du fil et la force magnétique F~mag , horizontale et
orientée vers l’aimant.
fil
α
T
boule
en acier
N
G
P
S
Fmag
Figure 1.12 – La boule soumise à trois forces est en équilibre
Comme la boule est en équilibre, nous avons : P~ + T~ + F~mag = ~0. Connaissant le poids de la
boule et l’angle α, quelles sont les intensités des forces T~ et F~mag ?
Méthode de résolution d’un problème à trois forces
Pour résoudre un problème comme celui posé dans l’exemple 1.3, vous allez systématiquement
appliquer la procédure suivante :
12
3BC
Mécanique
1. Précisez clairement le corps que vous considérez et pour lequel vous allez appliquer la
condition d’équilibre.
2. Faites un bilan des forces appliquées à ce corps : son poids, la force de réaction si le
corps est posé sur un support, la tension si le corps est lié à un fil ou à un ressort,
éventuellement des forces électriques ou magnétiques.
3. Exprimez la condition d’équilibre (relation 1.2). On peut exploiter cette relation vectorielle à l’aide d’une des trois méthodes suivantes :
1re méthode : Utilisez la relation vectorielle :
~ = F~1 + F~2 = −F~3
R
qui indique que l’une des trois forces appliquées est égale et opposée à la somme
~ = −F~3 est la diagonale
géométrique des deux autres. Rappelons que le vecteur R
~
~
du parallélogramme formé par F1 et F2 .
2e méthode : Projetez la relation vectorielle sur deux axes perpendiculaires de façon
à obtenir des relations algébriques entre les intensités des trois forces.
3e méthode : Décomposez une des forces suivant les directions des deux autres. Utilisez ensuite la condition d’équilibre pour deux forces sur chacune des directions.
Les notions de projection et de décomposition d’un vecteur seront présentées dans les
deux sections suivantes. Il est important de bien maîtriser ces techniques mathématiques.
Projection d’un vecteur
On choisit un système d’axes perpendiculaires Ox et Oy.
La projection du vecteur F~ sur l’axe Ox est obtenue en traçant deux perpendiculaires à cet
axe qui passent par les extrémités du vecteur ; la projection Fx est le segment de droite sur
l’axe Ox délimité par les deux perpendiculaires (figure 1.13).
On procède de la même façon pour déterminer la projection Fy du vecteur sur l’axe Oy.
y
M'
F
Fy
α
M
O
H
Fx
x
Figure 1.13 – Projections d’un vecteur sur deux axes perpendiculaires
3BC
13
Mécanique
Pour calculer les mesures algébriques des projections, on considère le triangle rectangle
M HM 0 . Dans ce triangle, l’intensité F est l’hypoténuse, Fx est le côté adjacent et Fy le
côté opposé à l’angle α. Il en suit :
cos α =
Fx
⇒ Fx = F cos α
F
sin α =
Fy
⇒ Fy = F sin α.
F
et :
Il est important de noter qu’une projection est une grandeur algébrique. Le vecteur F~1 de la
figure 1.14 est orienté dans le sens positif de l’axe Ox et la projection F1x est positive. Le
vecteur F~2 est par contre orienté dans le sens négatif de l’axe Ox et la projection F2x est
négative.
La projection d’un vecteur perpendiculaire à l’axe est nulle.
F1
F2
F2 x < 0
F1 x > 0
x
Figure 1.14 – La projection est une grandeur algébrique
Pour pouvoir utiliser la condition d’équilibre (relation 1.2), il faut remarquer que la projection
d’une somme de vecteurs est égale à la somme des projections sur un axe donné. Nous
obtenons ainsi le système de deux équations algébriques :


F1x + F2x + F3x = 0

F1y + F2y + F3y = 0
Remarques :
• Les projections (Fx ; Fy ) sont les coordonnées du vecteur F~ .
• Pour simplifier la solution de ce système d’équations, on choisit un système d’axes pour
lequel le plus grand nombre de projections s’annulent.
Décomposition d’un vecteur
La décomposition d’un vecteur F~ consiste à écrire le vecteur comme une somme de deux
autres vecteurs F~1 et F~2 appelés composantes du vecteur :
F~ = F~1 + F~2
14
3BC
Mécanique
(1)
F1
F
(2)
(a) Directions de la décomposition
F
F2
(b) Composantes du vecteur
Figure 1.15 – Décomposition d’un vecteur suivant deux directions quelconques
La figure 1.15a montre le vecteur F~ et les directions (1) et (2) suivant lesquelles on veut le
décomposer. Sur ces directions on construit le parallélogramme dont F~ est la diagonale. Les
composantes cherchées F~1 et F~2 sont alors les côtés du parallélogramme (figure 1.15b).
Pour pouvoir utiliser la condition d’équilibre (relation 1.2), il faut décomposer une des forces
suivant les directions des deux autres. Par exemple, F~1 est décomposé suivant les directions
de F~2 et F~3 :
F~1 = F~ 0 2 + F~ 0 3 .
Chacune de ces composantes doit équilibrer la force dans la direction correspondante. Nous
obtenons ainsi le système de deux équations vectorielles :


F~ 0 2 + F~2 = ~0

F~ 0 3 + F~3 = ~0
Remarque : la composante représente l’effet de la force suivant cette direction.
1.1.6
Exercices
Exercice 1.2 Déterminer la résultante de 2 forces F~1 et F~2 d’intensités F1 = 9 N et F2 = 6 N
qui font un angle α = 30◦
Exercice 1.3 Décomposer les forces P~ et T~ suivant les directions indiquées. L’échelle est
choisie de sorte que 1 cm correspond à 5 N.
Exercice 1.4 Reprendre le cas de l’exemple 1.3 et déterminer les intensités des forces T~ et
F~mag en utilisant les différentes méthodes. Le poids de la boule vaut P = 6 N et le fil fait un
angle α = 40◦ avec la verticale.
Exercice 1.5 Un solide est en équilibre sous l’action de trois forces concourantes F~1 , F~2 et
F~3 . Les forces F~1 et F~2 sont perpendiculaires et leurs intensités sont respectivement F1 = 6 N
et F2 = 8 N.
Calculer l’intensité de la force F~3 . Quel angle α fait-elle avec F~1 ?
3BC
T
P
1.1.7
15
Mécanique
Principe d’inertie
Le centre d’inertie
Expérience 1.5 Lançons un solide sur une table à coussin d’air horizontale (figure 1.16).
On observe le mouvement de deux points du solide : le point P situé à sa périphérie et son
centre de masse G.
G
P
(a) photographie
(b) schéma
Figure 1.16 – Solide en mouvement sur une table horizontale
Observation :
Contrairement au point P , le centre de masse G se déplace toujours sur une ligne droite et
à vitesse constante.
Interprétation :
Le solide est soumis à son poids et à la réaction du coussin d’air. Comme la table est horizontale, la somme de ces deux forces est nulle. Pour un tel solide en équilibre, le centre de masse,
encore appelé le centre d’inertie du solide se déplace en ligne droite à vitesse constante.
16
3BC
Mécanique
Exemple 1.4 Sur une plaque de verglas, le centre d’inertie d’une voiture a un mouvement
rectiligne à vitesse constante.
Quel sera le mouvement du centre d’inertie d’un solide en équilibre dans d’autres référentiels ?
Expérience 1.6 Prenons comme solide « test » une bille qui est initialement au repos sur
une table horizontale dans différents référentiels.
Observations :
• Dans un train se déplaçant à vitesse constante sur un tronçon rectiligne, la bille va
rester immobile.
• Dans un train accéléré ou freiné sur un tronçon rectiligne, la bille ne va pas rester
immobile.
• Sur un manège en rotation autour d’un axe, la bille ne va pas rester immobile.
Interprétation :
Parmi les référentiels on distingue ceux dans lesquels le centre d’inertie d’un solide en équilibre
a un mouvement rectiligne à vitesse constante. Ils sont appelés référentiels galiléens.
Exemple 1.5 Le référentiel terrestre est, à une bonne approximation, un référentiel galiléen.
Principe d’inertie Dans un référentiel galiléen, lorsque la résultante des forces agissant sur
un solide est nulle, le centre d’inertie du solide conserve son état de repos ou de mouvement
rectiligne à vitesse constante.
Exemple 1.6 Une grue soulève une charge à vitesse constante. La résultante des deux
forces qui s’exercent sur la charge, à savoir son poids et la tension du câble, est nulle.
1.1.8
Principe de l’action et de la réaction
Principe d’interaction Lorsqu’un corps A exerce sur un corps B la force F~A/B , alors le
corps B exerce sur le corps A la force F~B/A .
B
A
F˛B/A
F˛A/B
Figure 1.17 – Principe d’interaction
Cette interaction est telle que (figure 1.17) :
• F~A/B et F~B/A ont la même droite d’action ;
• F~A/B = −F~B/A .
3BC
17
Mécanique
Exemple 1.7 Une brique qui repose sur une table exerce une force F~B/T sur la table. La
table réagit avec une force F~T /B sur la brique.
F˛T /B
brique
F˛B/T
table
Figure 1.18 – Traction
Exemple 1.8 Lorsqu’une moto accélère, les cailloux éjectés vers l’arrière visualisent l’effet
de la force F~R/S exercée par la roue arrière sur le sol (figure 1.19). La moto est mise en
mouvement par la force F~S/R dirigée dans le sens du mouvement.
roue
F˛R/S
sens du mouvement
F˛S/R
sol
Figure 1.19 – Traction
Exemple 1.9 Le principe d’interaction est à l’origine de la propulsion des fusées. Dans
l’espace, la fusée éjecte des gaz vers l’arrière et se propulse par réaction, sans point d’appui
extérieur. Au mouvement de la masse de gaz vers l’arrière correspond un mouvement opposé
de la fusée vers l’avant. La fusée s’appuie sur les gaz éjectés et fonctionne parfaitement dans
le vide.
18
3BC
Mécanique
1.2
1.2.1
Le moment d’une force
Le levier
Le levier fut une des premières machines simples qu’inventa l’homme. De nos jours, on utilise
des leviers qu’on trouve sous des formes très variées : une tige rigide, une planche, un tournevis, un tire-bouchon, une brouette, des tenailles, une paire de ciseaux, . . . La figure 1.20
montre l’utilisation d’une simple tige rigide pour soulever une charge.
g
10 k
10 kg
(a) Levier à deux bras
(b) Levier à un bras
Figure 1.20 – Exemples d’utilisation pratique de leviers
Tous les leviers ont deux points communs :
• ce sont des corps solides ;
• ils sont mobiles autour d’un axe.
Pour faire fonctionner un levier, on applique une force au levier qui la transmet à un autre
corps, par exemple à la charge qu’on veut soulever.
Lorsque le point d’application de la force et le point de contact avec le corps se situent de
part et d’autre de l’axe, on parle d’un levier à deux bras (figure 1.20a). Lorsque ces deux
points se situent sur le même côté du levier par rapport à l’axe ce levier est dit à un bras
(figure 1.20b).
L’utilité du levier est de :
• réduire l’intensité de la force nécessaire pour agir sur un corps ;
• déplacer le point d’application de cette force.
Dans le cas des exemples de la figure 1.20, l’utilisation du levier permet de réduire la force
nécessaire pour soulever la charge. Aussi, le point d’application est déplacé à l’extrémité
droite de la tige.
Exercice 1.6 Réaliser les expériences suivantes :
• Utiliser un tournevis pour ouvrir une boite de peinture.
• Couper un clou à l’aide de tenailles.
• Construire une bascule à l’aide d’un crayon et d’une planchette en bois. Placer des
masses respectivement de 100 g et de 200 g sur la planchette de sorte que la bascule soit
en équilibre.
3BC
19
Mécanique
Pour chacune des expériences représenter le dispositif, la force manuelle et la force utile.
Comparer les intensités de ces forces. S’agit-il d’un levier à un ou à deux bras ?
1.2.2
Équilibre d’un levier
Nous allons étudier l’équilibre d’un levier simple. On considère les forces qui agissent sur ce
levier et on essaie de formuler une condition d’équilibre.
Remarques :
• Ici nous ne considérons pas la force avec laquelle le levier agit sur un autre corps mais
uniquement la force qui agit sur le levier.
• Pour simplifier les figures, la réaction du support n’est pas représentée. Le faire comme
exercice !
