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Travail, énergie et puissance

Il y a travail quand une force déplace un objet : W = F × s, mesuré en joules (J). L'énergie est la capacité à produire du travail. Un corps en mouvement a une énergie cinétique ½mv² ; un corps en hauteur a une énergie potentielle mgh. L'énergie n'est jamais créée ni détruite, elle change seulement de forme. La puissance indique la vitesse à laquelle le travail est fait : P = W ÷ t, en watts. Les machines simples comme les leviers et les poulies permettent de déplacer une grosse charge avec un petit effort.

🎬 L'histoire pas à pas

  1. Une fille pousse une caisse avec une force F. La caisse glisse sur une distance s. Force + déplacement = travail. W = F × s.
  2. Monte une balle : elle stocke de l'énergie potentielle, Ep = mgh. Laisse-la bouger : elle a une énergie cinétique, Ec = ½mv².
  3. Lâche la balle. La barre Ep diminue, la barre Ec grandit. La barre verte du total ne change pas. L'énergie change seulement de forme.
  4. A et B soulèvent tous deux une caisse de 20 kg sur 3 m, donc chacun fournit 600 J de travail. A met 2 s, B met plus longtemps. A a plus de puissance.
  5. Un levier : approche le point d'appui de la charge. Maintenant un petit effort soulève la lourde charge. L'avantage mécanique augmente.
  6. Jeu libre : choisis Travail, Énergie, Balle qui tombe, Puissance ou Levier et essaie tes propres nombres.

Astuce : fais glisser la scène 3D pour la tourner. Utilise deux doigts pour zoomer.

🤔 Les doutes courants, éclaircis

J'ai tenu un sac lourd pendant 10 minutes et je me suis fatigué. Pourquoi le travail est-il nul ?

En physique, le travail demande un déplacement. Le sac n'a pas bougé, donc s = 0 et W = 0. Tes muscles utilisent quand même de l'énergie venant des aliments pour rester tendus, c'est pour ça que tu te fatigues.

Pourquoi l'Ec est-elle multipliée par quatre quand la vitesse double seulement ?

La vitesse est au carré dans Ec = ½mv². 2 au carré fait 4. Essaie le curseur de vitesse à l'étape 2 et regarde la barre orange.

Où va l'énergie potentielle quand la balle tombe ?

Elle se transforme en énergie cinétique. La barre bleue diminue exactement autant que la barre orange grandit, donc le total vert reste horizontal.

Si A et B font le même travail, pourquoi A est-il plus puissant ?

La puissance est le travail par seconde. A termine 600 J en 2 s (300 W). B met plus de temps, donc fait moins de travail chaque seconde.

Un levier nous donne-t-il de l'énergie gratuite ?

Non. Un effort plus petit doit se déplacer sur une plus longue distance. Effort × sa distance ≈ charge × sa distance, donc travail fourni ≈ travail obtenu.

À quoi sert une poulie fixe si AM vaut 1 ?

Elle change la direction de la force. Tirer vers le bas avec le poids de ton corps est plus facile que soulever vers le haut.

Qu'est-ce que le travail en physique ?

Dans la vie de tous les jours, lire un livre donne l'impression de travailler. En physique, il y a travail seulement quand une force déplace quelque chose. Deux conditions : une force agit, et l'objet se déplace dans le sens de la force.

Travail = force × distance parcourue dans le sens de la force, W = F × s.

L'unité du travail est le joule (J). 1 J est le travail d'une force de 1 newton qui déplace un objet de 1 mètre (1 J = 1 N × 1 m).

Quand le travail est-il nul, positif ou négatif ?

Regarde l'étape 1 de la 3D : quand F = 0, la caisse ne bouge pas et W = 0 J.

L'énergie et ses formes

L'énergie est la capacité à produire du travail. Son unité est aussi le joule. Un objet qui a de l'énergie peut pousser, soulever ou déplacer un autre objet. Un marteau en mouvement enfonce un clou : il avait de l'énergie et il a fait un travail.

Formes d'énergie autour de toi : mécanique (cinétique + potentielle), thermique, lumineuse, sonore, chimique (aliments, carburant), électrique et nucléaire. Une unité plus grande est le kilojoule : 1 kJ = 1000 J.

Énergie cinétique (énergie du mouvement)

Tout ce qui bouge a de l'énergie cinétique. Ec = ½ m v², où m est la masse en kg et v la vitesse en m/s. Si la vitesse double, Ec devient quatre fois plus grande, car v est au carré.

