                                                             Informer et accompagner
                                                             les professionnels de l’éducation    CYCLES 2                            3 4
                                     PHYSIQUE-CHIMIE
                                       Mettre en œuvre son enseignement

                                       L’énergie et ses conversions



                               Sur un circuit automobile, quelle voiture
                               pourra atteindre la vitesse de 320 km/h
                                            avant la moto ?

       Le fichier source
        au format Word           THÈME : L’ÉNERGIE ET SES CONVERSIONS
           disponible en
        téléchargement           Attendus de fin de cycle : Identifier les sources, les transferts, les conversions et les formes d’énergie – Utiliser
                                 la conservation de l’énergie.

                                 Registre d’enseignement : enseignement commun

                                 Descriptif :
                                 Comparaison des durées que vont mettre des véhicules pour atteindre une vitesse donnée en fonction de la
                                 puissance du moteur. Compte-tenu du contexte et de la valeur des vitesses atteintes par les véhicules, il convient
                                 d’accompagner cette ressource d’une réflexion associant les élèves sur les conditions de l’essai et sur la néces-
                                 sité pour tous de se conformer à la réglementation en vigueur en matière de sécurité routière en adaptant sa
                                 vitesse aux circonstances.
                                 Connaissant la puissance du moteur et la masse du véhicule on demande aux élèves de calculer le temps que
                                 vont mettre différents véhicules pour atteindre une vitesse donnée. Après une identification des échanges éner-
                                 gétiques et l’exploitation numérique du bilan énergétique, les résultats sont comparés à des résultats expérimen-
                                 taux, ce qui conduit à s’interroger sur certains éléments de la modélisation : dissipation de l’énergie, influence
                                 de la masse du conducteur… Pour terminer, il est proposé de compléter le schéma énergétique en intégrant la
                                 source primaire d’énergie, le carburant.

                                 Repère de progressivité : Cette séquence peut être proposée en cours de cycle, ceci avant que toutes les notions
                                 relatives à l’énergie ne soient acquises. Elle peut aussi être utilisée en fin de cycle. Suivant les cas, les informa-
                                 tions mises à la disposition des élèves ne seront pas les mêmes.

                                 Objectifs d’apprentissage :
                                 • Modéliser des transferts énergétiques en utilisant un diagramme énergétique.
                                 • Exploiter numériquement un bilan énergétique.
                                 • Discuter de la pertinence du modèle après sa mise en œuvre et proposer d’éventuelles évolutions.
                                 • Identifier une source et la forme d’énergie associée.




Retrouvez Éduscol sur




   eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016             1
  CYCLE   4    I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
  L’énergie et ses conversions




                                 THÈME : L’ÉNERGIE ET SES CONVERSIONS

                                 Compétences travaillées
                                 Pratiquer des démarches scientifiques
                                 • Proposer une ou des hypothèses pour répondre à une question scientifique.
                                 • Développer des modèles simples pour expliquer des faits observés.
                                 Pratiquer des langages
                                 • Utiliser la langue française à l’oral et l’écrit en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour
                                    rendre compte des observations, expériences, hypothèses, conclusions.
                                 Mobiliser des outils numériques
                                 • Utiliser des outils de traitement de données (tableur).
                                 Adopter un comportement éthique et responsable
                                 • Réinvestir les connaissances sur les ressources et l’énergie pour agir de façon responsable.
                                 Autres compétences
                                 • Discuter un modèle utilisé.

                                 Connaissances et compétences associées
                                 • Identifier les différentes formes d’énergie.
                                 • Relation Ec=1/2mv².
                                 • Identifier les sources, les transferts et les conversions d’énergie.
                                 • Établir un bilan énergétique pour un système simple.
                                 • Utiliser la relation liant puissance, énergie et durée.

                                 Mots clefs : Énergie, source d’énergie, forme d’énergie, bilan énergétique, énergie cinétique, puissance



                              Présentation de la séquence
                              Présentation des objectifs
                              • Modéliser des transferts énergétiques en utilisant un diagramme énergétique.
                              • Discuter de la pertinence du modèle après sa mise en œuvre et proposer d’éventuelles évo-
                                 lutions.
                              • Compléter l’analyse énergétique en identifiant la source et la forme d’énergie associée.
                              • Rendre concrète la notion de puissance (instantanée) et d’énergie (qui fait intervenir la du-
                                 rée).
                              • Conduire des calculs répétitifs à l’aide d’un tableur.

                              Variantes possibles
                              • En fonction de la classe :
                                --si cette séquence est proposée en cours de cycle (quatrième), les expressions Ec = 1/2.m.v²,
                                   E = P.t et t = E/P sont fournies aux élèves ; en mathématiques l’utilisation et la manipulation
                                   d’expressions littérales sont vues en fin de cycle 3 ;
                                --si cette séquence est proposée en fin de cycle (troisième) : c’est un réinvestissement des
                                   connaissances, les relations E = P.t et Ec = 1/2.m.v² peuvent ne pas être fournies car elles
                                   font partie des connaissances attendues.
                              • Certaines étapes peuvent être simplifiées : les puissances des moteurs des véhicules peu-
                                 vent être données dans les deux unités (watt et chevaux-vapeur) pour éviter de bloquer les
                                 élèves sur des problèmes de conversions qui ne constituent pas ici aux objectifs prioritaires
                                 de la séance.