Expérience 1.7 La figure 1.21a montre un levier à deux bras. Pour différentes valeurs de
a1 , a2 et F1 nous mesurons l’intensité F2 de la force F~2 nécessaire pour que le levier soit en
équilibre. Les distances a1 , a2 sont appelées bras de levier.
a1
a2
axe
F1
F2
a2
masse
F2
F1
a1
dynamomètre
(a) Levier à deux bras
(b) Levier à un bras
Figure 1.21 – Étude expérimentale de l’équilibre d’un levier
Les mesures sont réalisées en travaux pratiques et permettent de formuler les conclusions
suivantes :
• Lorsque a1 et F1 restent inchangés, F2 est inversement proportionnel à a2 :
F2 ∼
1
.
a2
Lorsque a2 augmente, l’intensité F2 de la force F~2 diminue. Ceci montre bien l’utilité
du levier pour réduire l’intensité de la force !
20
3BC
Mécanique
• La condition d’équilibre ou loi du levier est :
F1 · a1 = F2 · a2
Le produit de l’intensité F par la distance a a la même valeur pour les deux forces.
On refait la même série de mesures avec le levier à un bras de la figure 1.21b. Les conclusions
sont les mêmes, ce n’est que le sens de la force F~2 qui change.
1.2.3
Définition du moment d’une force
Intéressons-nous à des situations dans lesquelles le levier n’est pas en équilibre. Que se passet-il par exemple si on augmente F1 ou a1 de sorte que F1 · a1 > F2 · a2 ? Le levier se met à
tourner dans le sens contraire des aiguilles d’une montre !
En général, le levier va tourner dans le sens de la force dont le produit F · a est le plus élevé.
Ce produit caractérise donc l’effet de la force sur la rotation du levier et est appelé moment
de la force.
La notion de moment d’une force peut être généralisée au cas d’un solide mobile autour d’un
axe. Nous allons nous limiter à des forces orthogonales à cet axe. Il faut également généraliser
la définition du bras de levier.
Expérience 1.8 Considérons le disque de la figure 1.22, mobile autour d’un axe fixe. Nous
allons appliquer les forces F~1 et F~2 de sorte que le disque soit en équilibre.
F2
F1
axe
F1
F2
Figure 1.22 – Déplacement du point d’application sur la droite d’action
Observation :
On constate que le disque reste en équilibre même si on déplace le point d’application de,
par exemple, la force F~2 sur sa droite d’action.
Conclusion :
L’expression de la loi du levier reste valable si a2 désigne la distance entre l’axe de rotation
et la droite d’action de la force F~2 .
Définition Le bras de levier a d’une force F~ est la distance de l’axe ∆ à la droite d’action
de F~ .
3BC
21
Mécanique
+
F1
a1
a2
Δ
F2
Figure 1.23 – Définition du bras de levier d’une force
La figure 1.23 montre le bras de levier d’une force orthogonale à l’axe de rotation. Le moment
d’une force caractérise l’efficacité de la force dans son action de rotation du solide.
Définition Le moment d’une force F~ par rapport à un axe ∆ qui lui est orthogonal est le
produit de l’intensité F de la force par son bras de levier a :
M∆ (F~ ) = F · a
L’unité S.I. de moment est le newton-mètre (N m).
Remarques :
• L’effet de rotation d’une force sur un solide mobile autour d’un axe ne dépend pas
seulement de son intensité mais aussi de son bras de levier. La force est d’autant plus
efficace que sa droite d’action est distante de l’axe.
• Le bras de levier d’une force dont la droite d’action passe par l’axe est nul et cette force
n’a pas d’action de rotation.
Exercice 1.7 Étudier les effets de différentes forces sur une porte.
1.2.4
Théorème des moments
Les deux forces de la figure 1.23 entraînent le solide dans des rotations de sens opposés. Pour
distinguer ces deux cas, nous allons choisir un sens de rotation positif.
La force F~1 entraîne le solide dans le sens positif choisi. Nous allons écrire :
M+ = M∆ (F~1 ) = F1 · a1 .
La force F~2 entraîne le solide dans le sens contraire, donc :
M− = M∆ (F~2 ) = F2 · a2 .
22
3BC
Mécanique
Le solide est en équilibre lorsque les deux moments sont égaux :
M+ = M−
(1.3)
Cette expression reste valable même s’il y a plusieurs forces qui entraînent le solide dans
l’un ou dans l’autre sens. Dans ce cas, M+ et M− doivent être remplacés par les sommes des
moments des forces qui entraînent le solide respectivement dans le sens positif et dans le sens
négatif.
La relation (1.3) exprime la condition d’équilibre d’un solide mobile autour d’un axe et est
appelé théorème des moments.
Théorème des moments Si un solide mobile autour d’un axe est en équilibre sous l’action
de forces, la somme des moments des forces qui entraînent le solide dans un sens est égale à
la somme des moments des forces qui l’entraînent dans le sens opposé.
Remarque : on rappelle qu’à l’équilibre la somme vectorielle des forces est nulle.
1.2.5
Méthode de résolution d’un problème à moments
Pour résoudre un problème faisant intervenir des forces qui agissent sur un solide mobile
autour d’un axe, vous allez systématiquement appliquer la procédure suivante :
1. Précisez clairement le corps que vous considérez et pour lequel vous allez appliquer les
conditions d’équilibre.
2. Faites un bilan des forces appliquées à ce corps : son poids, la force de réaction si le
corps est posé sur un support, la tension si le corps est lié à un fil ou à un ressort,
éventuellement des forces électriques ou magnétiques.
3. Déterminez l’axe de rotation et fixez un sens positif de rotation.
4. Exprimez le moment des différentes forces et indiquez si elles entraînent le corps dans
le sens positif ou dans le sens négatif.
5. Appliquez les relations (1.2) et (1.3).
1.2.6
Exercices
Exercice 1.8 L’étude de l’équilibre d’un levier a conduit au tableau de mesures suivant :
F1 (N)
10
?
12
9
Recopier le tableau et le compléter.
a1 (cm)
3
20
30
25
F2 (N)
?
1,5
4,5
?
a2 (cm)
5
60
?
30
3BC
23
Mécanique
Exercice 1.9 Grâce à une clé dynamométrique, on veut serrer un écrou à 100 N m. Quelle
force faut-il appliquer sachant que le bras de levier vaut 25 cm ?
Exercice 1.10 Chaque masse accrochée à un levier (figure 1.24a) a un poids de 1 N. Le
levier est-il en équilibre ? Justifier la réponse !
(a) Le levier est-il en équilibre ?
(b) Pédale de bicyclette
Figure 1.24 – Exercices
Exercice 1.11 Un cycliste pousse de tout son poids de 500 N sur la pédale de bicyclette. La
manivelle a une longueur de 17 cm. La figure 1.24b montre différentes positions de la pédale.
1. Représenter pour un angle α la force et le bras de levier. Calculer les moments de la
force pour les différents angles.
2. Représenter graphiquement le moment en fonction de l’angle.
Exercice 1.12 Une tige mobile passant par un axe D a une longueur de 1 m.
1. Reproduire la figure dans le cahier. Déterminer
le bras de levier (par la mesure ou par le calcul)
et calculer le moment de la force F~ .
2. Décomposer la force F~ en deux composantes :
l’une, F~1 parallèle à la tige et l’autre, F~2 qui
lui est perpendiculaire. Calculer le moment de
la force F~2 .
3. Expliquer pourquoi les deux calculs donnent le même résultat.
24
3BC
Mécanique
1.3
Équilibre statique d’un corps solide
On dit qu’un corps solide est en équilibre statique si dans un référentiel terrestre tous ses
points sont immobiles.
Nous allons d’abord rappeler les conditions d’équilibre et puis décrire les différentes formes
d’équilibre.
1.3.1
Conditions d’équilibre
Un corps solide est en équilibre statique si les forces qui s’appliquent à lui vérifient les conditions suivantes :
•
P
F~ = ~0 ;
• M+ = M− .
Ces relations permettent de calculer des forces et des moments et constituent la base du
travail des ingénieurs et des architectes.
1.3.2
Formes d’équilibre
Considérons un corps de centre de gravité G en équilibre statique. Lorsqu’on l’écarte légèrement de sa position d’équilibre, le corps peut réagir de trois façons différentes :
• Il retourne vers sa position d’équilibre (figures 1.25a et 1.26a). On dit que l’équilibre
est stable.
• Le corps est toujours en équilibre et conserve sa nouvelle position (figures 1.25b et
1.26b). L’équilibre est dit indifférent.
• Il s’éloigne d’avantage de sa position d’équilibre (figures 1.25c et 1.26c). Un tel équilibre
est instable.
G
(a) Équilibre stable
G
(b) Équilibre indifférent
G
(c) Équilibre instable
Figure 1.25 – Équilibre d’un corps solide mobile sur un support
La forme d’équilibre peut être déterminée en observant la variation de l’altitude du centre
de gravité G lorsqu’on écarte le corps de sa position d’équilibre.
• Si l’altitude de G augmente, l’équilibre est stable ;
• Si l’altitude de G ne varie pas, l’équilibre est indifférent ;
• Si l’altitude de G diminue, l’équilibre est instable.
Rappel : le centre de gravité est le point d’application du poids du corps.
3BC
25
Mécanique
Δ
G
Δ
G
G
Δ
(a) Équilibre stable
(b) Équilibre indifférent
(c) Équilibre instable
Figure 1.26 – Équilibre d’un corps solide mobile autour d’un axe ∆
1.4
Machines simples
Une machine simple est un dispositif mécanique qui sert à simplifier l’accomplissement d’un
travail physique, par exemple le levage d’une charge. Elle est constituée d’éléments simples
comme des roues, des cordes, des poulies, des planches, des leviers, . . . Ces machines font
partie des plus importantes inventions de l’homme.
Nous allons étudier en détail les poulies et le plan incliné. Ces machines simples seront utilisées
pour soulever d’une hauteur h une charge de poids P~ .
Sans l’utilisation de machine, il faut appliquer une force F~ égale et opposée au poids de
la charge (voir figure 1.27a). L’intérêt d’une machine simple est donc de changer une ou
plusieurs propriétés de la force à appliquer.
1.4.1
Poulies
Une poulie est une roue munie d’une entaille qui reçoit une corde, une chaîne ou une courroie.
Selon son utilisation, on distingue la poulie fixe et la poulie mobile.
Poulie fixe
La façon la plus simple d’utiliser une poulie est de la fixer à un support (figure 1.27b).
On constate que la force F~ à appliquer à l’extrémité de la corde a la même intensité que le
poids de la charge :
F =P
Pour monter la charge d’une hauteur h, nous devons déplacer le point d’application de la
force F~ d’une distance s égale à la hauteur :
s=h
Conclusion :
Une poulie fixe sert à changer la direction de la force à appliquer, mais elle ne
change pas son intensité !
26
3BC
Mécanique
poulie
F
h
s
charge
h
F
charge
P
P
(a) Sans machine simple
(b) À l’aide d’une poulie fixe
Figure 1.27 – Levage d’une charge de poids P~
Souvent, il est bien plus pratique de pouvoir tirer vers le bas pour monter une charge.
Poulie mobile
Une autre façon d’utiliser une poulie est de la fixer à la charge (figure 1.28). Une extrémité
de la corde est fixée à un support, l’autre est tirée verticalement vers le haut.
F
s
h
P
Figure 1.28 – Levage à l’aide d’une poulie mobile
On constate que l’intensité de la force F~ à appliquer à l’extrémité de la corde est égale à la
3BC
27
Mécanique
moitié du poids de la charge :
F =
P
2
Pour monter la charge d’une hauteur h, nous devons déplacer le point d’application de la
force F~ d’une distance s égale au double de la hauteur :
s = 2h
Conclusion :
Une poulie mobile ne change ni la direction, ni le sens de la force à appliquer,
mais elle permet de réduire son intensité à la moitié !
Remarque : la conclusion ci-dessus n’est valable que si le poids de la poulie est négligeable
devant le poids de la charge. Si son poids n’est pas négligeable, il faut l’additionner au poids
de la charge.
Exercice 1.13 Utiliser les conditions d’équilibre pour déterminer l’intensité de la force à
appliquer.
Palan
On peut associer une poulie fixe à une poulie mobile pour changer à la fois la direction et
l’intensité de la force (figure 1.29). Un tel dispositif est appelé palan.
F
s
h
P
Figure 1.29 – Le palan le plus simple
En général, un palan est un dispositif mécanique constitué de deux groupes, l’un fixe, l’autre
mobile, contenant chacun un nombre arbitraire de poulies, et d’une corde qui les relie. La
figure 1.30 montre des exemples de palans.
