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niveau: "3eme"
discipline: "physique-chimie"
theme_bo: "L'énergie et ses conversions"
chapitre: 9
titre: "Les échanges d'énergie mécanique"
duree_heures: 2
prerequis:
  - "3e-07b — L'énergie sur Terre"
competences_bo:
  - "Connaître la définition de l'énergie mécanique"
  - "Calculer l'énergie potentielle de pesanteur Epp = m x g x h"
  - "Calculer l'énergie cinétique Ec = 1/2 x m x v²"
  - "Appliquer le principe de conservation de l'énergie mécanique"
competences_socle:
  - "D1.3 — Langages scientifiques"
  - "D2 — Méthodes et outils"
  - "D4 — Systèmes naturels et techniques"
mots_cles:
  - énergie mécanique
  - énergie potentielle de pesanteur
  - énergie cinétique
  - conservation
  - frottements
  - énergie thermique
eval_diagnostique: "QCM formes d'énergie (rappels Ch.7b)"
eval_formative: "Exercices calcul Epp et Ec"
eval_sommative: "Devoir énergie mécanique"
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# Chapitre 9 — Les échanges d'énergie mécanique
> *M. VERHILLE — Physique-Chimie · 3ème*

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## Objectifs et compétences

**Objectifs du chapitre, en lien avec le programme de cycle 4 (BO n° 31 du 30 juillet 2020)** :
- Connaître et utiliser la relation Epp = m × g × h
- Connaître et utiliser la relation Ec = 1/2 × m × v²
- Comprendre le principe de conservation de l'énergie mécanique

**À la fin de ce chapitre, l'élève sait** :
- [ ] Définir l'énergie mécanique comme la somme de Epp et Ec
- [ ] Calculer Epp = m × g × h
- [ ] Calculer Ec = 1/2 × m × v²
- [ ] Expliquer la conservation de Em en l'absence de frottements
- [ ] Identifier le rôle des frottements (perte sous forme de chaleur)

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## I] L'énergie mécanique

Les formes d’énergie peuvent se convertir les unes dans les autres. Avec des frottements, une partie de l’énergie mécanique est transférée en énergie interne/thermique de l’objet et de son environnement. L’énergie totale n’est pas détruite. Dans le modèle idéal sans frottements étudié ici, on peut conserver l’énergie mécanique.

$$\boxed{E_m = E_{pp} + E_c}$$

| Terme | Signification |
|---|---|
| **Em** | Énergie mécanique — somme Ec + Epp dans le modèle étudié |
| **Epp** | Énergie potentielle de pesanteur — énergie d'un objet qui « peut tomber » sous l'action de son poids |
| **Ec** | Énergie cinétique — énergie de l'objet en mouvement |

> C'est grâce à l'énergie potentielle de pesanteur qui se transforme en énergie cinétique que l'on peut descendre une pente en vélo sans efforts pour pédaler.

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## II] L'énergie potentielle de pesanteur Epp

$$\boxed{E_{pp} = m \times g \times h}$$

| Grandeur | Symbole | Unité |
|---|---|---|
| Énergie potentielle de pesanteur | **Epp** | Joule (**J**) |
| Masse | **m** | Kilogramme (**kg**) |
| Intensité de pesanteur | **g** | N/kg (g_Terre = 9,81 N/kg) |
| Hauteur | **h** | Mètre (**m**) |

> **Attention** : la masse doit être en **kg** dans cette formule.

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## III] Rappels : l'énergie cinétique

L'énergie cinétique, c'est l'énergie d'un objet en mouvement. Elle dépend de la **masse** et de la **vitesse** de cet objet.

$$\boxed{E_c = \dfrac{1}{2} \times m \times v^2}$$

| Grandeur | Symbole | Unité |
|---|---|---|
| Énergie cinétique | **Ec** | Joule (**J**) |
| Masse | **m** | Kilogramme (**kg**) |
| Vitesse | **v** | Mètre par seconde (**m/s**) |

> La vitesse est **au carré** : v² = v × v. Si la vitesse double, Ec est multipliée par 4.

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## IV] Conservation de l'énergie mécanique

- S'il y a des **frottements** : une partie de l'énergie va devenir de la chaleur → c'est l'**énergie thermique**.
- Si on **néglige les frottements** : l'énergie mécanique sera **constante**.

$$\boxed{E_m = E_{pp} + E_c = \text{constante}}$$

### Exemple : chute d'un objet (sans frottements)

| Position | Epp | Ec | Em |
|---|---|---|---|
| En haut (immobile) | Maximale | Nulle | Em = Epp |
| En cours de chute | Diminue | Augmente | Em = Epp + Ec |
| Juste avant le sol | Nulle | Maximale | Em = Ec |

> À chaque instant, **Em reste la même** : ce que perd Epp est gagné par Ec.

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## Activité — Diagramme énergétique (tableur)

### TP — Suivi de Em, Epp et Ec lors d'une chute (tableur)

**Situation** : une balle de 0,5 kg tombe d'une hauteur de 10 m (sans frottements, g = 10 N/kg).

**Protocole de modélisation** : les vitesses sont calculées par Ec=mg(10−h), soit v=√[2g(10−h)], en supposant la conservation de Em. Le tableur illustre donc ce modèle ; ce n’est pas une preuve expérimentale indépendante.

**Étapes** :
1. Ouvrir un **tableur** (LibreOffice Calc)
2. Créer un tableau avec les colonnes : h (m), v (m/s), Epp (J), Ec (J), Em (J)
3. Remplir pour h = 10, 8, 6, 4, 2, 0 m (calculer v à chaque hauteur, puis Epp et Ec)
4. Tracer un **diagramme en barres empilées** (Epp + Ec) en fonction de h
5. Vérifier que Em reste constante à chaque position

**Résultat attendu** : le diagramme montre que Epp diminue et Ec augmente, mais leur somme (Em) reste à **50 J** à chaque instant.

> **Compétence D2** : utiliser un tableur pour modéliser une situation physique et vérifier un principe (conservation de l'énergie).

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## Bilan — Ce qu'il faut retenir

| Notion | Définition | Formule |
|--------|-----------|---------|
| Énergie mécanique (Em) | Somme de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle de pesanteur ; distincte de l’énergie totale qui inclut notamment l’énergie interne | Em = Epp + Ec |
| Énergie potentielle de pesanteur (Epp) | Énergie liée à la position en hauteur d'un objet | Epp = m × g × h |
| Énergie cinétique (Ec) | Énergie liée au mouvement d'un objet | Ec = 1/2 × m × v² |
| Conservation | En l'absence de frottements, Em reste constante lors des transformations | Em = cte |
| Frottements | Provoquent une perte d'énergie mécanique sous forme d'énergie thermique (chaleur) | — |

## Erreurs fréquentes à éviter
- **Oublier que g ≠ 10 exactement** : g_Terre = 9,81 N/kg (on accepte g ≈ 10 N/kg en exercice si précisé).
- **Confondre masse et poids** : la masse (kg) est constante partout ; le poids (N) dépend de la planète.
- **Oublier les conversions** : m en kg, v en m/s, h en m.

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> Référence : [programme de physique-chimie du cycle 4 et ressources ministérielles](https://eduscol.education.gouv.fr/5739/ressources-d-accompagnement-du-programme-de-physique-chimie-au-cycle-4). Les objectifs et approfondissements de ce chapitre constituent une progression du professeur.

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