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Première · Chapitre 13

Aspects énergétiques des phénomènes mécaniques

Entraîne-toi par niveau (★ à ★★★), puis attaque les sujets type bac. Chaque correction se dévoile question par question.

Exercices d'entraînement

1
Entraînement

Énergie cinétique d'un cycliste

0/2

Énoncé

Un cycliste et son vélo, de masse totale m = 75 kg, roulent à la vitesse constante v = 54 km·h⁻¹.

  • •Ec = ½ × m × v²
1

Convertir la vitesse en m·s⁻¹.

2

Calculer l'énergie cinétique du système {cycliste + vélo}.

2
Entraînement

Travail du poids lors d'une descente

0/2

Énoncé

Un colis de masse m = 1,5 kg glisse d'une rampe et descend d'une hauteur de 4,0 m.

  • •g = 9,81 N·kg⁻¹
  • •WAB(P⃗) = m × g × (zA − zB)
1

Le travail du poids dépend-il du chemin suivi entre A et B ? Justifier.

2

Calculer le travail du poids lors de cette descente. Est-il moteur ou résistant ?

3
Entraînement

Travail d'une force avec un angle

0/2

Énoncé

Un enfant tire un traîneau avec une corde faisant un angle α = 60° avec le sol. La force exercée vaut F = 50 N et le traîneau se déplace de AB = 10 m.

  • •WAB(F⃗) = F × AB × cos α
1

Calculer le travail de la force exercée par la corde.

2

Ce travail est-il moteur, résistant ou nul ? Que vaudrait-il si l'angle était de 90° ?

4
Entraînement

Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un train

0/2

Énoncé

Un wagonnet de masse m = 2000 kg, initialement immobile, est propulsé par une force nette constante de 4000 N sur une distance d = 50 m (frottements négligés).

  • •ΔEc = Ec(B) − Ec(A) = Σ WAB(F⃗)
1

Donner l'expression du travail de la force motrice sur la distance d.

2

En appliquant le théorème de l'énergie cinétique, calculer la vitesse finale du wagonnet.

5
Entraînement

Vitesse d'un objet en chute libre

0/2

Énoncé

Une bille de masse m = 0,50 kg est lâchée sans vitesse initiale d'une hauteur h = 20 m, sans frottement.

  • •g = 9,81 N·kg⁻¹
  • •Em = Ec + m g z, conservée sans frottement
1

Calculer l'énergie mécanique initiale de la bille (origine des altitudes au sol).

2

En utilisant la conservation de l'énergie mécanique, calculer la vitesse de la bille juste avant de toucher le sol.

6
Entraînement

Distance de freinage par le théorème de l'énergie cinétique

0/3

Énoncé

Une voiture de masse m = 900 kg roule à v₀ = 72 km·h⁻¹ sur route horizontale. Le conducteur freine : la force de freinage, constante, vaut F = 6000 N.

  • •ΔEc = Σ WAB(F⃗)
  • •Le poids et la réaction du sol ne travaillent pas (perpendiculaires au déplacement)
1

Convertir v₀ en m·s⁻¹ puis calculer l'énergie cinétique initiale de la voiture.

2

En appliquant le théorème de l'énergie cinétique entre le début et la fin du freinage, calculer la distance d'arrêt.

3

Pourquoi le poids et la réaction du sol n'apparaissent-ils pas dans le calcul ?

7
Entraînement

Conservation de l'énergie mécanique sur une rampe

0/2

Énoncé

Un skateur de masse m = 60 kg part du haut d'une rampe avec une vitesse v₀ = 2,0 m·s⁻¹, à une hauteur h = 5,0 m au-dessus du sol. Les frottements sont négligés.

  • •g = 9,81 N·kg⁻¹
  • •Em = ½ m v² + m g z, conservée sans frottement
1

Calculer l'énergie mécanique du skateur en haut de la rampe (origine des altitudes au sol).

2

En déduire la vitesse du skateur en bas de la rampe.

8
Entraînement

Montagnes russes avec frottements

0/3

Énoncé

Un wagon de montagnes russes, de masse m = 600 kg, part du point A (hA = 40 m) avec une vitesse nulle et arrive au point B (hB = 5,0 m) avec une vitesse vB = 18 m·s⁻¹. La longueur du trajet entre A et B vaut L = 120 m.

  • •g = 9,81 N·kg⁻¹
  • •ΔEm = W(forces de frottement)
1

Calculer l'énergie mécanique du wagon en A, puis en B.

2

Montrer que l'énergie mécanique n'est pas conservée entre A et B, et calculer le travail des forces de frottement.

3

En supposant les frottements d'intensité constante sur tout le trajet, estimer leur valeur moyenne.

Sujets type bac

Sujets originaux au format du bac, inspirés des annales de Labolycée .

1
Type bac

Type bac — Vitesse d'un skieur en sortie de tremplin

0/6

Énoncé

Un skieur acrobatique de masse m = 70 kg aborde un tremplin et le quitte avec une vitesse v₀ = 15 m·s⁻¹. Le point de réception se trouve à une hauteur h = 10 m en-dessous du point de décollage. On néglige les frottements de l'air pendant le saut.

  • •g = 9,81 N·kg⁻¹
  • •Em = ½ m v² + m g z, conservée sans frottement
1

1. Citer les deux formes d'énergie mécanique possédées par le skieur en vol.

2

2. Justifier que l'énergie mécanique du skieur se conserve pendant le saut.

3

3. Écrire l'égalité des énergies mécaniques entre le décollage (A) et la réception (B).

4

4. Montrer que la vitesse à la réception s'écrit vB = √(v₀² + 2 g h), puis la calculer.

5

5. Calculer l'énergie cinétique du skieur à la réception.

6

6. Expliquer pourquoi, en pratique, la vitesse réelle à la réception est légèrement inférieure à la valeur calculée.

2
Type bac

Type bac — Distance de freinage d'un train à grande vitesse

0/5

Énoncé

Un TGV de masse m = 4,0 × 10⁵ kg roule à vitesse constante avant un freinage d'urgence qui l'amène à l'arrêt sur une distance d = 3,0 km, grâce à une force de freinage totale supposée constante. On étudie deux vitesses de croisière : 320 km·h⁻¹ (ligne à grande vitesse) et 200 km·h⁻¹ (ligne classique).

  • •ΔEc = Σ W(F⃗)
  • •Sur voie horizontale, poids et réaction normale ne travaillent pas
1

1. Convertir les deux vitesses en m·s⁻¹.

2

2. Calculer l'énergie cinétique du train à chacune de ces deux vitesses.

3

3. En appliquant le théorème de l'énergie cinétique, exprimer la force de freinage F en fonction de Ec et d, puis la calculer dans les deux cas.

4

4. Comparer F₁ et F₂ et relier ce résultat au rapport des vitesses.

5

5. Expliquer pourquoi les lignes à grande vitesse exigent des distances de sécurité et des systèmes de freinage particulièrement étudiés.