Pour déterminer l’intensité de la force à appliquer et le déplacement de son point d’application, il suffit de déterminer le nombre N de brins de la corde qui portent la charge. Comme la
28
Mécanique
3BC
Figure 1.30 – Exemples de palans
tension de la corde est partout la même (en négligeant son propre poids), chaque brin porte
un N -ième du poids de la charge. Cette même force doit être appliquée à l’extrémité de la
corde :
P
F =
N
Lorsque la charge monte d’une hauteur h, chacun des N brins de la corde est raccourci de
h, c’est-à-dire qu’il faudra tirer une longueur totale de corde de N h. La force F~ est donc
appliquée sur la distance :
s=Nh
Remarque : si le brin de corde sur lequel s’applique la force F~ s’enroule autour d’une poulie
fixe, il ne fait pas partie des brins qui portent la charge !
1.4.2
Plan incliné
Pour monter une charge, on peut également utiliser un plan incliné, par exemple une planche
ou une route ascendante. Pour être efficace, le frottement entre le plan et le corps doit être
faible, par exemple en utilisant des roues. Dans la suite, nous allons supposer que les forces
de frottement sont négligeables.
Pour faire monter le corps d’une hauteur h, nous utilisons un plan incliné d’une longueur
s supérieure à la hauteur (voir figure 1.31a). En introduisant l’angle α entre le plan et
l’horizontale, nous pouvons écrire :
sin α =
h
h
⇒s=
.
s
sin α
Pour déterminer l’intensité de la force F~ à appliquer, nous allons décomposer le poids du
corps suivant les directions parallèle et perpendiculaire au plan (figure 1.31b).
En supposant que le corps est déplacé à vitesse constante, nous pouvons appliquer la condition
d’équilibre :
F~ = −P~T ⇒ F = P · sin α.
3BC
29
Mécanique
R
R
F
F
PT
h
s
α PN
P
P
α
α
(a) Bilan des forces
(b) Décomposition
Figure 1.31 – Un corps est déplacé sur un plan incliné
On peut ainsi réduire la force en réduisant l’inclinaison du plan. Or, une réduction de l’inclinaison implique une augmentation du chemin sur lequel la force est appliquée.
1.4.3
Exercices
Exercice 1.14 Une élève (29 kg) soulève sa prof de gym (62 kg) à l’aide d’un palan constitué
de deux poulies fixes et de deux poulies mobiles.
1. Quelle force l’élève devrait-elle appliquer dans le cas d’un palan « idéal » ?
2. En réalité, la force nécessaire est plus élevée que la force théorique. Pourquoi ?
Exercice 1.15 Quelle force faut-il appliquer pour garder la charge de 10 kg en équilibre
(figures 7 et 8 ci-dessous) ?
Exercice 1.16 Dans un atelier de réparation, on soulève un moteur de 90 kg à l’aide d’un
palan. Ce palan est constitué de deux poulies fixes et de deux poulies mobiles. Chaque poulie
a une masse de 2 kg.
30
Mécanique
3BC
1. Il y a deux manières d’enrouler la corde : soit on fixe une extrémité au plafond, soit on
la fixe aux poulies mobiles. Fais un schéma pour chaque cas.
2. Lequel des deux dispositifs est le plus pratique ?
3. Sur combien de brins de corde la charge se répartit-elle ?
4. Quelle force doit-on appliquer pour soulever le moteur ?
5. Quelle longueur de corde doit-on tirer pour soulever le moteur de 2 m ?
6. Détermine la force qui s’applique sur le crochet qui retient le palan.
Exercice 1.17 On soulève une caisse à l’aide de différents palans. La charge, y compris les
poulies mobiles, a une masse de 120 kg.
On mesure les forces de traction : (1) 600 N, (2) 400 N, (3) 300 N, (4) 200 N.
1. Sur combien de brins de corde la charge se répartit-elle dans chaque cas ? Dessine les
quatre palans.
2. On fait descendre la caisse de 1 m. Combien de mètres de corde doit-on lâcher ?
3BC
1.5
1.5.1
31
Mécanique
Le travail d’une force
Le travail au sens physique
La notion de travail est liée à la sensation d’effort physique. La seule application d’une force
n’est cependant pas un travail au sens physique. Une force n’effectue du travail que lorsque
son point d’application se déplace.
Exemple 1.10 Un athlète effectue un travail en soulevant une haltère mais n’en effectue
plus lorsqu’il la maintient au-dessus de sa tête.
Remarque : le travail intellectuel n’est pas non plus un travail au sens physique !
1.5.2
Définition du travail d’une force
Force et déplacement de même direction
À l’aide de l’exemple suivant, nous allons déterminer une expression mathématique qui va
nous permettre de calculer le travail W effectué en fonction de l’intensité F de la force et du
déplacement d de son point d’application.
Exemple 1.11 Monsieur Martin est en train de déménager et doit monter des caisses de
même masse du rez-de-chaussée au 1er étage, 2e étage, . . . On notera W1 le travail effectué
pour monter une caisse au 1er étage. Il s’agit de déterminer le travail dans chacun des autres
cas de la figure 1.32 en fonction de W1 .
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
3e étage
2e étage
1er étage
rez-de-chaussée
Travail effectué:
W1
Figure 1.32 – Le travail dépend de la force et du déplacement
Conclusions :
• Si l’intensité de la force est la même, comme pour les cas 1, 2 et 3, le travail est
proportionnel au déplacement : W ∼ d.
32
3BC
Mécanique
• Si le déplacement est le même, comme pour les cas 1 et 4, le travail est proportionnel
à l’intensité de la force : W ∼ F .
Le travail est donc proportionnel au produit F · d, ce qui peut s’écrire : W = k F · d, ou k est
un coefficient de proportionnalité. Le choix de ce coefficient définit l’unité du travail. Dans
le Système international, k = 1.
Définition Lorsqu’une force constante F~ , orientée dans la direction et dans le sens du
déplacement, est appliquée sur une distance d, elle effectue un travail W :
W (F~ ) = F · d
L’unité du travail est le joule (J) : 1 J = 1 N m.
L’exemple suivant permet d’évaluer l’ordre de grandeur de l’unité de travail : 1 J est le travail
effectué en soulevant de 1 m un corps de poids 1 N, donc de masse 102 g.
Force et déplacement de directions différentes
Comment évaluer le travail si la force n’a pas la même direction que le déplacement ? Pour
pouvoir répondre à cette question, remarquons d’abord qu’une force perpendiculaire au déplacement ne travaille pas !
Exemple 1.12 La force avec laquelle une personne porte une valise ne travaille pas. Elle
effectue un travail au moment où la personne soulève la valise.
En général, une force n’est ni parallèle, ni perpendiculaire à la direction du mouvement. Pour
calculer le travail d’une telle force F~ , nous allons la décomposer dans ces deux directions
(figure 1.33).
F
α
FN
F
α
FT
Figure 1.33 – Travail d’une force d’orientation quelconque
La composante normale F~N est perpendiculaire au déplacement et ne travaille pas. La composante tangentielle F~T est dans la direction du déplacement de sorte que son travail est :
W (F~T ) = FT · d.
Le travail de la force F~ est la somme des travaux de ses composantes :
W (F~ ) = W (F~N ) + W (F~T ) = 0 + FT · d
où FT peut s’exprimer en fonction de α et de F : FT = F · cos α.
Ainsi, nous pouvons généraliser la définition du travail.
3BC
33
Mécanique
Définition Lorsqu’une force constante F~ , dont la direction fait un angle α avec la direction
du déplacement, est appliquée sur une distance d, elle effectue un travail W :
W (F~ ) = F · d · cos α
Remarques :
• Lorsque α = 0, c’est-à-dire lorsque la force et le déplacement ont la même direction,
alors cos α = 1 et on retrouve l’expression W (F~ ) = F · d.
• Lorsque α = 90◦ , c’est-à-dire lorsque la force est perpendiculaire à la direction du
déplacement, alors cos α = 0 et la force ne travaille pas.
1.5.3
La règle d’or de la mécanique
Est-ce qu’on peut économiser du travail en utilisant une machine simple ? On peut en effet
réduire l’intensité de la force, mais en même temps le déplacement du point d’application de
la force augmente.
Nous allons analyser la question dans un cas simple. Pour soulever d’une hauteur h une
charge de poids P , on doit effectuer le travail :
W = P · h.
Nous allons évaluer le travail effectué lorsqu’on utilise une machine simple.
• En utilisant un palan, le travail effectué est :
W =F ·s=
P
· N h = P · h.
N
• En utilisant un plan incliné, le travail effectué est :
W = F · s = P sin α ·
h
= P · h.
sin α
Dans ces deux cas, les machines réduisent les forces mais conservent le travail. Ce résultat
est vrai en général et constitue la règle d’or de la mécanique.
1.5.4
Rendement
La règle d’or s’applique à des situations où le poids des poulies mobiles et le frottement sont
négligeables. En réalité, le travail effectué avec une machine simple est supérieur au travail
sans machine.
Pour qu’une machine puisse fonctionner, il faut lui fournir le travail Wfourni . La machine
effectue sur un corps le travail Wutile qui est en pratique inférieur au travail fourni.
En général, la partie du travail fourni transformé par un système en travail utile est donnée
par le rendement du système.
34
Mécanique
3BC
Définition Le rendement η d’un système est égal au rapport du travail utile Wutile effectué
par ce système et du travail Wfourni nécessaire à son fonctionnement :
η=
Wutile
Wfourni
Le rendement est un nombre sans unité exprimé le plus souvent en %.
1.5.5
Exercices
Exercice 1.18 Sur un chantier, un treuil à moteur soulève une charge de 420 kg de 6 m
par l’intermédiaire d’un palan. Le palan est constitué de trois poulies fixes et de trois poulies
mobiles ; le treuil à moteur tire la corde vers le bas.
1. Quelle est la force de traction minimale ?
2. Calculer le travail mécanique effectué par le treuil à moteur à partir de la force de
traction qu’il exerce et de la longueur de corde qu’il enroule.
3. Comparer au travail nécessaire pour soulever directement la charge.
Exercice 1.19 Un livreur charge un fût de bière de masse 60 kg sur un camion d’une
hauteur de 1 m.
1. Calculer le travail qu’il effectue.
2. Il est plus facile de rouler le fût sur un plan incliné. L’ouvrier doit pour cela se déplacer
sur un chemin correspondant à quatre fois la hauteur. Que peut-on dire du travail
effectué ? En déduire la force à appliquer.
Exercice 1.20 Pour vider une cave inondée, les pompiers doivent pomper l’eau vers une
bouche d’égout située 2,7 m plus haut. La pompe effectue un travail de 54 kJ.
Calculer, en litres, la quantité d’eau déplacée.
Exercice 1.21 Marc travaille dans un supermarché. Il doit amener une caisse de conserves
de l’entrepôt jusqu’au rayon. Il exerce une force constante de 90 N pour faire glisser la caisse
et effectue un travail de 3150 J.
Quelle est la distance entre l’entrepôt et le rayon ?
Exercice 1.22 Pour soulever une charge de masse 400 kg de 5 m, on utilise un palan avec
trois poulies fixes et trois poulies mobiles. Sachant qu’il faut tirer l’extrémité libre de la corde
avec une force d’intensité 710 N, calculer le rendement du palan.
3BC
1.6
Mécanique
35
La puissance d’une force
1.6.1
Pourquoi la puissance ?
Il est souvent utile de considérer le temps nécessaire pour effectuer un certain travail. Voici
deux exemples :
Exemple 1.13 Pour monter une charge au 10e étage d’un bâtiment, un ouvrier met beaucoup plus de temps qu’une grue. Nous disons que la grue est plus puissante que l’ouvrier,
bien que les deux réalisent exactement le même travail.
Exemple 1.14 Une voiture puissante arrive à monter une côte en moins de temps qu’une
voiture de même masse mais moins puissante.
Nous allons définir une nouvelle grandeur appelée puissance qui tient compte à la fois du
travail effectué et du temps nécessaire. L’exemple suivant va nous permettre de trouver une
telle définition.
Exemple 1.15 Trois élèves réalisent des travaux W différents en des temps t différents.
Comment évaluer la puissance des élèves ?
Nom
Antoine
Jean
Marie
W (J)
600
1200
600
t (s)
10
8
5
Puissance
La puissance est définie comme étant le travail effectué en une seconde ; elle correspond au
quotient du travail par le temps.
1.6.2
Définition
Définition La puissance P d’une force est le quotient du travail W effectué par cette force
par le temps t nécessaire :
P =
W
t
L’unité de puissance est le watt (W) : 1 W = 1 J/s.