Énergie potentielle (énergie stockée)

Un corps placé au-dessus du sol stocke de l'énergie grâce à sa hauteur. Ep = m g h, où g ≈ 9.8 m/s² (on prend souvent 10). Un élastique tendu et un ressort remonté stockent aussi de l'énergie potentielle, à cause du changement de leur forme.

Ep dépend seulement de la hauteur, pas du chemin suivi pour soulever l'objet.

Conservation de l'énergie

Loi de conservation de l'énergie : l'énergie ne peut être ni créée ni détruite. Elle peut seulement passer d'une forme à une autre. L'énergie totale reste la même.

Lâche une balle d'une hauteur h. En haut, elle n'a que de l'Ep (mgh). Pendant la chute, la hauteur diminue et la vitesse augmente, donc l'Ep se transforme en Ec. Juste avant de toucher le sol, toute l'Ep est devenue de l'Ec. À chaque point intermédiaire, Ep + Ec = mgh = constante (si on néglige la résistance de l'air).

L'étape 3 de la 3D le montre avec trois barres : la bleue (Ep) diminue, l'orange (Ec) grandit, la verte (total) reste horizontale.

Transformations d'énergie que tu vois chaque jour

Puissance : la vitesse du travail

Deux personnes montent le même escalier. Elles font le même travail, mais celle qui court arrive la première. On dit qu'elle a plus de puissance.

Puissance = travail effectué ÷ temps mis, P = W ÷ t. Son unité est le watt (W) : 1 W = 1 J/s. Une unité plus grande est le kilowatt : 1 kW = 1000 W.

Si la puissance change tout le temps, la puissance moyenne = travail total ÷ temps total.

Unité commerciale d'énergie

Les factures d'électricité utilisent le kilowattheure (kWh), appelé une « unité ». 1 kWh est l'énergie consommée par un appareil de 1000 W pendant 1 heure. 1 kWh = 1000 W × 3600 s = 3.6 × 10⁶ J.

Machines simples : leviers et poulies

Une machine simple nous aide à travailler plus facilement : elle permet à une petite force (l'effort) de déplacer un grand poids (la charge), ou de changer la direction de la force.

Avantage mécanique (AM) = charge ÷ effort. Si AM = 4, un effort de 50 N peut soulever une charge de 200 N.

Levier

Un levier est une barre rigide qui tourne autour d'un point fixe appelé point d'appui (ou pivot). Il est en équilibre quand charge × bras de la charge = effort × bras de l'effort. Le bras est la distance au point d'appui. Donc AM = bras de l'effort ÷ bras de la charge. Garde le point d'appui près de la charge : le bras de l'effort devient long, donc il faut moins d'effort.

Poulie

Une poulie fixe simple (comme celle d'un puits) a AM = 1. Elle ne réduit pas la force, mais elle permet de tirer vers le bas pour monter la charge, ce qui est plus facile. Une poulie mobile simple est accrochée à la charge et a un AM idéal de 2. Des poulies assemblées en palan donnent un AM plus grand.

Aucune machine ne donne du travail gratuit. Quand l'effort est plus petit, il faut le déplacer sur une plus grande distance. Le frottement gaspille toujours un peu d'énergie, donc le travail fourni en sortie est plus petit que le travail reçu en entrée.

Essaie à la maison

Test du levier : place un crayon sous une règle de 30 cm comme point d'appui. Mets quelques pièces à un bout. Appuie sur l'autre bout avec un doigt. Maintenant glisse le crayon plus près des pièces et appuie encore. Qu'est-ce qui était le plus facile ? Fais d'abord une prédiction, puis vérifie. (Réponse : un point d'appui près de la charge demande moins d'effort.)

Test de puissance : monte un escalier en marchant et chronomètre-toi. Puis monte-le vite et chronomètre-toi encore. Travail = ton poids (masse × 10) × hauteur de l'escalier. Divise par chaque temps pour trouver ta puissance en watts.

Formules et définitions clés

Exemples résolus

1. Une force de 20 N pousse une caisse sur 3 m le long du sol. Calcule le travail effectué.

W = F × s = 20 × 3 = 60 J.

2. Une balle de 2 kg se déplace à 6 m/s. Calcule son énergie cinétique.

Ec = ½ m v² = ½ × 2 × 6² = ½ × 2 × 36 = 36 J.

3. Une balle de 2 kg est soulevée à une hauteur de 4 m (g = 10 m/s²). Calcule son énergie potentielle.

Ep = m g h = 2 × 10 × 4 = 80 J.

4. Une balle de 2 kg est lâchée de 5 m. Calcule son Ec et sa vitesse juste avant de toucher le sol (g = 10).

Ep en haut = 2 × 10 × 5 = 100 J. Tout devient de l'Ec, donc Ec = 100 J. ½ × 2 × v² = 100, donc v² = 100, v = 10 m/s.

