Pas de panique ! On va repartir de ce que tu as vu en sixième sur les sources et formes d'énergie, et en quelques minutes tu sauras identifier les trois formes clés de cinquième : cinétique, potentielle, thermique. Prêt à devenir fonctionnel pour ton contrôle ?
Ce que tu sais déjà : l'énergie en 6e
En 6e, tu as appris que l'énergie est une grandeur qui permet de produire de la chaleur, de la lumière ou du mouvement. Elle existe sous plusieurs formes (énergie lumineuse, énergie thermique, énergie liée au mouvement...) et provient de différentes sources (le Soleil, le vent, les aliments, le pétrole...). L'unité de l'énergie est le joule (J).
Souviens-toi : une lampe transforme de l'énergie électrique en énergie lumineuse et en énergie thermique (elle chauffe). Le corps humain transforme l'énergie chimique des aliments en énergie de mouvement et en chaleur. Tout est conversion !
En 5e, zoom sur trois formes d'énergie
En cinquième, on va particulièrement s'intéresser à trois formes :
- Énergie cinétique (Ec) : c'est l'énergie que possède un objet en mouvement. Plus un objet va vite et plus il est lourd, plus son énergie cinétique est grande.
- Énergie potentielle de pesanteur (Ep) : c'est l'énergie que possède un objet en hauteur par rapport au sol (ou à un autre niveau de référence). Plus l'objet est haut et lourd, plus son énergie potentielle est grande.
- Énergie thermique (Eth) : c'est l'énergie liée à la température d'un corps. Plus un corps est chaud, plus son énergie thermique est grande.
Toutes ces énergies se mesurent aussi en joules (J).
À toi de jouer
1. Complète chaque phrase avec la bonne forme d'énergie (Ec, Ep ou Eth).
a) Un cycliste qui roule à 30 km/h possède surtout de l'énergie .
b) Un pot de fleurs suspendu à un balcon au 3e étage possède de l'énergie .
c) Une tasse de chocolat chaud à 70°C possède de l'énergie .
d) Un avion qui décolle et prend de l'altitude possède à la fois de l'énergie et de l'énergie .
Corrigé
a) Ec
b) Ep
c) Eth
d) Ec et Ep (ou bien les deux formes, l'ordre n'a pas d'importance).
2. Associe chaque situation (1-4) à la forme d'énergie qui lui correspond (A-C) en écrivant la lettre dans le carré.
1. Une balle qui vient d'être lâchée du haut d'un immeuble (elle n'a pas encore pris de vitesse).
2. Une casserole sur le feu.
3. Une boule de pétanque immobile sur une étagère.
4. Une moto à pleine vitesse.
A. Énergie cinétique
B. Énergie potentielle
C. Énergie thermique
Corrigé
1 -> B
2 -> C
3 -> B
4 -> A
3. Complète ce petit texte sur l'énergie :
L'énergie ne se pas, elle se d'une forme en une autre. Par exemple, quand on frotte ses mains, l'énergie du mouvement se transforme en énergie (les mains chauffent).
Corrigé
crée, convertit, cinétique, thermique (ou chaleur)
Ah, ces histoires de Ec, Ep, Eth te reviennent ? On va remettre tout ça en ordre avec une méthode simple pour ne plus jamais se tromper. Après ça, tu appliqueras comme un pro.
Les trois formes en détail
Voici un récapitulatif pour ne plus confondre :
- Énergie cinétique (Ec) : Objet en mouvement. Dépend de : masse (plus lourd ⇒ plus d'Ec) et vitesse (plus rapide ⇒ plus d'Ec). Exemple : un camion a plus d'Ec qu'une voiture à vitesse égale.
- Énergie potentielle de pesanteur (Ep) : Objet en hauteur. Dépend de : masse (plus lourd ⇒ plus d'Ep) et hauteur (plus haut ⇒ plus d'Ep). Exemple : un livre au 3e étage a plus d'Ep qu'au rez-de-chaussée.
- Énergie thermique (Eth) : Corps chaud. Dépend de : température (plus chaude ⇒ plus d'Eth) et masse/quantité (plus d'eau ⇒ plus d'Eth). Exemple : 1 L d'eau à 80°C a plus d'Eth qu'à 20°C.
L'unité est toujours le joule (J).
Méthode pour identifier à coup sûr
Pose-toi ces questions dans l'ordre :
- L'objet est-il en mouvement ? Si oui, il y a de l'énergie cinétique (Ec).
- L'objet est-il en hauteur par rapport au sol (ou à une référence) ? Si oui, il y a de l'énergie potentielle (Ep). Même immobile, s'il est en hauteur, il a de l'Ep.
- L'objet est-il chaud, ou y a-t-il un échauffement ? Si oui, il y a de l'énergie thermique (Eth).
Un objet peut cumuler plusieurs formes : un oiseau qui vole a Ec (il avance) et Ep (il est en altitude).