La puissance représente le travail que peut effectuer une force par unité de temps. Lorsqu’un
travail de 1 J est réalisé en 1 s, la puissance est 1 W.
Le tableau 1.1 donne les puissances de quelques systèmes mécaniques.
36
3BC
Mécanique
Système
Dynamo de bicyclette
Homme, travail continu
Homme, puissance maximale
Vélomoteur
Auto, classe moyenne
Camion
Locomotive TGV
Centrale électrique
Fusée lunaire
Puissance
3W
70 W
1400 W
1100 W
80 kW
320 kW
7000 kW
1000 MW
70 000 MW
Table 1.1 – Exemples de puissances
1.6.3
Définition
Le rendement d’un système fonctionnant en régime continu est le plus souvent exprimé en
fonction des puissances fournie et utile. À partir de :
η=
Wutile
Wutile /t
=
Wfourni
Wfourni /t
on obtient :
η=
1.6.4
Putile
.
Pfournie
Exercices
Exercice 1.23 Au cours de gymnastique, Raoul et David grimpent le long d’une corde.
Tous les deux atteignent la hauteur de 6 m au bout de 7 s.
1. Le professeur de gymnastique leur donne la même note, prétextant qu’ils ont tous les
deux fourni la même puissance. A-t-il raison ?
2. Calculer les puissances de Raoul (49 kg) et de David (56 kg).
Exercice 1.24 Paola (48 kg) monte sur une colline située 200 m plus haut que son point
de départ. Quelle est sa puissance, si elle effectue le trajet en 1 h ?
Exercice 1.25 Quel temps mettrait une voiture (800 kg ; 40 kW) pour gravir un col situé
1000 m au-dessus du point de départ, si on pouvait négliger le frottement et la résistance de
l’air ?
3BC
1.7
1.7.1
Mécanique
37
Énergie mécanique
Notion d’énergie
La notion d’énergie est une notion fondamentale de la physique. Bien que le terme « énergie »
soit utilisé couramment, on constate qu’il est difficile de définir la notion d’énergie.
Voici les principales propriétés de l’énergie :
• elle dépend de l’état du système ;
• elle peut apparaître sous différentes formes ;
• elle ne peut être ni créée ni détruite, elle se conserve.
La dernière propriété est un principe fondamental de la physique.
En mécanique, l’énergie d’un système change de forme ou est transférée d’un corps du système à un autre lorsqu’une force effectue un travail. Le travail est un mode de transfert
d’énergie.
Exemple 1.16 Un système est constitué de deux corps A et B. Le corps A effectue un
travail sur le corps B en le soulevant. Initialement l’énergie de A était de 300 J, celle de B
de 50 J.
Si le travail effectué par A est de 100 J, son énergie après le travail sera de 200 J et celle de
B de 150 J. L’énergie du système n’a pas changée !
Les résultats de cet exemple peuvent être généralisés à tout système mécanique :
• avoir de l’énergie est nécessaire pour effectuer un travail ;
• en travaillant un corps perd une partie de son énergie ;
• effectuer un travail sur un corps permet d’augmenter son énergie ;
• l’unité de l’énergie est la même que celle du travail, le joule (J).
1.7.2
Formes d’énergie
Nous allons discuter en détail les formes d’énergie mécanique et ne citer qu’une partie des
autres formes, non mécaniques.
Énergie cinétique
Exemple 1.17 Un courant d’eau fait tourner une roue hydraulique. L’eau en mouvement
effectue un travail ; elle possède donc de l’énergie.
Exemple 1.18 Quand un chariot en mouvement entre en collision avec un bloc en bois, le
bloc est déplacé ; le chariot possède donc de l’énergie.
Nous pouvons conclure de ces exemples que tout corps en mouvement possède de l’énergie,
appelée énergie cinétique.
38
Mécanique
3BC
Pour déterminer la valeur de l’énergie cinétique d’un corps, nous devons calculer le travail
nécessaire pour le mettre en mouvement. Ce calcul sera fait en classe de 2e. On trouve que
l’énergie cinétique est proportionnelle à la masse du corps et au carré de sa vitesse.
Énergie cinétique Un corps de masse m animé d’un mouvement de translation de vitesse
v par rapport à un certain référentiel possède dans ce référentiel une énergie cinétique :
EC =
1
m v2
2
L’unité de l’énergie cinétique est le joule (J), l’unité de la vitesse est le mètre par seconde
(m/s).
Énergie potentielle de pesanteur
Exemple 1.19 Lorsqu’un chariot descend un plan incliné, il va acquérir de l’énergie cinétique et pourra par conséquent effectuer un travail. Au point de départ le chariot possède
donc de l’énergie.
Exemple 1.20 Pour produire de l’électricité, la centrale de Vianden utilise l’énergie de
l’eau du bassin supérieur au Mont Saint-Nicolas.
Nous pouvons conclure de ces exemples que tout corps situé à une certaine altitude possède
de l’énergie, appelée énergie potentielle de pesanteur.
(1)
(2)
h
niveau de référence
Figure 1.34 – Calcul de l’énergie potentielle de pesanteur d’un corps
Pour déterminer la valeur de l’énergie potentielle de pesanteur d’un corps de masse m, nous
pouvons calculer le travail nécessaire pour le soulever à une altitude h.
La figure 1.34 montre deux chemins différents pour soulever le corps à une altitude h par rapport au niveau de référence. D’après la règle d’or de la mécanique, le travail est indépendant
du chemin suivi. Nous calculons le travail sur le chemin (2) :
W = P h = m g h.
Énergie potentielle de pesanteur Un corps de masse m situé à une altitude h par rapport
à un niveau de référence possède une énergie potentielle de pesanteur :
Epp = m g h
3BC
Mécanique
39
L’unité de l’énergie potentielle de pesanteur est le joule (J).
Énergie potentielle élastique
Un arc tendu peut mettre en mouvement une flèche, le ressort en spirale tendu d’une voiture
miniature peut accélérer la voiture. L’arc et le ressort possèdent donc de l’énergie.
On appelle énergie potentielle élastique l’énergie d’un corps élastique déformé.
Formes d’énergie non mécaniques
L’énergie interne ou thermique est liée aux mouvements des atomes ou molécules d’un
corps.
L’énergie électrique est liée aux différences de charge électrique entre deux corps. Une pile a
de l’énergie électrique.
L’énergie chimique est liée à la structure de la matière, aux liaisons entre atomes ou entre
molécules.
L’énergie nucléaire est liée aux liaisons entre les particules constituant le noyau de l’atome.
Elle se manifeste par exemple lorsque des noyaux lourds se cassent (fission nucléaire).
L’énergie rayonnante est liée aux radiations émises par des corps. Un rayonnement peut être
par exemple une onde électromagnétique.
1.7.3
Transformations d’énergie
L’énergie peut passer d’un corps à un autre ; nous disons qu’il y a un transfert d’énergie.
Exemple 1.21 Une boule de billard A est en mouvement ; elle possède de l’énergie cinétique. Elle frappe une boule B initialement immobile. La boule A s’immobilise tandis que la
boule B est mise en mouvement. L’énergie cinétique est transférée de la boule A à la boule
B.
Lorsque l’énergie d’un corps passe d’une forme à une autre, on parle de transformation
d’énergie.
Exemple 1.22 Une boule se trouve à 2 m du sol ; elle possède de l’énergie potentielle de
pesanteur. Lorsqu’elle tombe sous l’action de son poids, son énergie potentielle de pesanteur
se transforme en énergie cinétique.
Les différentes formes de travail sont des modes de transfert des formes d’énergie correspondantes : un travail accélérateur augmente l’énergie cinétique du corps, le travail du poids fait
varier l’énergie potentielle de pesanteur et le travail tenseur fait varier l’énergie potentielle
élastique.
40
Mécanique
1.7.4
3BC
Conservation de l’énergie
L’intérêt de la notion d’énergie vient du fait que les différentes formes d’énergie peuvent
varier mais que la quantité totale de l’énergie est conservée. Avant de formuler ce principe
fondamental, nous devons définir les notions d’énergie totale et de système isolé.
Définition L’énergie totale d’un corps est la somme de toutes les formes d’énergie. L’énergie totale d’un système physique est la somme des énergies des corps qui constituent le système.
Définition Un ensemble de corps qui interagissent uniquement entre-eux est appelé système
isolé.
Ces définitions permettent de formuler le principe de conservation de l’énergie.
Principe de conservation de l’énergie Lors de transferts ou de transformations d’énergie, l’énergie totale d’un système isolé est conservée.
On doit remarquer que l’énergie totale comprend toutes les formes d’énergie, mécaniques et
non mécaniques.
Exemple 1.23 Une voiture en mouvement sur une route horizontale freine. À cause des
frottements entre les disques et les plaquettes de frein, son énergie cinétique est transformée
en énergie thermique.
Lorsqu’il y a des frottements, de l’énergie mécanique est transformée en énergie thermique.
En absence de frottements, on peut formuler le principe de conservation de l’énergie mécanique.
Principe de conservation de l’énergie mécanique Lors de transferts ou de transformations d’énergie mécanique et en absence de frottements, l’énergie mécanique totale d’un
système isolé est conservée.
Remarque :
En réalité, tous les mouvements sont accompagnés d’un frottement. Donc l’énergie mécanique n’est pas conservée, mais se transforme peu à peu en énergie thermique.
Considérons un solide indéformable de masse m se déplaçant avec une vitesse v à une altitude
z. Son énergie mécanique totale s’écrit :
Eméca = Ec + Epp
ou :
Eméca =
1
m v 2 + m g z.
2
La conservation de l’énergie permet d’écrire :
Eméca = constante
3BC
41
Mécanique
ou :
1
1
m v0 2 + m g z0 = m v1 2 + m g z1
2
2
L’indice « 0 » indique l’état initial, « 1 » l’état final.
Expérience 1.9 Étude du looping (figure 1.35).
h
z
Eméca=Epp
1
Eméca=Ec+Epp
h'
3
Eméca=Ec
Eméca=Ec
4
2
x
Figure 1.35 – Étude énergétique du looping
Une bille de masse m se déplace avec la vitesse v sur un looping à une altitude z. On néglige
les frottements.
1. La bille est lancée sans vitesse initiale à partir d’une hauteur z = h, l’énergie cinétique
est nulle. L’énergie mécanique s’écrit : Eméca = m g h.
2. La bille est au niveau de référence z = 0, l’énergie potentielle de pesanteur est nulle.
L’énergie mécanique ne comporte que l’énergie cinétique et s’écrit : Eméca = 12 m v0 2 , la
vitesse v0 est la vitesse maximale.
3. La bille est à l’altitude z = h0 , avec h0 < h. L’énergie mécanique comporte l’énergie
cinétique et l’énergie potentielle de pesanteur et s’écrit : Eméca = 12 m v 0 2 + m g h0 , la
vitesse v 0 est inférieure à la vitesse maximale v0 .
4. La bille est à nouveau au niveau de référence. L’énergie mécanique ne comporte que
l’énergie cinétique et s’écrit : Eméca = 21 m v0 2 , la vitesse v0 est la vitesse maximale.
Si on tient compte des frottements, l’énergie mécanique est transformée progressivement en
énergie thermique. Ainsi la vitesse en (4) est plus petite qu’en (2).
1.7.5
Exercices
Exercice 1.26 Une voiture de masse 1 t avance à 120 km/h. Calculer son énergie cinétique.
Quelle devrait être la vitesse d’un camion de 25 t pour qu’il ait la même énergie cinétique ?
Quelle serait son énergie cinétique s’il avançait à la même vitesse que la voiture ?
42
3BC
Mécanique
Exercice 1.27 Une voiture roule à 100 km/h. Le conducteur freine quatre fois de suite, ce
qui diminue la vitesse de 25 km/h à chaque coup de pédale jusqu’à l’arrêt.
Quelle proportion de l’énergie cinétique initiale les freins reçoivent-ils à chaque manœuvre ?
Exercice 1.28 Calculer la quantité d’énergie potentielle de pesanteur qui est transformée
lorsque 1 m3 d’eau tombe d’une altitude de 280 m dans la centrale de Vianden.
Exercice 1.29 Décrire les transformations d’énergie dans les cas suivants : (1) tir à l’arc,
(2) rebond d’une balle de tennis sur une raquette.
Quels sont les travaux qui font passer l’énergie d’une forme à une autre ?
Exercice 1.30 On dit que l’eau courante des rivières constitue une source d’énergie renouvelable. D’où provient cette énergie ?
Exercice 1.31 La roue hydraulique de la figure 1.36a achemine l’eau d’une rivière vers un
champ situé plus haut. Décrire les transformations d’énergie.
