415 lines
23 KiB
Plaintext
415 lines
23 KiB
Plaintext
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
|
||
|