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Physique-Chimie · 1ère Année Bac — Sciences et Technologies Électriques

Travail et énergie cinétique

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

  1. Énergie cinétique (Translation) : Pour un solide de masse $m$ en translation à la vitesse $v$ : $E_c = \frac{1}{2}mv^2$ (en Joules).
  2. Énergie cinétique (Rotation) : Pour un solide en rotation autour d'un axe fixe avec une vitesse angulaire $\omega$ : $E_c = \frac{1}{2}J_{\Delta}\omega^2$.
  3. Théorème de l'énergie cinétique : La variation de l'énergie cinétique entre deux positions A et B est égale à la somme des travaux des forces appliquées : $$\Delta E_c = E_c(B) - E_c(A) = \sum W_{A \to B}(\vec{F})$$

Méthodes à maîtriser

  • Identifier toutes les forces appliquées au système.
  • Calculer le travail de chaque force (poids, tension, frottements).
  • Appliquer le théorème en isolant l'inconnue (souvent une vitesse ou une force).
  • Convertir les unités : $m$ en kg, $v$ en m/s, $\omega$ en rad/s, $J_{\Delta}$ en kg.m².

Exemples corrigés

Exemple : Un solide de $2\text{ kg}$ passe de $v_A = 2\text{ m/s}$ à $v_B = 4\text{ m/s}$. $\Delta E_c = \frac{1}{2} \times 2 \times (4^2 - 2^2) = 16 - 4 = 12\text{ J}$. La somme des travaux des forces est donc de $12\text{ J}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier le carré dans la formule $v^2$ ou $\omega^2$.
  • Confondre le travail moteur ($W > 0$) et résistant ($W < 0$).
  • Oublier de convertir les unités (ex: g en kg).
  • Oublier une force dans le bilan (souvent les frottements).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Travail et énergie cinétique

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Quelle est l'unité de l'énergie cinétique ?

❓ Questions fréquentes

Si un solide tourne et avance en même temps, comment calculer Ec ?

L'énergie cinétique totale est la somme de l'énergie de translation et de l'énergie de rotation : $E_c = \frac{1}{2}mv_G^2 + \frac{1}{2}J_{\Delta}\omega^2$ (à vérifier par le professeur si cette notion de mouvement plan est au programme de la filière STE).

💡 À retenir : $E_c = E_{c,trans} + E_{c,rot}$.

Est-ce que le travail d'une force normale est toujours nul ?

Oui, car le vecteur déplacement est toujours tangent à la trajectoire, et la force normale est perpendiculaire au support. Le produit scalaire est donc nul.

💡 À retenir : $W(\vec{N}) = 0$ car $\vec{N} \perp \vec{v}$.

Comment calculer la puissance à partir du travail ?

La puissance moyenne est le rapport du travail sur la durée : $P_m = \frac{W}{\Delta t}$. La puissance instantanée est $P = \vec{F} \cdot \vec{v}$.

💡 À retenir : $P$ en Watts (W), $W$ en Joules (J), $t$ en secondes (s).

Est-ce que le travail du poids dépend du chemin suivi ?

Non, le travail du poids est indépendant du chemin suivi. Il ne dépend que de la différence d'altitude entre le point de départ et le point d'arrivée : $W_{A \to B}(\vec{P}) = mg(z_A - z_B)$.

💡 À retenir : Le poids est une force conservative, son travail ne dépend que de la variation de hauteur.

Kifach n7seb J{Delta} ila ma3tathach liya f t-tamerin ?
  1. $J_{\Delta}$ est une caractéristique physique du solide.
  2. Soit elle est donnée dans l'énoncé, soit tu dois la calculer avec les formules classiques (ex: $J_{\Delta} = \frac{1}{2}MR^2$ pour un cylindre).
  3. Si elle n'est pas donnée et pas calculable, vérifie si l'énoncé ne te demande pas de la déterminer à partir du théorème de l'énergie cinétique.

💡 À retenir : $J_{\Delta}$ dépend de la forme du solide et de la position de l'axe de rotation.

Est-ce que la réaction du support travaille toujours ?

Non. Si le support est parfaitement lisse, la réaction $\vec{R}$ est perpendiculaire au déplacement, donc son travail est nul ($W = 0$). Si le support est rugueux, il y a des frottements et la composante tangentielle de la réaction travaille (elle est résistante).

💡 À retenir : $W(\vec{R}) = 0$ si le mouvement est sans frottements.

Chno hiya l-far9 bin Ec f l-izaha o Ec f d-douran ?
  1. En translation, l'énergie dépend de la masse totale ($m$) et de la vitesse linéaire ($v$).
  2. En rotation, elle dépend de la répartition de la masse par rapport à l'axe ($J_{\Delta}$) et de la vitesse de rotation ($\omega$).

💡 À retenir : $E_c = \frac{1}{2}mv^2$ (translation) vs $E_c = \frac{1}{2}J_{\Delta}\omega^2$ (rotation).

Si la vitesse est constante, que vaut la somme des travaux ?

Si la vitesse est constante, alors $\Delta E_c = 0$. D'après le théorème de l'énergie cinétique, la somme des travaux des forces appliquées est nulle.

💡 À retenir : $\sum W = 0$ si $v = \text{constante}$.

Kifach n3ref wach l-khidma (travail) moujiba wla saliba ?
  1. Calcule le produit scalaire $\vec{F} \cdot \vec{AB} = F \cdot AB \cdot \cos(\alpha)$.
  2. Si l'angle $\alpha$ est aigu ($0 \le \alpha < 90^\circ$), le travail est moteur ($W > 0$).
  3. Si l'angle est obtus ($90^\circ < \alpha \le 180^\circ$), le travail est résistant ($W < 0$).

💡 À retenir : Travail moteur = aide au mouvement ; Travail résistant = freine le mouvement.

Est-ce que le théorème de l'énergie cinétique s'applique aux systèmes déformables ?

Le programme de 1ère Bac se limite aux solides indéformables. Pour ces systèmes, le théorème est toujours valide.

💡 À retenir : Le théorème s'applique à tout solide indéformable en mouvement.

Pourquoi on utilise le radian pour omega ?

Parce que les formules physiques (comme $v = r \cdot \omega$) sont établies en utilisant l'unité SI de l'angle, qui est le radian. Utiliser les degrés fausserait tous les calculs.

💡 À retenir : Toujours convertir les tours/min en rad/s avant de calculer $E_c$.

Est-ce que la force de tension d'un fil travaille ?

Oui, si le point d'application de la tension se déplace. Par exemple, lors de la montée d'une charge par une grue, la tension travaille.

💡 À retenir : La tension travaille si elle exerce une force sur un déplacement.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un chariot de masse $m = 50\text{ kg}$ est tiré sur un plan horizontal par une force $\vec{F}$ constante, parallèle au plan, d'intensité $F = 100\text{ N}$. Le chariot part du repos et parcourt une distance $d = 10\text{ m}$. Calculer la vitesse finale du chariot (on néglige les frottements).

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Exercice 2

Une poulie de moment d'inertie $J_{\Delta} = 0,1\text{ kg.m}^2$ tourne autour d'un axe fixe. Elle passe d'une vitesse de $10\text{ rad/s}$ à $20\text{ rad/s}$. Calculer le travail total des forces exercées sur la poulie.

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Exercice 3

Un solide de $10\text{ kg}$ glisse sur un plan incliné de $30^\circ$ sur une distance de $5\text{ m}$. Il part sans vitesse initiale. Calculer sa vitesse à l'arrivée sachant que les frottements sont équivalents à une force constante $f = 10\text{ N}$. ($g = 10\text{ m/s}^2$).

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