(a)
(b)
Figure 1.36 – Roues hydrauliques
Exercice 1.32 La figure 1.36b représente une roue hydraulique mue d’en haut et une roue
mue d’en bas. Quelles sont les énergies utilisées ?
Exercice 1.33 Où utilise-t-on l’énergie cinétique du vent (énergie éolienne) ?
1. D’où provient cette énergie ?
2. Quel est l’inconvénient de cette source d’énergie ?
Chapitre 2
Thermodynamique
2.1
2.1.1
Énergie interne
La température
Expérience 2.1 Une éprouvette remplie d’eau est agitée. À l’aide d’un thermomètre on
mesure la température avant et après l’agitation.
Observation :
La température de l’eau a augmentée.
thermomètre
Interprétation :
L’eau est constituée de molécules qui se déplacent de façon désordonnée. En secouant l’éprouvette, le mouvement désordonné des
particules devient plus important : la température de l’eau augmente.
agitation
Définition Le mouvement désordonné des particules d’un corps est appelé agitation thermique.
Définition La température T d’un corps est une mesure de l’agitation thermique des particules qui le constituent : plus l’agitation thermique est importante, plus la température du
corps est élevée.
L’unité S.I. de la température est le kelvin (K).
La température à laquelle le mouvement désordonné des particules cesse est appelée le zéro
absolu. C’est la limite inférieure des températures. Le zéro absolu correspond à 0 K.
Souvent on mesure la température en degrés Celsius (◦C), avec 0 ◦C et 100 ◦C correspondant
respectivement à la température de fusion et d’ébullition de l’eau. Une température exprimée
en ◦C est notée θ. Le zéro absolu correspond à −273 ◦C.
On a les relations de conversion suivantes :
T = θ + 273 K ⇔ θ = T − 273 ◦C.
44
3BC
Thermodynamique
L’ampleur de l’agitation thermique est différente selon l’état de la matière (figure 2.1) :
• Les particules d’un solide oscillent autour d’une position fixe. Le volume et la forme
d’un solide sont bien définis.
• Les particules d’un liquide se déplacent librement tout en restant en contact entre-elles.
Le volume d’un liquide est bien défini, il prend la forme du récipient qui le renferme.
• Les particules d’un gaz se déplacent librement dans tout l’espace qui leur est mis à
disposition. Le volume et la forme d’un gaz sont ceux du récipient qui le renferme.
solide
liquide
gaz
Figure 2.1 – Les états de la matière
2.1.2
La notion d’énergie interne
En secouant l’eau de l’expérience 2.1 on a augmenté sa température. Le travail effectué par
l’expérimentateur se retrouve emmagasiné dans le corps sous forme d’énergie.
Puisque le corps est au repos dans les états initial et final, cette énergie est liée aux particules constituant le corps. En effet, une agitation thermique plus importante entraîne une
augmentation de l’énergie cinétique des particules.
L’énergie totale des particules d’un corps est appelée énergie interne.
Définition L’énergie interne d’un corps comprend l’énergie cinétique des particules, l’énergie potentielle des particules due aux interactions avec le milieu extérieur et l’énergie due aux
interactions entre les particules.
L’énergie interne est notée U et s’exprime en joule (J).
Remarques :
• Comme toute forme d’énergie, l’énergie interne ne dépend que de l’état du corps. C’est
une fonction d’état.
• L’énergie potentielle des particules dépend de leurs positions dans le champ de pesanteur, dans un champ électrique ou magnétique.
• Les interactions entre les particules sont de nature électrique.
2.1.3
Conservation de l’énergie
La conservation de l’énergie est un principe fondamental vérifié par les résultats de nombreuses expériences.
3BC
45
Thermodynamique
Principe de la conservation de l’énergie L’énergie totale d’un système isolé est invariante au cours du temps.
L’énergie totale comporte l’énergie cinétique, l’énergie potentielle et l’énergie interne de tous
les corps qui forment le système isolé.
2.1.4
Modes de transfert d’énergie interne
Travail
L’énergie mécanique d’un corps peut être augmentée en effectuant un travail. De l’expérience 2.1 nous savons qu’il en est de même pour l’énergie interne. Considérons deux autres
exemples.
Exemple 2.1 Un bloc est déplacé sur un support en appliquant une force F~ qui compense
l’effet de la force de frottement F~f (figure 2.2).
déplacement
F˛f
bloc
F˛
support
W >0
U¬
Figure 2.2 – Travail effectué sur un système
La température du bloc et du support augmente. Le travail de la force F~ résulte en une
augmentation de l’énergie interne de ces corps.
Exemple 2.2 Un cylindre fermé par un piston renferme un gaz comprimé. Lorsque le piston
est libéré, le gaz se détend rapidement et met en mouvement un chariot en exerçant une force
F~ (figure 2.3).
déplacement
chariot
gaz
F˛
piston
U√
W <0
Figure 2.3 – Travail effectué par un système
La température du gaz diminue lors de la détente rapide. Le travail de la force F~ résulte en
une diminution de l’énergie interne du gaz.
En absence d’autres transferts d’énergie, la variation de l’énergie interne est égale au travail :

W > 0
si le travail est effectué sur le système;
∆U = W 
W < 0 si le travail est effectué par le système.
46
3BC
Thermodynamique
Chaleur
Une autre façon de faire varier l’énergie interne d’un corps est de le mettre en contact avec
un autre corps de température différente.
Exemple 2.3 Un corps en fer à la température ambiante T est plongé dans de l’eau chaude
à la température Teau > T (figure 2.4).
eau
Teau > T
corps
T
Q>0
U¬
Figure 2.4 – Transfert d’énergie interne de l’eau vers le corps
Le contact avec l’eau chaude fait augmenter la température du corps en fer et résulte en une
augmentation de son énergie interne.
Exemple 2.4 Un corps en fer à la température ambiante T est plongé dans de l’eau froide
à la température Teau < T (figure 2.5).
eau
Teau < T
corps
T
U√
Q<0
Figure 2.5 – Transfert d’énergie interne du corps vers l’eau
Le contact avec l’eau froide fait diminuer la température du corps en fer et résulte en une
diminution de son énergie interne.
Si la variation de l’énergie interne est due au contact avec un autre corps de température
différente, le mode de transfert d’énergie interne est appelé chaleur. La quantité de chaleur
est notée Q et s’exprime en joule (J).
Définition La chaleur est un mode de transfert d’énergie interne entre deux corps résultant
de leur différence de température.
En absence d’autres transferts d’énergie, la variation de l’énergie interne est égale à la chaleur :

Q > 0
si la chaleur est reçue par le système;
∆U = Q 
Q < 0 si la chaleur est fournie par le système.
2.1.5
Principe d’équivalence
Les différentes façons de réaliser un changement de l’état du système conduisent-elles à la
même variation d’énergie interne ?
3BC
47
Thermodynamique
C’est J. P. Joule qui établira l’équivalence entre les différents modes de transfert. Le principe
de son expérience la plus célèbre est décrit ci-dessous, il la réalisa pour la première fois en
1845.
Dans un récipient contenant de l’eau et dont les parois sont parfaitement isolées, Joule, dans
un premier temps, élevait la température par un transfert d’énergie interne sous forme d’un
travail W . La chute d’une masse entraînait des pales qui remuaient l’eau (figure 2.6).
poulie
eau
masse
pale
Figure 2.6 – Principe de l’expérience de Joule
Dans un deuxième temps, il ramenait l’eau à son état initial en le refroidissant par échange
d’une quantité de chaleur Q avec le milieu extérieur.
Les mesures de Joule montrèrent que le travail est proportionnel à la quantité de chaleur.
Joule obtint comme facteur de proportionnalité 4,18. Cependant, le travail fut mesuré en J
et la chaleur en calorie (cal). Une calorie correspond à la chaleur qu’il faut fournir à 1 g d’eau
pour élever sa température de 1 ◦C.
En définissant la calorie par 1 cal = 4,18 J, le résultat de l’expérience de Joule peut s’écrire :
W + Q = 0.
Le travail est compté positivement alors que la chaleur est négative. Ce résultat montre l’équivalence des modes de transfert d’énergie interne et peut être généralisé à tout système.
Principe d’équivalence Lorsqu’un système fermé subit un cycle de transformations qui
le ramène à son état initial, la somme du travail W et de la chaleur Q échangés est nulle.
L’applet « Loi de Joule1 » montre le principe de fonctionnement de l’appareil utilisé par
Joule.
2.1.6
Premier principe de la thermodynamique
Le premier principe de la thermodynamique traduit la conservation de l’énergie lorsqu’un
système échange de l’énergie avec le milieu extérieur.
1
http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/thermo/joule.html
48
Thermodynamique
3BC
Premier principe de la thermodynamique Lorsqu’un travail W est effectué sur un
système et qu’une quantité de chaleur Q est reçue par le système, la variation ∆U de son
énergie interne est donnée par :
∆U = W + Q
Remarques :
• L’énergie interne est une fonction d’état. Sa variation ne dépend que des états initial
et final.
• La variation ∆U peut être causée par un travail ou par un échange de chaleur. Le travail
W et la quantité de chaleur Q dépendent du « parcours » du système entre les états
initial et final. Ce n’est que la somme W + Q qui est indépendante de ce parcours.
• Le travail et la chaleur représentent de l’énergie « en transit ». On ne peut pas dire qu’un
corps possède du travail ou de la chaleur. Ce sont des grandeurs liées à un processus
d’échange d’énergie.
3BC
2.2
2.2.1
49
Thermodynamique
La chaleur sous toutes ses formes
Capacité thermique massique
Comment peut-on déduire la quantité de chaleur échangée par un corps de la variation de sa
température ? Quelles autres grandeurs ont une influence ? L’expérience suivante permet de
donner des réponses.
Expérience 2.2 Un calorimètre contient de l’eau de masse m. Une résistance chauffante
va fournir une quantité de chaleur Q à l’eau. Un thermomètre mesure la température θ de
l’eau.
résistance
thermomètre
eau
Figure 2.7 – Calorimètre
La quantité de chaleur Q fournie par la résistance est entièrement reçue par l’eau. Elle est
déterminée par :
Q=P ·t
où P est la puissance électrique de la résistance et t la durée de chauffage.
Dans un premier temps, on étudie la relation entre Q et l’augmentation de la température
∆θ pour une masse d’eau donnée.
La relation entre Q et m est étudiée dans un deuxième temps en augmentant la température
de différentes masses d’eau d’une même valeur.
Conclusion :
Les résultats des mesures permettent d’écrire les relations suivantes :
Q ∼ ∆θ pour une masse donnée ;
Q∼m
pour une augmentation de température donnée.
En combinant les deux relations on obtient :
Q ∼ m · ∆θ
et, en introduisant un coefficient de proportionnalité :
Q = c · m · ∆θ.
50
3BC
Thermodynamique
La différence de température prend la même valeur, que les températures sont exprimées en
◦
C ou en K :
∆θ = θ2 − θ1 = (T2 − 273) − (T1 − 273)
= T2 − T1 = ∆T.
Le coefficient de proportionnalité c est appelé capacité thermique massique et s’exprime en
J/kg K. Sa valeur correspond à la quantité de chaleur nécessaire pour faire varier de 1 K la
température d’un corps de masse 1 kg.
Énoncé Lorsque la température d’un corps de masse m passe d’une valeur initiale T1 à une
valeur finale T2 , la quantité de chaleur Q échangée avec le milieu extérieur est donnée par la
relation :
Q = m c (T2 − T1 )
Le tableau 2.1a donne quelques valeurs de capacités thermiques massiques dans les conditions
normales de température et de pression (sauf indication contraire).
Substance
Aluminium
Argent
Cuivre
Eau
Glace
Éthanol
Fer
Graphite
Huile
Mercure
Or
Plomb
c (J/kg K)
897
235
385
4186
2060
2460
444
720
≈ 2000
139
129
129
Substance
Aluminium
Argent
Cuivre
Eau
Éthanol
Fer
Silicium
Mercure
Or
Plomb
Lf (kJ/kg)
388
103
205
334
108
272
1790
11,5
64,9
23,2
Lv (kJ/kg)
10 800
2390
4796
2260
850
6095
12 800
300
1738
862
(b) chaleur latente
(a) capacité thermique massique
Table 2.1 – Caractéristiques thermiques
Remarques :
• On vérifie que la chaleur est positive si la température augmente et négative dans le
cas contraire.
• L’expression de la chaleur n’est pas valable s’il y a un changement de phase (voir la
sous-section 2.2.2).