Retrouvez Éduscol sur




   eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016               2
  CYCLE   4    I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
  L’énergie et ses conversions




                              Déroulement

                              Identifier la problématique
                              Quelle voiture pourra atteindre les 320 km/h avant la moto sur le circuit ? En combien de
                              temps les quatre véhicules vont-ils atteindre les 320 km/h sur le circuit automobile ?
                              Fournir des aides si besoin.

                              Analyser et discuter les résultats obtenus
                              À la fin de la réponse à la problématique, montrer la vidéo et discuter des résultats sous forme
                              de débat avec les calculs et essayer de trouver l’origine des différences.
                              Remarque : dans la vidéo les vitesses sont en MPH : miles par heure. 1 mile = 1,6 km, donc
                              200 MPH = 320 km/h.




Retrouvez Éduscol sur




   eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016   3
  CYCLE   4    I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
  L’énergie et ses conversions




                              Fiche élève

                                    La Kawasaki H2R est souvent présentée comme étant la moto de série la plus rapide du monde.
                                    Lors d’un essai sur circuit automobile, cette moto est comparée à trois voitures très puis-
                                    santes….
                                    Laquelle de ces voitures pourra atteindre 320 km/h avant la moto ?


                              Données




                                             Kawasaki H2R : 236 ch ; 217 kg                               Mac Laren : 625 ch ; 1375 kg




                                               Bugatti : 1100 ch ; 2136 kg                                 Nissan : 1350 ch ; 2350 kg

                              Source : pixabay.com




Retrouvez Éduscol sur




   eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016   4
  CYCLE   4    I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
  L’énergie et ses conversions




                              Le cheval-vapeur (ch)
                              Le « cheval-vapeur » est une unité de puissance. Un « cheval-vapeur » vaut 735,5 watts.

                              Expressions à donner en fonction du niveau choisi, de la progression et éventuellement
                              de la différenciation visée par le professeur
                              Expression reliant puissance, énergie et durée

                                                                   Énergie            Puissance              temps
                                                                 (en Joules)          (en Watts)         (en secondes)




                                                                                 E=Pxt

                                                                    Énergie                                   temps
                                                                (en Watt-heure)                            (en heures)


                              Cette relation peut aussi s’écrire :
                              Expression de l’énergie cinétique
                                                          où m est la masse en kg du véhicule et V est la vitesse en m/s du véhicule

                              Quelques aides possibles
                                 Traduire l’énoncé par un schéma qui permet de faire une étude énergétique


                                                                                      Conversion
                                                                                           ou
                                                                                    transformation




                                 Quelle forme d’énergie possède un corps en mouvement ?

                                 Quelle relation mathématique liant l’énergie cinétique, la masse et la vitesse d’un corps connaissez-vous ?

                                 Pour calculer la durée t : il faut multiplier chaque côté du signe égal par l’inverse de P c’est-à-dire : 1/P (en
                                 classe de troisième uniquement).

                                 Convertir en m/s une vitesse exprimée en km/h:
                                 v = ………….km/h =…………………………………m/h=…………………………………………………m/s

                                 Convertir des chevaux vapeur en watt : P exprimée en watt = 735,5 x P exprimée en chevaux vapeur




Retrouvez Éduscol sur




   eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016             5
  CYCLE   4    I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
  L’énergie et ses conversions




                              Travail avec les élèves
                              Accompagnement des élèves
                              Arbitrairement les sources ou réservoirs d’énergie sont représentés par des rectangles dans
                              lesquels peut figurer la forme d’énergie associée, les conversions d’énergie sont représentées
                              par des ellipses. Il faut noter dans le problème étudié que l’on n’a pas besoin de la source
                              d’énergie. Ce point sera repris en fin de séance avec les élèves.
                              Exemple de modélisation possible des transferts d’énergie
                              Toute l’énergie fournie par le moteur est transmise aux roues qui, en tournant en contact
                              avec la route, permettent au véhicule (moto ou auto) d’acquérir une vitesse croissante au
                              démarrage. Le véhicule acquiert donc une énergie sous forme d’énergie cinétique. Dans le
                              schéma ci-après, on ne tient pas compte des différentes formes de dissipation d’énergie.