À toi de jouer
1. Indique la (ou les) forme(s) d'énergie présente(s) dans chaque cas (Ec, Ep ou Eth).
a) Une voiture roulant à 120 km/h sur autoroute : et (si tu penses qu'il y a une seule forme, laisse un carré vide).
b) Un alpiniste au sommet du Mont Blanc, immobile : et
c) Une pizza qui sort du four, posée sur la table : et
d) Un pendule au point le plus haut de sa trajectoire (instant d'arrêt avant de redescendre) : et
Corrigé
a) Ec (et un peu Eth car le moteur chauffe, mais principalement Ec) ; on attend seulement Ec.
b) Ep (et un peu Eth car son corps est chaud, mais Ep domine) ; on attend Ep.
c) Eth (et un peu Ep si la table est en hauteur, mais c'est négligeable) ; on attend Eth.
d) Ep (et un peu Eth, mais principalement Ep car immobile et en hauteur).
2. Relie chaque situation à la conversion d'énergie qui se produit. Écris la lettre correspondante dans le carré.
a) Un skieur immobile en haut d'une pente, puis qui dévale et prend de la vitesse.
b) On frotte un bout de bois contre une planche : le bois chauffe.
c) Une balle lancée en l'air ralentit en montant.
Conversions possibles :
A. Ec → Ep
B. Ep → Ec
C. Ec → Eth
Corrigé
a) Ep → Ec (le skieur convertit son Ep en Ec) → lettre B
b) Ec → Eth (le mouvement convertit Ec en Eth) → lettre C
c) Ec → Ep (la balle ralentit, donc Ec diminue et Ep augmente) → lettre A
3. Complète les phrases avec « plus grande » ou « plus petite ».
a) Un camion de 20 tonnes a une énergie cinétique qu'une voiture de 1 tonne à la même vitesse car sa masse est .
b) Un livre posé à 2 m du sol a une énergie potentielle que le même livre posé à 0,5 m car sa hauteur est .
c) Une piscine d'eau à 25°C contient une énergie thermique qu'un verre d'eau à 25°C car la quantité d'eau est .
Corrigé
a) plus grande, plus grande
b) plus grande, plus grande
c) plus grande, plus grande
Prêt pour la répétition mécanique ? Voici cinq mini-exercices quasi identiques pour ancrer les formes d'énergie. Pas de surprise, juste de l'automatisme.
À toi de jouer
1. Un vélo accélère. L'énergie (Ec / Ep / Eth) augmente.
Corrigé
Ec
2. Un alpiniste grimpe une falaise. L'énergie (Ec / Ep / Eth) augmente.
Corrigé
Ep
3. Un radiateur chauffe une pièce. L'énergie (Ec / Ep / Eth) de l'air augmente.
Corrigé
Eth
4. Un parachutiste saute de l'avion et sa vitesse augmente. L'énergie augmente et l'énergie diminue. (Choisis parmi Ec, Ep, Eth.)
Corrigé
Ec augmente, Ep diminue
5. Une casserole d'eau sur le feu passe de 20°C à 90°C. L'énergie (Ec / Ep / Eth) de l'eau augmente.
Corrigé
Eth
Place au niveau contrôle : on va analyser des situations, comparer, justifier. Prends ton temps, tout est dans la logique déroulée depuis le début.
À toi de jouer
1. Pour chaque situation, indique la (ou les) forme(s) d'énergie présente(s) et justifie en une phrase.
a) Un skateboard roule à vive allure sur une piste horizontale.
b) Une bûche posée en haut d'un toboggan, encore immobile.
c) Une tasse de thé chaude posée sur une table.
d) Un oiseau qui vole haut dans le ciel.
Corrigé
a) Énergie cinétique (Ec) car le skateboard est en mouvement.
b) Énergie potentielle (Ep) car la bûche est en hauteur, immobile.
c) Énergie thermique (Eth) car la tasse est chaude (température élevée).
d) Énergie cinétique (Ec) et énergie potentielle (Ep) car l'oiseau est en mouvement et en hauteur.
2. Pour chaque situation, indique la forme d'énergie de départ puis la forme d'énergie d'arrivée (utilise Ec, Ep, Eth).
a) Une bille est lâchée du haut d'un toboggan, immobile, puis roule sur le sol plat.
b) On frotte deux cailloux l'un contre l'autre : au départ ils sont en mouvement, à la fin ils sont chauds.
c) Un plongeur saute d'un plongeoir de 5 m : au départ immobile en hauteur, à la fin en chute rapide.
Corrigé
a) Ep → Ec
b) Ec → Eth
c) Ep → Ec
3. Dans chaque cas, indique lequel des deux objets (A ou B) possède la plus grande énergie. Justifie en mentionnant le paramètre qui change.
a) A : une bille de 10 g roulant à 2 m/s. B : la même bille roulant à 4 m/s.
b) A : un livre de 500 g posé à 1 m du sol. B : le même livre posé à 3 m du sol.
c) A : 1 L d'eau à 20°C. B : 1 L d'eau à 80°C.