• Pour un corps composé de différentes substances, on définit la capacité thermique C
qui s’exprime en J/K :
Q = C (T2 − T1 ).
Sa valeur correspond à la quantité de chaleur nécessaire pour faire varier de 1 K la
température du corps.
3BC
2.2.2
Thermodynamique
51
Chaleur latente
Nous savons que lors d’un changement d’état, la température d’un corps ne change pas.
Que devient la chaleur fournie à ce corps si elle ne sert pas à augmenter sa température ?
L’expérience suivante utilise la glace fondante.
Expérience 2.3 Deux verres contiennent la même masse d’eau à température ambiante.
On prépare dans un bécher un mélange d’eau et de glace fondante qui est à 0 ◦C.
On met quelques glaçons à 0 ◦C dans le premier verre, puis on verse une masse identique
d’eau à 0 ◦C dans le deuxième verre. Après la fusion des glaçons on compare les températures
de l’eau dans les deux verres.
Observation :
La température finale de l’eau mélangée avec la glace est bien inférieure à celle dans le
deuxième verre.
Interprétation :
L’eau dans le premier verre doit d’abord fournir une certaine quantité de chaleur aux glaçons
pour les faire fondre et obtenir une masse d’eau à 0 ◦C.
L’expérience suivante sert à déterminer la chaleur reçue par la glace lors de sa fusion.
Expérience 2.4 Un calorimètre contient une masse m1 d’eau à la température θ1 . On
verse dans le calorimètre une masse m2 de glace à la température θ2 = 0 ◦C. On relève la
température θm du mélange quand celle-ci ne varie plus.
Le bilan énergétique tient compte des différentes chaleurs fournies et reçues :
m1 c (θ1 − θm ) chaleur fournie par l’eau ;
Qf
chaleur reçue par la glace fondante ;
m2 c (θm − θ2 ) chaleur reçue par l’eau obtenu de la glace.
où c est la capacité thermique massique de l’eau. On néglige la chaleur fournie par le calorimètre. La conservation de l’énergie permet d’écrire :
Qf = m1 c (θ1 − θm ) − m2 c (θm − θ2 ).
On refait l’expérience avec différentes masses de glace.
Conclusion :
La chaleur de fusion reçue par la glace est proportionnelle à sa masse. En introduisant le
coefficient de proportionnalité Lf on peut écrire :
Qf = m2 Lf .
La grandeur Lf est appelée chaleur latente de fusion et s’exprime en J/kg. Sa valeur correspond à la quantité de chaleur nécessaire pour faire passer un corps de masse 1 kg de l’état
solide à l’état liquide.
Une grandeur analogue peut être définie pour chacun des changements d’état représentés sur
la figure 2.8.
52
3BC
Thermodynamique
at
ion
so
lid
sa
tio
ion
ifi
c
at
sio
ris
en
n
resublimation
solide
po
nd
fu
va
co
n
liquide
sublimation
gaz
Figure 2.8 – Changements d’état
Énoncé Lorsque un corps de masse m subit un changement d’état, la quantité de chaleur
Q échangée avec le milieu extérieur est donnée par la relation :
Q = mL
La fusion, la vaporisation et la sublimation nécessitent un apport de chaleur : Q > 0. Les
chaleurs latentes correspondantes Lf , Lv et Lsub sont positives.
La solidification, la condensation et la resublimation libèrent de la chaleur : Q < 0. Les
chaleurs latentes correspondantes Lsol , Lc et Lres sont négatives. Leurs valeurs absolues sont
les mêmes que pour les transformations inverses respectives :
Lsol = −Lf , Lc = −Lv , Lres = −Lsub .
Le tableau 2.1b donne quelques valeurs de chaleurs latentes.
Exemple 2.5 Lorsqu’on fait du sport, la transpiration sert à nous refroidir. En effet, notre
corps cède au liquide la chaleur nécessaire à la vaporisation de la sueur. Il en résulte un
refroidissement bien que la sueur et la peau aient la même température.
Exemple 2.6 Lors de la formation des nuages, il y a condensation de la vapeur d’eau en
eau liquide. Il en suit une libération de chaleur qui réchauffe l’atmosphère. La diminution de
la température dans la troposphère est ainsi réduite à 6,5 ◦C par km d’altitude au lieu de
10 ◦C pour de l’air sec.
2.2.3
Transmission de la chaleur
Le transport de la chaleur d’un point à un autre peut se faire par trois manières différentes :
par conduction, par convection et par rayonnement.
Conduction
Expérience 2.5 Sur une tige métallique, fixée horizontalement, on dépose de petites boules
de cire (figure 2.9). On chauffe une extrémité à l’aide d’une flamme d’un brûleur à gaz.
3BC
53
Thermodynamique
tige métallique
boules de cire
brûleur à gaz
Figure 2.9 – Transmission de la chaleur par conduction
Observation :
Ce sont d’abord les boules situées près de l’extrémité chauffée qui fondent, puis celles qui en
sont un peu plus éloignées, . . .
Interprétation :
Il y a eu une transmission de la chaleur de l’extrémité chaude vers l’extrémité froide par
l’intermédiaire de la tige métallique.
L’agitation thermique des atomes de l’extrémité chaude de la tige est transférée par collisions
à leurs plus proches voisins. Ce mode de transmission de la chaleur est appelé conduction.
Définition Lorsque la transmission de la chaleur se fait par transfert de l’agitation thermique de proche en proche, sans transport de matière, on parle de conduction.
Les métaux sont les meilleurs conducteurs thermiques. Le bois, la laine de verre ou l’air sont
des mauvais conducteurs, on les utilise comme isolants thermiques.
Convection
Expérience 2.6 Un tube en verre de forme rectangulaire contenant de l’eau colorée est
fixé verticalement (figure 2.10). Une extrémité inférieure du tube est chauffée à l’aide d’une
flamme d’un brûleur à gaz.
ciculation de
l'eau
tube en verre
brûleur à gaz
Figure 2.10 – Transmission de la chaleur par convection
Observation :
54
3BC
Thermodynamique
On observe des déplacements d’eau dans le tube formant des courants dits de convection. Ce
mode de transmission de la chaleur est appelé convection.
Interprétation :
L’eau en contact avec l’extrémité chaude se détend, sa masse volumique diminue. L’eau
chaude monte et est remplacée par de l’eau plus froide.
Définition Lorsque la transmission de la chaleur se fait par un déplacement d’un liquide
ou d’un gaz, on parle de convection.
Notre atmosphère est le siège de vastes courants de convection. Les planeurs et les oiseaux
utilisent les courants ascendants pour prendre de l’altitude.
Rayonnement
Expérience 2.7 On place un tube blanc et un tube noir contenant une quantité identique
d’eau à une même distance d’une lampe à incandescence (figure 2.11).
thermomètres
tube noir
tube blanc
lampe à
incandescence
Figure 2.11 – Transmission de la chaleur par rayonnement
Observation :
Il y a une augmentation de la température de l’eau dans les deux tubes. L’eau contenue dans
le tube noir s’échauffe le plus rapidement.
Interprétation :
La quantité de chaleur transmise par conduction et par convection dans l’air entre la lampe
et les tubes est négligeable. La transmission de la chaleur sans l’intervention d’un milieu
intermédiaire est appelée rayonnement.
Définition Lorsque la transmission de la chaleur ne fait pas intervenir un milieu intermédiaire, on parle de rayonnement.
Nous sentons bien l’effet de chaleur rayonnée par le Soleil, bien qu’il y ait un vide entre le
Soleil et la Terre.
La quantité de chaleur rayonnante absorbée par un corps dépend de la température et des
caractéristiques de la surface du corps.
3BC
Thermodynamique
55
Exemple 2.7 Par isolation thermique on désigne des techniques mises en œuvre pour limiter la transmission de la chaleur.
En construction, on utilise entre autres la laine de verre et les fenêtres à double voire triple
vitrage pour réduire les pertes thermiques d’une maison (figure 2.12).
Chez les animaux exposés à un environnement froid, la fourrure ou le plumage servent d’isolation thermique.
Figure 2.12 – Pertes thermiques
Figure 2.13 – Effet de serre
Exemple 2.8 L’expression effet de serre résulte d’une analogie entre l’atmosphère et les
parois d’une serre. Son usage s’est étendu dans le cadre de l’explication du réchauffement
climatique causé par les gaz à effet de serre qui bloquent et réfléchissent une partie du
rayonnement thermique (figure 2.13).
Les températures terrestres ne résultent pas seulement du blocage du rayonnement thermique,
mais entre autres des courants de convection dans l’atmosphère et dans les océans.
56
2.3
3BC
Thermodynamique
Machines thermiques
Un certain nombre de transformations d’énergie interne ne se font que dans un seul sens,
bien que le sens inverse serait permis d’après le premier principe de la thermodynamique. En
voici quelques exemples.
Exemple 2.9 En hiver, l’air froid ne se refroidit pas davantage pour transférer de la chaleur
vers l’intérieur plus chaud d’une maison.
Exemple 2.10 L’énergie interne des disques de freins d’une voiture qui vient de s’arrêter ne
vas pas se transformer en énergie cinétique de la voiture en effectuant un travail accélérateur.
Ces transferts d’énergie n’ont pas lieu spontanément mais deviennent possibles en utilisant
des machines thermiques.
Définition Une machine thermique est un dispositif dans lequel un fluide (gaz ou liquide)
passe d’un état initial à un état final identique. On dit que la machine fonctionne selon un
cycle fermé au cours duquel elle échange du travail et de la chaleur avec le milieu extérieur.
Une pompe à chaleur investit du travail pour transférer de la chaleur d’une source froide vers
une source chaude. Inversement, un moteur thermique produit du travail en transférant de
la chaleur d’une source chaude vers une source froide.
2.3.1
Pompe à chaleur
La pompe à chaleur utilise un travail pour faire passer de la chaleur d’une source froide vers
une source chaude. Lors d’un cycle fermé, le fluide réfrigérant reçoit de la source froide la
quantité de chaleur Q2 et cède à la source chaude la quantité Q1 (figure 2.14). Le travail
fourni au fluide pendant un cycle est W .
source
chaude
Q1
Q2
fluide
source
froide
W
Figure 2.14 – Schéma énergétique d’une pompe à chaleur
Après un cycle complet, le fluide retourne dans son état initial et la variation de son énergie
interne est nulle. D’après le premier principe de la thermodynamique :
∆U = −|Q1 | + Q2 + W = 0 ⇒ |Q1 | = W + Q2 .
Le rendement (ou efficacité) de la pompe à chaleur est égal au quotient de la chaleur fournie
à la source chaude par le travail fourni :
η=
|Q1 |
W + Q2
=
W
W
3BC
57
Thermodynamique
ce qui permet d’écrire :
Q2
.
W
Le rendement d’une pompe à chaleur est supérieur à 100 %.
η =1+
Remarque :
Dans le calcul du rendement, on ne tient pas compte de toute l’énergie fournie ! C’est pour
cette raison qu’on parle d’efficacité de la pompe à chaleur.
En pratique, les échanges de chaleur sont réalisés lors des transformations d’état du fluide
(figure 2.15). Les principales transformations du fluide lors d’un cycle :
• le compresseur effectue un travail pour augmenter la pression et la température du
fluide dans l’état gazeux ;
• dans le condenseur, le fluide passe de l’état gazeux à l’état liquide et fournit de la
chaleur à la source chaude ;
• le détenteur diminue la pression et la température du fluide dans l’état liquide ;
• dans l’évaporateur, le fluide reçoit de la chaleur de la source froide et passe de l’état
liquide à l’état gazeux.
détenteur
chaleur
fournie
liquide
chaleur
reçue
liquide
compresseur
gaz
gaz
condenseur
évaporateur
travail fourni
Figure 2.15 – Principe de fonctionnement d’une pompe à chaleur
Pour chauffer une maison, le condenseur est placé à l’intérieur et l’évaporateur à l’extérieur
de la maison.
Il s’avère que le rendement de la pompe à chaleur est d’autant plus élevé que la différence de
température entre les sources chaude et froide est faible. Il est donc avantageux de placer le
condenseur dans le sol ou dans les eaux souterraines.
Le principe de la pompe à chaleur est également utilisé pour une machine frigorifique, par
exemple un réfrigérateur. Dans ce cas, le rendement met en relation la chaleur reçue par la
source froide et le travail fourni :
Q2
η=
.
W
Pour refroidir des aliments, l’évaporateur se trouve à l’intérieur et le condensateur à l’extérieur
du réfrigérateur.