                                                                      Énergie mécanique                                 Véhicule
                                                Moteur                fournie par le moteur


                                                                                                                  Énergie cinétique


                              L’énergie cinétique du véhicule à 320 km/h est considérée comme égale à l’énergie fournie
                              par le moteur pendant la durée nécessaire pour atteindre la vitesse de 320 km/h puisque les
                              pertes énergétiques ont été négligées.
                              L’expression de l’énergie cinétique est Ec= 1/2.m.V² avec m en kg, V en m/s et Ec en J. On
                              convertit la vitesse en m/s : 320 km/h en m/s : 320 km/h = 88,8 m/s. On calcule l’énergie
                              cinétique pour chaque véhicule. L’énergie fournie par le moteur est égale à la valeur de Ec
                              calculée. On connait la puissance du moteur et l’énergie qu’il doit fournir.
                              • Niveau fin de cycle : on utilise Emoteur = P x t pour déterminer t = Emoteur / P = Ec / P.
                              • Niveau en cours de cycle : on utilise la relation t = E / P.
                              Les calculs peuvent ensuite être conduits à l’aide d’un tableur, ou bien chaque élève utilise sa
                              calculatrice.

                                                                         MOTO                                    VOITURES

                                                                         Kawasaki            Mac Laren           Bugatti             Nissan

                                 P (ch)                                  236                 625                 1100                1350

                                 P (W)                                   174.103             460.103             809.103             993.103

                                 M (kg)                                  217                 1375                809.103             2350

                                                                         Dans ce calcul, la masse du conducteur a été négligée, si l’approximation
                                                                         est légitime pour les voitures, cela modifie la valeur du temps mis par de
                                                                         la moto pour atteindre la vitesse de 320 km/h de manière sensible, c’est
                                                                         une correction qui pourra être discutée lors de l’analyse des résultats

                                 Ec (J)                                  8,56.105            5,42.106            8,42.106            9,27.106

                                 t = Ec/P (s)                            4,94                11,8                10,4                9,35

Retrouvez Éduscol sur         Conclusion
                              Dans tous les cas la moto est plus rapide.

   eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016          6
  CYCLE   4    I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
  L’énergie et ses conversions




                              Résultats expérimentaux
                              La Kawasaki Ninja affronte des supercars en duel

                              Analyse des résultats obtenu
                              • Il est nécessaire de faire remarquer aux élèves que les essais se déroulent sur un circuit
                                 dédié à cet usage, et que tout test de puissance d’un véhicule à 2, 3 ou 4 roues exige des
                                 conditions de sécurité particulières et requiert des pilotes professionnels.
                              • Les véhicules mettent en réalité 20 à 25 secondes à atteindre la vitesse attendue plutôt que
                                 les 11 secondes prévues dans le cadre du modèle précédent. La première étape consiste à
                                 discuter du modèle utilisé, deux points peuvent être analysés :
                                 --La masse du conducteur peut-elle modifier les résultats ?
                                 --Influence des frottements : il est alors possible de calculer les pertes énergétiques à partir
                                    des vitesses observées sur la vidéo et de la comparaison de l’énergie fournie à l’énergie
                                    cinétique « utile ».


                                                                                                                       Véhicule


                                                                                                                  Énergie cinétique



                                                            Énergie mécanique
                                      Moteur                fournie par le moteur



                                                                                                                            Environnement

                                                                                        Énergie thermique


                              • D’autres éléments peuvent être évoqués :
                                 --la puissance fournie réellement n’est pas celle annoncée par le constructeur (on n’est pas
                                    toujours dans les conditions du banc d’essai) ;
                                 --l’énergie fournie par le moteur n’est pas constante (on passe les vitesses donc la puissance
                                    instantanée n’est pas du tout égale à la puissance moyenne).
                              • La moto semble bien moins rapide que prévu : l’influence de la masse du conducteur peut
                                 être à nouveau évoquée, il faut alors refaire le calcul. Il est ensuite possible de signaler aux
                                 élèves que la masse d’une voiture lui permet de maximiser l’adhérence et donc de convertir
                                 l’énergie fournie en énergie « utile » avec plus d’efficacité. Le cas extrême est celui de la
                                 Formule 1 qui a des « appuis » importants grâce à ses ailerons. Ici on remarque les ailerons
                                 à l’avant de la moto.




Retrouvez Éduscol sur




   eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016    7
  CYCLE   4    I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
  L’énergie et ses conversions




                              Pour aller plus loin sur l’analyse énergétique
                              Il est possible de remarquer que le schéma énergétique est incomplet dans la mesure où le
                              moteur ne peut être considéré comme une source d’énergie : il se comporte davantage comme
                              un dispositif qui convertit de l’énergie. Le schéma peut donc être complété de la manière
                              suivante :


                                      Carburant


                                  Énergie chimique                                                                        Véhicule


                                                                                                                    Énergie cinétique



                                                               Énergie mécanique
                                        Moteur                 fournie par le moteur



                                                                                                                              Environnement
                                                Énergie thermique                         Énergie thermique


                                   Environnement



                              Il est alors possible de reprendre la comparaison de l’énergie fournie par la source et l’énergie
                              cinétique « utile ».




Retrouvez Éduscol sur




   eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016      8