5. Une élève de 50 kg monte 3 m d'escalier en 6 s. Calcule sa puissance (g = 10).

W = m g h = 50 × 10 × 3 = 1500 J. P = W ÷ t = 1500 ÷ 6 = 250 W.

6. Un radiateur de 1500 W fonctionne 2 heures par jour pendant 30 jours. Calcule l'énergie consommée en kWh et le coût à ₹8 l'unité.

Énergie par jour = 1.5 kW × 2 h = 3 kWh. Pour 30 jours = 90 kWh. Coût = 90 × 8 = ₹720.

7. Une charge de 600 N est à 1.5 m du point d'appui d'un levier. L'effort est à 4.5 m du point d'appui. Calcule l'effort et l'AM.

600 × 1.5 = E × 4.5, donc E = 900 ÷ 4.5 = 200 N. AM = 600 ÷ 200 = 3.

8. La vitesse d'une voiture double. Par combien son énergie cinétique est-elle multipliée ?

Ec ∝ v². Nouvelle Ec = ½ m (2v)² = 4 × ½ m v². Donc Ec est multipliée par 4.

Erreurs fréquentes

Quiz d'entraînement

1. L'unité SI du travail est :
2. Un porteur tient une caisse immobile sur sa tête. Le travail fourni sur la caisse est :
3. Ec = ½ m v². Si v devient 3 fois plus grande, Ec devient :
4. 1 kWh est égal à :
5. Un décapsuleur est un levier de classe :

Entraînement : réponds toi-même

Écris ou choisis ta réponse, puis appuie sur Vérifier. Prends un indice si tu bloques ; la solution complète s'affiche après ta réponse.

Questions fréquentes

Quelle est la formule du travail en classe de seconde ?

Travail = force × déplacement dans le sens de la force, W = F × s. Unité : le joule.

Quelle est la différence entre puissance et énergie ?

L'énergie est la capacité à produire du travail (joule). La puissance est la vitesse à laquelle l'énergie est utilisée ou le travail est fait (watt = joule par seconde).

Combien de joules y a-t-il dans une unité d'électricité ?

Une unité = 1 kWh = 3.6 × 10⁶ J (36 lakh joules).

Où c'est enseigné

Canada (Ontario)Grade 8D. Structures and Mechanisms
Canada (Ontario)Grade 12C. Mechanical Systems
ItalyScuola secondaria di primo grado – classe 3ªPhysics and chemistry
ItalySecondaria di secondo grado – classe 1ªFoundations, optics, heat and mechanics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 2ªFoundations, optics, heat and mechanics
NetherlandsHAVO 4 (bovenbouw, 2e fase)Motion and energy
NetherlandsVWO 4 (bovenbouw, 2e fase)Motion and interaction
PolandSzkoła podstawowa, klasa VIIEnergy
RomaniaClasa a VIII-aEnergy and life (integrating theme)
Spain4º ESOEnergy
Spain1º BachilleratoEnergy
Spain1º BachilleratoMechanical systems
Ukraine9 класMotion with changing speed; mechanical oscillations and waves
CBSE (India)Class 9Motion, Force, Work and Sound
CBSE (India)Class 9Advanced Level (optional): Physics
England (GCSE, A level)Year 9Physics: Energy
England (GCSE, A level)Year 106.1 Energy
England (GCSE, A level)Year 104.1 Energy
England (GCSE, A level)Year 116.5 Forces
England (GCSE, A level)Year 114.5 Forces
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 8MS-PS3 Energy
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 9Energy
Japan中学3年Field 1 (5): Motion and energy
Japan高校1年Motion and energy
South Korea중학교 3학년Motion and energy
South Korea중학교 3학년Energy conversion and conservation
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 9Energy as a conserved quantity
FranceTroisièmeEnergy
FrancePremièreEnergy
FrancePremièrePhysics-chemistry for health
FrancePremière3. Behaviour of products
FrancePremièrePhysics-chemistry: Energy
FrancePremièrePhysics-chemistry: Motion and interactions
FranceTerminale3. Behaviour of products
FranceTerminalePhysics-chemistry: Energy
FranceTerminalePhysics-chemistry: Energy conversions and transfers
FranceTerminaleCompetences and content
FranceTerminalePhysics complement
Russia7 классWork, power, energy
Russia7 классWork, power, energy
Russia9 классMechanical phenomena
Russia9 классMechanical phenomena
China八年级(初二)Ch.11 Work and mechanical energy
China九年级(初三)Ch.14 Using internal energy

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