58
2.3.2
3BC
Thermodynamique
Moteur thermique
Le moteur thermique utilise l’échange de chaleur entre une source chaude et une source froide
pour effectuer un travail. Lors d’un cycle fermé, le fluide reçoit de la source chaude la quantité
de chaleur Q1 et cède à la source froide la quantité Q2 (figure 2.16). Le travail fourni par le
fluide pendant un cycle est W .
source
chaude
Q1
Q2
fluide
source
froide
W
Figure 2.16 – Schéma énergétique d’un moteur thermique
Après un cycle complet, le fluide retourne dans son état initial et la variation de son énergie
interne est nulle. D’après le premier principe de la thermodynamique :
∆U = Q1 − |Q2 | − |W | = 0 ⇒ |W | = Q1 − |Q2 |.
Le rendement du moteur thermique met en relation le travail fourni et la chaleur fournie par
la source chaude :
|W |
Q1 − |Q2 |
ρ=
=
Q1
Q1
ce qui permet d’écrire :
|Q2 |
ρ=1−
.
Q1
Le rendement d’un moteur thermique est inférieur à 100 %.
L’une des principales applications est le moteur à combustion interne. Considérons l’exemple
d’un moteur à quatre temps (figure 2.17).
soupape
d'admission
admission
bougie
piston
compression
soupape
d'échappem.
combustion
échappement
Figure 2.17 – Principe de fonctionnement d’un moteur à quatre temps
Un cycle complet consiste en deux aller-retours du piston, donc en deux tours du vilebrequin.
3BC
Thermodynamique
59
Admission
Le piston descend, un mélange d’air et de carburant est aspiré dans le
cylindre via la soupape d’admission ouverte.
Compression
La soupape d’admission étant fermée, le piston remonte en comprimant
le mélange et en augmentant sa température.
Combustion
Le mélange air-carburant est enflammé par une bougie d’allumage et se
détend.
Échappement
Le mélange brûlé est évacué du cylindre via la soupape d’échappement
ouverte.
L’applet « Moteur à 4 temps2 » montre le principe de fonctionnement d’un moteur à quatre
temps.
Dans un moteur Diesel, la combustion ne nécessite pas de bougie d’allumage mais se fait par
auto-inflammation. Ceci est possible grâce à un taux de compression très important permettant d’avoir des températures suffisamment élevées pour que le mélange s’enflamme.
2
http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/thermo/moteur.html
Chapitre 3
Électricité
3.1
3.1.1
Tension et énergie électriques
Énergie électrique
Expérience 3.1 On relie les calottes d’une lampe à lueur aux sphères métalliques d’une
machine de Wimshurst (figure 3.1). Les liaisons sont réalisées avec des fils de cuivre. On fait
fonctionner la machine.
machine de
Wimshurst
fil de cuivre
lampe à lueur
mouvement des
électrons
(a) Machine de Wimshurst
(b) Circuit électrique comprenant une lampe à lueur
Figure 3.1 – Transformation d’énergie électrique
Observation :
En actionnant en permanence la manivelle de la machine, la lampe à lueur brille de façon
continue.
Interprétation :
En tournant la manivelle de la machine, des électrons sont transférés d’une sphère métallique
vers l’autre. Sur les deux sphères se trouvent des charges électriques de signes contraires.
Dans le fil de cuivre en contact avec la sphère négative, les électrons sont repoussés et se
déplacent vers la lampe à lueur. Les électrons traversent la lampe en la faisant briller et se
déplacent vers la sphère positive.
Rappel : ce déplacement d’électrons dans les fils de cuivre constitue un courant électrique.
3BC
61
Électricité
Le travail mécanique effectué pour tourner la manivelle augmente l’énergie potentielle électrique des électrons sur la sphère négative. Les électrons transportent cette énergie électrique
dans le circuit jusqu’à la lampe à lueur. La lampe transforme l’énergie électrique en énergie
rayonnante.
Le dispositif utilisé constitue un circuit électrique fermé, la machine de Wimshurst joue le
rôle du générateur et la lampe à lueur est un récepteur.
Exemple 3.1 Considérons un circuit électrique simple comprenant une pile et un moteur électrique. La pile est un générateur et transforme de l’énergie chimique en énergie électrique.
Le moteur est un récepteur et transforme de l’énergie électrique
en énergie cinétique.
pile
moteur
M
Définition Un récepteur est un dipôle qui reçoit de l’énergie électrique et la transforme en
d’autres formes d’énergie (rayonnée, chimique, mécanique).
Exemples :
• L’ampoule transforme de l’énergie électrique en énergie rayonnée.
• L’électrolyseur transforme de l’énergie électrique en énergie chimique.
• Le moteur électrique transforme de l’énergie électrique en énergie mécanique.
Définition Un générateur électrique est un dipôle qui transforme différentes formes d’énergie (chimique, mécanique, rayonnée) en énergie électrique.
Exemples :
• La pile transforme de l’énergie chimique en énergie électrique.
• La dynamo transforme de l’énergie mécanique en énergie électrique.
• La photopile transforme de l’énergie rayonnée en énergie électrique.
charges transportant
l'énergie électrique
énergie
non élect.
Eél ¬
générateur
Eél √
récepteur
Figure 3.2 – Transformations d’énergie électrique
Remarques :
énergie
non élect.
62
Électricité
3BC
• Un dipôle électrique est un composant d’un circuit électrique possédant deux bornes.
• Les transformations d’énergie s’accompagnent toujours d’une dissipation de chaleur.
Si l’énergie électrique est entièrement transformée en énergie interne, le récepteur est
appelé récepteur thermique.
Les notions introduites et leur signification dans un circuit électrique simple sont représentées
à l’aide du schéma de la figure 3.2.
3.1.2
La tension électrique
La notion de tension électrique
Expérience 3.2 Plusieurs lampes sont branchées en
parallèle sur une dynamo pourvue d’une manivelle. On
fait tourner la manivelle de sorte que chaque lampe brille
toujours avec le même éclat, indépendamment du nombre
de lampes branchées.
Observations :
Il faut tourner la manivelle avec la même vitesse, indépendamment du nombre de lampes branchées. Le travail
nécessaire pour tourner la manivelle est proportionnel au nombre de lampes qui brillent.
Interprétation :
Pour faire briller une lampe, une quantité de charge Q doit être déplacée pour transporter
l’énergie électrique Eél nécessaire. Pour deux lampes, la charge déplacée double de même que
l’énergie électrique. Ces deux grandeurs sont proportionnelles :
Eél ∼ Q
Le facteur de proportionnalité est appelé tension électrique. C’est une caractéristique du
générateur et, dans le cas de la dynamo, dépend de la vitesse de rotation.
Définition Le rapport de l’énergie électrique Eél transformée dans un dipôle par la charge
Q transportant cette énergie est égal à la tension électrique U au bornes du dipôle considéré :
U=
Eél
Q
La tension est exprimée en volts (V) : 1 V = 1 J/C.
Remarques :
• La tension électrique est une grandeur physique qui caractérise la différence des états
électriques entre deux points du circuit électrique. Elle est tout à fait différente de
l’intensité du courant qui traduit le nombre d’électrons déplacés par seconde.
3BC
Électricité
63
• Pour un circuit ouvert, l’intensité du courant s’annule alors que la tension aux bornes du
générateur reste pratiquement inchangée. L’énergie électrique résulte d’un déplacement
interne de charges électrique dans le générateur.
La mesure de la tension électrique
La tension électrique est mesurée à l’aide d’un voltmètre.
Pour connaître la tension électrique aux bornes d’un dipôle, le voltmètre est mis en parallèle
avec ce dipôle.
Les sources de tension
Il existe différentes méthodes pour créer des tensions électriques et de mettre en mouvement
des charges électriques.
• Un clou de fer et un fil de cuivre sont piqués dans un citron (figure 3.3a) ou dans une
pomme. Des réactions chimiques font apparaître une tension d’environ 0,5 V entre le
clou et le fil.
(a) Citron
(b) Piles sèches
Figure 3.3 – Sources de tension électrique
• La structure d’une pile est comparable à celle du citron. Le clou et le fil sont remplacés
par un boîtier en zinc et une tige centrale en carbone, le citron est remplacé par un
électrolyte gélatineux. On parle de batterie dans le cas d’un groupement de plusieurs
piles (figure 3.3b).
• Une dynamo entraînée par une roue de bicyclette fournit une tension maximale d’environ 6 V.
• Les piles solaires utilisent l’énergie solaire pour propulser les charges électriques.
64
3BC
Électricité
3.2
Puissance électrique
Pour faire fonctionner un récepteur électrique, un générateur déplace des charges grâce à
l’existence d’une tension électrique et effectue ainsi un travail électrique. Le récepteur transforme l’énergie électrique ainsi reçue en une autre forme d’énergie (en émettant de la lumière,
en dissipant de la chaleur, en effectuant un mouvement, . . .).
La puissance reçue est une grandeur caractéristique du récepteur et indique le travail consommé
par unité de temps.
Expérience 3.3 Mesurons la tension U aux bornes du générateur et l’intensité I du courant
qu’il débite lorsqu’une lampe fonctionne normalement (figure 3.4).
A
I
V
U
Figure 3.4 – Puissance d’une lampe
Reprenons les mesures lorsqu’une deuxième lampe identique à la première est branchée au
générateur, d’abord en série, puis en parallèle (figure 3.5). Les deux lampes fonctionnent
normalement de sorte que la puissance fournie par le générateur est double. Nous allons
comparer les valeurs mesurées à celles mesurées pour une lampe.
A
A
Is
Ip
V
V
Us
Up
Figure 3.5 – Puissance de deux lampes identiques
Observations :
• Dans le cas du circuit série, l’intensité du courant n’a pas changée mais la tension a
doublée.
• Dans le cas du circuit parallèle, la tension n’a pas changée mais l’intensité du courant
a doublée.
Conclusion :
La puissance électrique fournie par le générateur est
• proportionnelle à la tension quand l’intensité est constante ;
• proportionnelle à l’intensité quand la tension est constante.
3BC
65
Électricité
Dans le cas d’une seule lampe, la puissance reçue par la lampe est égale à celle fournie par le
générateur. On peut donc appliquer les mêmes conclusions à la puissance reçue par la lampe.
Puissance électrique La puissance électrique Pél fournie par un générateur ou reçue par
un récepteur est égale au produit de la tension U entre ses bornes et de l’intensité I du courant
qui le traverse :
Pél = U · I
La puissance électrique s’exprime en watts (W), avec : 1 W = 1 V A.
L’énergie électrique transportée par le courant électrique du générateur au récepteur est
obtenue en multipliant la puissance électrique par la durée t :
Eél = Pél t = U I t
L’énergie électrique s’exprime en joules (J), avec : 1 J = 1 V A s.
Remarque : souvent on exprime l’énergie en kilowatt-heure (kWh) :
1 kWh = 1000 W · 3600 s = 3,6 · 106 J.
Le tableau 3.1 donne les puissances de quelques appareils électriques.
Système
Calculatrice de poche
Phare de bicyclette
Téléviseur
Congélateur
Fer à repasser
Cuisinière électrique
Locomotive électrique
Pile solaire
Monocellule
Générateur de centrale électrique
Puissance
0,4 mW
3W
100 W
200 W
1 kW
6 kW
3 MW
5 mW
2W
300 MW
Table 3.1 – Exemples de puissances électriques
3.2.1
Exercices
Exercice 3.1 Que se passe-t-il lorsque tu branches une ampoule de 3,5 V sur une monocellule de tension 1,5 V ?
Exercice 3.2 Pourquoi ne faut-il pas brancher un appareil conçu pour 110 V sur une source
de 230 V ?
Exercice 3.3 La puissance d’une plaque de cuisinière électrique est de 1000 W. Quelle est
l’énergie transformée dans cette plaque chauffante en 20 min ? Exprime le résultat en kJ et
en kWh.
66
Électricité
3BC
Exercice 3.4 Une petite chute d’eau transporte 100 l d’eau par seconde. La dénivellation
est de 12 m.
Imagine que l’énergie potentielle de l’eau puisse être entièrement transformée en énergie
électrique. Combien d’ampoules de 100 W chacune pourrait-on alimenter avec l’énergie ainsi
produite ?
Exercice 3.5 Un radiateur électrique dont la puissance est de 2 kW est traversé par un
courant de 10 A. Quelle est la tension à ses bornes ?
Exercice 3.6 Une ampoule électrique domestique de 25 W a environ le même éclat que le
feu de stop d’une voiture (21 W).
La tension d’alimentation est de 230 V pour la lampe domestique et de 12 V pour le feu de
stop.