Corrigé
a) B possède la plus grande énergie cinétique car sa vitesse est plus grande (4 m/s au lieu de 2 m/s) et l'Ec augmente avec la vitesse.
b) B possède la plus grande énergie potentielle car la hauteur est plus grande (3 m au lieu de 1 m) et l'Ep augmente avec la hauteur.
c) B possède la plus grande énergie thermique car sa température est plus élevée (80°C au lieu de 20°C) et l'Eth augmente avec la température.
4. Problème : la descente en luge
Manon et sa luge sont immobiles en haut d'une colline enneigée de 10 m de haut. Après la descente, la luge s'arrête progressivement dans la neige, au bas de la colline.
a) Quelle forme d'énergie possède Manon au sommet, avant le départ ?
b) Quelle forme d'énergie possède Manon au milieu de la descente, en pleine vitesse et encore à mi-hauteur ?
c) Quelle forme d'énergie possède principalement Manon une fois complètement arrêtée au bas de la colline ?
d) L'énergie a-t-elle disparu quand la luge s'est arrêtée ? Explique ce qui s'est passé.
e) Si Manon repartait depuis une colline deux fois plus haute (20 m), son énergie potentielle au départ serait-elle plus grande, plus petite ou identique ? Justifie.
Corrigé
a) Au sommet, Manon possède de l'énergie potentielle (Ep) car elle est en hauteur et immobile.
b) Au milieu de la descente, elle possède à la fois de l'énergie cinétique (Ec) car elle est en mouvement, et de l'énergie potentielle (Ep) car elle est encore en hauteur (mi-hauteur).
c) Une fois arrêtée au bas de la colline, elle ne possède plus d'énergie potentielle (hauteur nulle par rapport au bas) ni d'énergie cinétique (immobile). L'énergie mécanique (Ec+Ep) s'est transformée principalement en énergie thermique (Eth) à cause des frottements avec la neige et l'air.
d) Non, l'énergie n'a pas disparu : l'énergie cinétique et potentielle se sont converties en énergie thermique (la neige a un peu fondu, la luge et l'air ont chauffé très légèrement). L'énergie totale se conserve.
e) Si la colline fait 20 m (2 fois plus haute), son énergie potentielle au départ serait plus grande car Ep augmente avec la hauteur. (Toutes choses égales par ailleurs, Ep serait doublée.)
Tu maîtrises les trois formes ? On va pousser un peu plus loin avec des conversions en chaîne, un aperçu de la relation entre vitesse et énergie, et la notion de transfert thermique. De quoi briller l'an prochain.
À toi de jouer
1. Une centrale hydroélectrique.
L'eau retenue derrière un barrage possède une grande énergie potentielle (Ep). Lorsqu'on ouvre les vannes, l'eau descend dans une conduite, sa vitesse augmente : elle acquiert de l'énergie cinétique (Ec). Cette eau en mouvement fait tourner une turbine, puis un alternateur produit de l'énergie électrique.
Complète la chaîne énergétique simplifiée en utilisant les notations Ep, Ec, Eth ou « énergie électrique » :
Ep (eau en haut) → (eau en écoulement) → (turbine) →
Corrigé
Ec (eau en écoulement), Ec (turbine), énergie électrique
2. Lien vitesse et énergie cinétique (aperçu 4e).
En quatrième, tu apprendras que l'énergie cinétique est proportionnelle au carré de la vitesse : si la vitesse est doublée, l'énergie cinétique est multipliée par 4 (2 au carré).
Complète sans faire de calcul compliqué :
a) Si une voiture roule deux fois moins vite, son Ec est divisée par .
b) Si la vitesse triple, l'Ec est multipliée par .
c) Pour une même masse, quel véhicule a l'Ec la plus grande : un scooter à 50 km/h ou une moto à 50 km/h ? . Justifie : .
Corrigé
a) Si la vitesse est divisée par 2, l'énergie cinétique est divisée par $2^2 =$ 4.
En effet, $(\tfrac{1}{2})^2 = \tfrac{1}{4}$, donc l'Ec est quatre fois plus petite.
b) Si la vitesse est multipliée par 3, l'énergie cinétique est multipliée par $3^2 =$ 9.
c) Les deux véhicules ont la même Ec. $\underline{\hspace{1.1em}}$
Justification : l'énoncé précise qu'on compare pour une même masse, et les deux roulent à la même vitesse (50 km/h). Comme l'Ec dépend uniquement de la masse et de la vitesse, deux objets de même masse allant à la même vitesse ont exactement la même énergie cinétique. $\underline{\hspace{1.1em}}$
3. Transfert d'énergie thermique.
On mélange 100 mL d'eau à 80°C avec 100 mL d'eau à 20°C. La température finale est d'environ 50°C.
Explique qualitativement ce qui se passe en termes d'énergie thermique :
L'eau chaude possède une énergie thermique (élevée / faible), l'eau froide une énergie thermique . Lors du mélange, l'énergie thermique (se transfère / disparaît) de l'eau chaude vers l'eau froide jusqu'à ce que les deux volumes aient la même température. L'énergie totale se (conserve / multiplie).
Corrigé
élevée, faible, se transfère, conserve