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Unité obligatoire II : L'énergie mécanique

D. Énergie potentielle gravitationnelle

Concepts clés

L'énergie potentielle gravitationnelle (Eg) est l'énergie emmagasinée, du fait de la position d'un objet par rapport au niveau du sol ou par rapport à un autre niveau de référence arbitraire appelé niveau de base.

Quand un objet est soulevé verticalement, le travail fourni à l'objet donne lieu à une énergie potentielle gravitationnelle.

Quand un objet est relâché d'une certaine hauteur, il perd son énergie potentielle gravitationnelle pour gagner de l'énergie cinétique, de sorte que le changement net d'énergie est nul. L'énergie mécanique totale, soit la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle gravitationnelle, demeure inchangée. (Principe de la conservation de l'énergie

Résultats d'apprentissage

L'élève sera capable de :
Enseignements, activités et démonstrations suggérés
  1. Attacher un pendule à un support au bout d'une table. Utiliser un fil pour retenir une lourde masse. Placer une lame de rasoir aiguisée au-dessus de la masse quand elle est en position de repos. (Autre montage possible : employer une torche sécuritaire et alimentée au propane. Elle coupera le fil de façon plus graduelle. Attention de ne pas se brûler.) Tirer la masse d'un côté. Déterminer son énergie potentielle par rapport à sa position de repos. Relâcher la masse. Au moment où la lame de rasoir (ou la torche) sectionne le fil, la masse poursuit sa trajectoire balistique jusqu'au sol.

    Sur le plancher, à l'endroit où la masse devrait atterrir, placer une feuille de papier blanc avec un papier carbone par derrière afin d'enregistrer le point d'atterrissage de la masse. (C'est le moment d'essayer les nouveaux papiers « sans carbone » ou « autocopiant ».)

    Utiliser les déplacements horizontaux et verticaux de la masse pour connaître la vitesse horizontale initiale (celle de sa trajectoire balistique) au point de libération de la masse. Une fois cette vitesse horizontale connue, établir l'énergie cinétique de la masse du pendule au point le plus bas de la trajectoire du pendule. Comparer l'énergie potentielle initiale du pendule et l'énergie cinétique au point le plus bas de sa trajectoire.

  2. L'activité précédente peut être refaite avec une lame de rasoir qui sectionne le fil avant que la masse atteigne sa position de repos. Cette situation est légèrement plus difficile à analyser, puisque la masse-projectile s'échappe avec une vitesse initiale ayant une composante verticale et une composante horizontale. La vitesse instantanée de la masse au point de libération doit être déterminée.

    Si le projectile est lancé de sorte que l'angle sous l'horizontale soit (q), les meilleurs élèves pourront parvenir à déduire la relation :
    Calculer l'énergie potentielle initiale de la masse, ainsi que l'énergie potentielle et l'énergie cinétique à l'instant de la séparation. Démontrer que l'énergie mécanique est conservée.

  3. Attacher un yo-yo à un dynamomètre. Laisser le yo-yo monter et redescendre. Pendant son mouvement, observer le pointeur de l'échelle graduée du dynamomètre. Tenter de trouver ce qui arrive au poids apparent du yo-yo pendant son mouvement. (Les changements du poids apparent sont dus à la transformation de l'énergie potentielle et de l'énergie cinétique.) Autre activité possible pour illustrer la même chose : la roue de Maxwell.

  4. Un chronographe peut déterminer la vitesse d'un objet en chute libre juste avant qu'il percute le sol. L'énergie cinétique peut alors être comparée à l'énergie potentielle gravitationnelle initiale de l'objet, en fonction de la hauteur de sa chute.

  5. Effectuer une activité destinée à étudier la relation entre l'énergie cinétique, l'énergie potentielle gravitationnelle et l'énergie mécanique totale d'un objet tombant verticalement ou se déplaçant suivant une autre trajectoire.



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