Calcule l’intensité du courant à travers chaque lampe.
Exercice 3.7 Un accumulateur d’automobile porte l’inscription « 44 Ah ». Quelle est l’énergie totale emmagasinée dans l’accumulateur ?
Exercice 3.8 Pourquoi ne peut-on pas brancher une machine à laver (3,3 kW) sur une prise
prise protégée par un fusible de 10 A ? Justifie ta réponse par un calcul.
Exercice 3.9 Le démarreur d’une voiture est traversé par un courant d’intensité 100 A. Le
courant à travers une foreuse électrique est d’environ 2,5 A.
Pourtant la puissance du démarreur n’est que le double de la puissance de la foreuse. Explique.
Exercice 3.10 Pour que la pizza soit bien croustillante, il faut la cuire à 230◦ pendant
12 min. Le four électrique a une puissance de 2,4 kW.
Calcule le prix de cette opération sachant qu’il faut compter 20 min pour préchauffer le four,
et que 1 kWh coûte 0,1646 e.
3BC
3.3
3.3.1
67
Électricité
Résistance électrique et loi d’Ohm
Définition de la résistance
Expérience 3.4 Dans une première étape on branche un mince fil
de cuivre en série avec une source de tension et une lampe (figure
ci-contre). Dans une seconde étape, on le remplacera par un mince
fil de constantan.
Observation :
La lampe brille avec moins d’éclat après introduction du fil de constantan.
fil métallique
Conclusion :
Le fil de constantan freine le passage des électrons.
Interprétation :
Dans un métal, les atomes sont disposés régulièrement et ne peuvent quitter leur place fixe
(réseau). Les atomes libèrent un ou deux de leurs électrons et se transforment en ions positifs.
Les électrons peuvent se déplacer dans le métal.
Lorsqu’on applique une tension aux extrémités du fil métallique, les électrons se mettent
en mouvement et heurtent continuellement les ions du métal. Lors d’un choc, une partie de
l’énergie de l’électron est transférée au réseau. Il en suit que l’électron est freiné et que la
température du métal augmente.
Définition On appelle résistance électrique la propriété des matériaux à s’opposer au déplacement des électrons. Quantitativement, la résistance R d’un conducteur est le rapport
entre la tension U appliquée à ses bornes et l’intensité I du courant qui le traverse.
R=
U
I
La résistance est mesurée en ohms (Ω) : 1 Ω = 1 V/A
Remarques :
• La résistance d’un conducteur dépend de ses dimensions, du matériau et de sa température.
• Un bon conducteur a une résistance faible, un isolant a une résistance très élevée.
3.3.2
La loi d’Ohm
Expérience 3.5 On étudie la variation de la tension U mesurée aux extrémités d’un fil de
constantan en fonction de l’intensité I du courant qui le parcourt. La figure 3.6a montre le
schéma du circuit utilisé.
En faisant augmenter l’intensité, on prend garde à ce que la température reste proche de la
température ambiante.
68
3BC
Électricité
U(V)
A
fil
métallique
V
I(A)
(a) Montage
(b) Caractéristique U = f (I)
Figure 3.6 – Relation entre tension et intensité pour un fil métallique
Observation :
La caractéristique U = f (I) du fil, c’est-à-dire la représentation graphique de la tension en
fonction de l’intensité (figure 3.6b) prend l’allure d’une droite passant par l’origine.
Conclusion :
La tension U aux bornes du fil et l’intensité I du courant qui le parcourt varient proportionnellement :
U ∼ I.
En tenant compte de la définition de la résistance :
U
= R = constante
I
où R correspond à la pente de la droite.
Loi d’Ohm Un conducteur obéit à la loi d’Ohm si la tension appliquée à ses bornes est
proportionnelle à l’intensité du courant qui le traverse :
U ∼I
Remarques :
• Un conducteur qui vérifie la loi d’Ohm est appelé conducteur ohmique.
• Un dipôle pour lequel la caractéristique passe par l’origine (I = 0 ; U = 0) est un dipôle
passif.
• En travaux pratiques nous allons relever et interpréter les caractéristiques d’autres
dipôles passifs.
3.3.3
Résistivité électrique
Reprenons l’expérience 3.5 avec des fils de matériaux et de dimensions différents. Nous étudions la variation de la résistance R lorsqu’on change une de ces caractéristiques.
3BC
Électricité
69
Conclusions :
• Pour des fils de même matériau et de même section S, la résistance R est proportionnelle
à la longueur ` :
R ∼ `.
• Pour des fils de même matériau et de même longueur `, la résistance R est inversement
proportionnelle à la section S :
1
R∼ .
S
Nous pouvons résumer ces deux relations en une proportionnalité :
R∼
`
.
S
Le facteur de proportionnalité est appelé résistivité électrique ρ et dépend du matériau et de
la température du fil conducteur. On en déduit la relation :
R=ρ
`
S
Comme :
S
`
la résistivité est mesurée en Ω m. En pratique on utilise également l’unité :
ρ=R
1
Ω mm2
= 10−6 Ω m.
m
Le tableau 3.2 montre quelques résistivités électriques à 20 ◦C.
Matériau
Argent
Constantan
Tungstène
Cuivre
Fer
Nickel
Eau
PVC
Verre
Résistivité en 1 Ω mm2 /m
0,0159
0,49
0,056
0,0168
0,0971
0,0684
2 · 1011
1020
1023
Table 3.2 – Exemples de résistivités électriques
3.3.4
Exercices
Exercice 3.11 Une lampe à incandescence de 75 W est traversée par un courant de 330 mA
lorsqu’elle est branchée sur une prise de 230 V. L’intensité qui correspond à 10 V est 75 mA.
Calcule la résistance du filament pour ces deux tensions.
70
Électricité
3BC
Exercice 3.12 Une résistance est branchée sur une batterie de tension 9 V. La valeur de la
résistance est 300 Ω à 5% près.
Que signifie cette indication ? Que peut-on dire de l’intensité du courant électrique dans le
circuit ?
Exercice 3.13 Une ampoule marquée « 60 W/230 V » est munie d’un filament en tungstène
d’environ 0,02 mm de diamètre et 67 Ω de résistance à 20 ◦C.
1. Quelle est la longueur du filament de cette ampoule ?
2. Calculer l’intensité du courant qui traverse le filament lorsqu’on allume la lampe. Comment varie cette intensité ensuite ?
3BC
3.4
3.4.1
71
Électricité
Les lois de Kirchhoff
La loi des nœuds
Un circuit-parallèle comprend deux lampes L1 et L2 (figure
ci-contre).
U
La tension aux bornes de chaque lampe équivaut à celle du générateur : U = U1 = U2 . Dans un circuit parallèle, les branches
parallèles sont soumises à la même tension.
I
L1
La somme des intensités des courants qui parcourent les deux
lampes est égale à l’intensité du courant qui est délivré par le
générateur : I = I1 + I2 .
U1
L2
Loi des nœuds Dans un circuit-parallèle, l’intensité du courant dans la branche principale est égale à la somme des intensités des courants dans les branches dérivées.
I=
N
X
I1
I2
U2
Ii = I1 + I2 + . . . + IN .
i=1
3.4.2
La loi des mailles
Un circuit-série comprends deux lampes L1 et L2 (figure cicontre).
Ces deux lampes en série sont traversées par un même courant :
I = I1 = I2 . L’intensité du courant à la même valeur en tout
point d’un circuit-série.
La somme des tensions aux bornes des lampes équivaut à celle
du générateur : U = U1 + U2 .
Loi des mailles La tension aux bornes d’un ensemble de
récepteurs en série est égale à la somme des tensions aux bornes
de chacun d’eux.
U=
N
X
U
I
I2
L2
U2
I1
L1
U1
Ui = U1 + U2 + . . . + UN .
i=1
3.4.3
Exercices
Exercice 3.14 Il existe des guirlandes de Noël à 16 et à 10 « bougies ».
Tu veux acheter des ampoules de rechange pour ta guirlande à 16 bougies. Tu trouves dans
le supermarché des bougies avec l’inscription « 14 V », d’autres avec l’inscription « 23 V ».
Lesquelles choisis-tu ? Justifie ta réponse.
72
3BC
Électricité
Exercice 3.15 Deux lampes L1 et L2 sont branchées en parallèle sur un générateur qui
débite un courant d’intensité 12 A. Calcule les intensités partielles sachant que la puissance
de L1 est le triple de la puissance de L2 .
Exercice 3.16 Détermine les tensions et intensités partielles des lampes L1 , L2 et L3 de la
figure ci-dessous.
5 V, 1 A
L1
L2
8 V, 3 A
L3
12 V, 6 A
3.5
3.5.1
Associations de résistances
Montage en série
Le circuit de la figure 3.7a comporte deux résistances R1 et R2 montées en série. En mesurant
la tension U aux bornes du générateur et l’intensité du courant I qui le traverse, on constate
que le rapport U/I est supérieur à chacune des résistances R1 et R2 . Ce rapport est appelé
résistance équivalente R12 aux résistances R1 et R2 .
En désignant par U1 et U2 les tensions aux bornes des résistances R1 et R2 , la loi des mailles
permet d’écrire :
U = U1 + U2
U1 U2
U
=
+ .
I
I
I
D’où, pour les deux résistances R1 et R2 montées en série :
R12 = R1 + R2 .
Définition On appelle résistance équivalente Réq la résistance qui permet de remplacer une
association de plusieurs résistances.
Résistances en série La résistance équivalente Réq à un ensemble de résistances Ri montées en série est égale à la somme de ces résistances.
Réq =
N
X
i=1
Ri = R1 + R2 + . . . + RN
3BC
73
Électricité
U
I1
U
I
R1
I
R1
R2
U2
U1
I2
(a) Montage en série
R2
(b) Montage en parallèle
Figure 3.7 – Associations de deux résistances
3.5.2
Montage en parallèle
Le circuit de la figure 3.7b comporte deux résistances R1 et R2 montées en parallèle. En
mesurant la tension U aux bornes du générateur et l’intensité du courant I qui le traverse,
on constate que la résistance équivalente R12 = U/I est inférieure à chacune des résistances
R1 et R2 .
En désignant par I1 et I2 les intensité des courants qui traversent les résistances R1 et R2 , la
loi des nœuds permet d’écrire :
I = I1 + I2
I
I1 I2
=
+ .
U
U
U
D’où, pour les deux résistances R1 et R2 montées en parallèle :
1
1
1
=
+
.
R12
R1 R2
Résistances en parallèle L’inverse de la résistance équivalente Réq d’un ensemble de
résistances Ri montées en parallèle est égal à la somme des inverses de ces résistances.
N
X
1
1
1
1
1
=
=
+
+ ... +
Réq
R1 R2
RN
i=1 Ri
3.5.3
Exercices
Exercice 3.17 Lorsqu’une plaque de cuisinière est réglée sur le plus bas degré de chauffage,
trois résistances sont branchées en série (R1 = 64 Ω, R2 = 193 Ω, R3 = 97 Ω).
La plaque est branchée sur 230 V.
Détermine les tensions et les puissances partielles des trois résistances, ainsi que la puissance
totale de la plaque.
Exercice 3.18 Une calculatrice de poche fonctionne sous 3 V, elle est alors parcourue par
un courant d’intensité 10 mA.
On veut l’alimenter avec une batterie de 9 V. Quelle est la valeur de la résistance qu’il faut
brancher en série ?
74
3BC
Électricité
Exercice 3.19 Trois résistances (R1 = 33 Ω, R2 = 100 Ω, R3 = 180 Ω) sont branchées en
parallèle aux bornes d’un générateur de tension 4 V.
Calcule la résistance équivalente, les intensités et puissances partielles.
Exercice 3.20 Les deux phares d’une automobile ont une puissance de 55 W chacun. La
puissance de chaque feu arrière est de 6 W. Les phares et les feux arrières sont branchés en
parallèle sur l’accumulateur de tension 12 V.
Calcule la résistance équivalente à l’ensemble des lampes et l’intensité du courant débité par
la batterie.
Exercice 3.21 Un radiateur contient deux résistances chauffantes (R1 = R2 = 46 Ω).
En position 1 du commutateur, les deux résistances sont branchées en série, en position 2
elles sont branchées en parallèle. La tension du secteur étant 230 V, calcule l’intensité et la
puissance du radiateur pour chaque degré de chauffe.
Exercice 3.22 Comment les tensions partielles sont-elles modifiées lorsqu’on ferme l’interrupteur de la figure ci-dessous ?
R1 = 60 Ω
R3 = 100 Ω
R2 = 300 Ω
U = 18 V