L’énergie : conversions et transfertsAspects énergétiques des phénomènes électriquesPrésentation :L’électricité est un domaine très présent au travers de ses multiples applications et riche, tant d’un point de vue conceptuel, que méthodologique et expérimental.
Dans la continuité du programme de seconde, cette partie met l’accent sur l’utilisation de dipôles électriques simples pour modéliser le comportement de systèmes électriques utilisés dans la vie quotidienne ou en laboratoire : générateurs, dont les piles, et capteurs. En évitant soigneusement toute confusion entre les concepts d’électricité et d’énergie, l'enjeu est d'analyser quelques situations typiques à l'aide de concepts énergétiques préalablement construits, notamment au collège. L’électricité est en effet un thème propice à l’étude de bilans énergétiques. La problématique de l’efficacité d'une conversion énergétique, fondamentale pour les enjeux environnementaux, est également abordée.
L'application de ces notions renvoie à de nombreux secteurs d'activités : télécommunications, transports, environnement, météorologie, santé, bioélectricité,etc. Dans tous ces domaines, des capteurs très divers, associés à des circuits électriques, sont utilisés pour mesurer des grandeurs physiques. Le programme permet d’aborder toutes ces applications avec un point de vue énergétique. La mise en œuvre de cette partie du programme est l’occasion d’utiliser des multimètres, des microcontrôleurs associés à des capteurs, des smartphones, des cartes d'acquisitions, des oscilloscopes, etc.
Notions abordées en seconde :Énergie, puissance, relation entre puissance et énergie, identification des sources, transferts et conversions d’énergie, bilan énergétique pour un système simple, conversion d’un type d’énergie en un autre.
Tension, intensité, caractéristique tension-courant, loi d’Ohm, capteurs.
| Notions et contenus | Capacités exigibles Activités expérimentales support de la formation |
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| Savoirs :Porteur de charge électrique.
Lien entre intensité d’un courant continu et débit de charges.
Modèle d’une source réelle de tension continue comme association en série d’une source idéale de tension continue et d’une résistance. | Savoir-faireRelier intensité d’un courant continu et débit de charges.
Expliquer quelques conséquences pratiques de la présence d’une résistance dans le modèle d’une source réelle de tension continue.
Déterminer la caractéristique d’une source réelle de tension et l'utiliser pour proposer une modélisation par une source idéale associée à une résistance. |
| Savoirs :Puissance et énergie.
Bilan de puissance dans un circuit.
Effet Joule. Cas des dipôles ohmiques.
Rendement d’un convertisseur. | Savoir-faireCiter quelques ordres de grandeur de puissances fournies ou consommées par des dispositifs courants.
Définir le rendement d’un convertisseur.
Évaluer le rendement d’un dispositif. |
Aspects énergétiques des phénomènes mécaniquesPrésentation :Cette partie prolonge le thème « Mouvement et interactions » dont les situations d’étude peuvent être analysées du point de vue de l'énergie. Le travail des forces est introduit comme moyen d’évaluer les transferts d'énergie en jeu et le théorème de l’énergie cinétique comme bilan d'énergie, fournissant un autre lien entre forces et variation de la vitesse. Les concepts d’énergie potentielle et d'énergie mécanique permettent ensuite de discuter de l’éventuelle conservation de l'énergie mécanique, en particulier pour identifier des phénomènes dissipatifs.
Notions abordées en seconde :Énergie cinétique, énergie potentielle (dépendant de la position), bilan énergétique pour un système simple, conversion d’un type d’énergie en un autre.
| Notions et contenus | Capacités exigibles Activités expérimentales support de la formation |
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| Savoirs :Énergie cinétique d’un système modélisé par un point matériel.
Travail d’une force.
Expression du travail dans le cas d'une force constante.
Théorème de l’énergie cinétique. Utiliser l’expression de l’énergie cinétique d’un système modélisé par un point matériel.
Forces conservatives. Énergie potentielle. Cas du champ de pesanteur terrestre.
Forces non-conservatives : exemple des frottements.
Énergie mécanique.
Conservation et non conservation de l’énergie mécanique.
Gain ou dissipation d’énergie. | Savoir-faireUtiliser l’expression de l’énergie cinétique d’un système modélisé par un point matériel.
Utiliser l’expression du travail W AB (vecteur F ) = vecteur F . vecteur AB dans le cas de forces constantes.
Énoncer et exploiter le théorème de l’énergie cinétique.
Établir et utiliser l'expression de l'énergie potentielle de pesanteur pour un système au voisinage de la surface de la Terre.
Calculer le travail d’une force de frottement d’intensité constante dans le cas d’une trajectoire rectiligne.
Identifier des situations de conservation et de non conservation de l’énergie mécanique.
Exploiter la conservation de l’énergie mécanique dans des cas simples : chute libre en l’absence de frottement, oscillations d’un pendule en l’absence de frottement, etc.
Utiliser la variation de l’énergie mécanique pour déterminer le travail des forces non conservatives.
Utiliser un dispositif (smartphone, logiciel de traitement d’images, etc.) pour étudier l’évolution des énergies cinétique, potentielle et mécanique d’un système dans différentes situations : chute d’un corps, rebond sur un support, oscillations d’un pendule, etc.
Capacité numérique : Utiliser un langage de programmation pour effectuer le bilan énergétique d’un système en mouvement.
Capacité mathématique : Utiliser le produit scalaire de deux vecteurs. |