Travail, énergie et puissance

Objectif d'apprentissage 3.1.A : Décrire l'énergie cinétique de translation d'un objet en fonction de sa masse et de sa vitesse.

• 3.1.A.1 L'énergie cinétique de translation d'un objet est donnée par l'équation
  • Équation : $K = \dfrac{1}{2}mv^2$
• 3.1.A.2 L'énergie cinétique de translation est une grandeur scalaire.
• 3.1.A.3 Différents observateurs peuvent mesurer des valeurs différentes de l'énergie cinétique de translation d'un objet, selon le référentiel de l'observateur.

Objectif d'apprentissage 3.2.A : Décrire le travail effectué sur un objet ou un système par une force donnée ou un ensemble de forces.

• 3.2.A.1 Le travail est la quantité d'énergie transférée vers ou hors d'un système par une force exercée sur ce système sur une distance.
  • 3.2.A.1.i Le travail effectué par une force conservative exercée sur un système est indépendant du chemin suivi et dépend uniquement des configurations initiale et finale de ce système.
  • 3.2.A.1.ii Le travail effectué par une force conservative sur un système — ou le changement d'énergie potentielle du système — sera nul si le système retourne à sa configuration initiale.
  • 3.2.A.1.iii Les énergies potentielles sont associées uniquement aux forces conservatives.
  • 3.2.A.1.iv Le travail effectué par une force non conservative dépend du chemin suivi.
  • 3.2.A.1.v Les exemples de forces non conservatrices incluent le frottement et la résistance de l'air.
• 3.2.A.2 Le travail est une grandeur scalaire qui peut être positive, négative ou nulle.
• 3.2.A.3 La quantité de travail effectué sur un système par une force constante est liée aux composantes de cette force et au déplacement du point d'application de cette force.
  • 3.2.A.3.i Seule la composante de la force exercée sur un système parallèle au déplacement du point d'application de la force modifiera l'énergie totale du système.
    • Équation: $W = F_{\parallel}d = Fd\cos\theta$
  • 3.2.A.3.ii La composante de la force exercée sur un système perpendiculaire à la direction du déplacement du centre de masse du système peut changer la direction du mouvement du système sans modifier son énergie cinétique.
• 3.2.A.4 Le théorème de l'énergie-cinétique énonce que le changement de l'énergie cinétique d'un objet est égal à la somme du travail (travail net) effectué par toutes les forces exercées sur l'objet.
  • Équation : $\Delta K = \sum_{i} W_i = \sum_{i} F_{\parallel,i}\,d$
  • 3.2.A.4.i Une force externe peut modifier la configuration d'un système. La composante de la force externe parallèle au déplacement multipliée par le déplacement du point d'application de la force donne le changement de l'énergie cinétique du système.
  • 3.2.A.4.ii Si le centre de masse du système et le point d'application de la force se déplacent de la même distance lorsqu'une force est exercée sur un système, alors le système peut être modélisé comme un objet, et seule l'énergie cinétique du système peut changer.
  • 3.2.A.4.iii L'énergie dissipée par le frottement est généralement égale à la force de frottement multipliée par la longueur du chemin sur lequel la force est exercée.
    • Équation: $\Delta E_{\text{mech}} = F_f\,d\cos\theta$
• 3.2.A.5 Le travail est égal à l'aire sous la courbe d'un graphique de $F_{\parallel}$ en fonction du déplacement.

Énoncé de limite : AP Physics 1 s'attend uniquement à ce que les étudiants analysent le transfert d'énergie mécanique (tel que défini dans l'Unité 3, Sujet 4 : Conservation de l'énergie), bien que les étudiants doivent être conscients que l'énergie mécanique peut être dissipée sous forme d'énergie thermique ou sonore. En AP Physics 2, les étudiants étudieront également comment l'énergie thermique peut être transférée entre des systèmes par chauffage ou refroidissement.

Objectif d'apprentissage 3.3.A : Décrire l'énergie potentielle d'un système.

• 3.3.A.1 Un système composé de deux objets ou plus possède une énergie potentielle si les objets au sein de ce système n'interagissent entre eux que par des forces conservatrices.
• 3.3.A.2 L'énergie potentielle est une grandeur scalaire associée à la position des objets au sein d'un système.
• 3.3.A.3 La définition de l'énergie potentielle nulle pour un système donné est une décision prise par l'observateur considérant la situation afin de simplifier ou d'aider à l'analyse.
• 3.3.A.4 L'énergie potentielle de systèmes physiques courants peut être décrite à l'aide des propriétés physiques de ce système.
  • 3.3.A.4.i L'énergie potentielle élastique d'un ressort idéal est donnée par l'équation suivante, où $\Delta x$ est la distance dont le ressort a été étiré ou comprimé par rapport à sa longueur d'équilibre.
    • Équation: $U_s = \dfrac{1}{2}k(\Delta x)^2$
  • 3.3.A.4.ii La forme générale de l'énergie potentielle gravitationnelle d'un système consistant en deux distributions de masse approximativement sphériques (par exemple, lunes, planètes ou étoiles) est donnée par l'équation
    • Équation: $U_g = -G\dfrac{m_1 m_2}{r}$
  • 3.3.A.4.iii Puisque le champ gravitationnel près de la surface d'une planète est presque constant, le changement d'énergie potentielle gravitationnelle dans un système consistant en un objet de masse $m$ et d'une planète avec un champ gravitationnel d'intensité $g$ lorsque l'objet est près de la surface de la planète peut être approximativement décrit par l'équation
    • Équation: $\Delta U_g = mg\Delta y$
• 3.3.A.5 L'énergie potentielle totale d'un système contenant plus de deux objets est la somme de l'énergie potentielle de chaque paire d'objets au sein du système.

Objectif d'apprentissage 3.4.A : Décrire les énergies présentes dans un système.

• 3.4.A.1 Un système composé d'un seul objet ne peut posséder que de l'énergie cinétique.
• 3.4.A.2 Un système contenant des objets qui interagissent via des forces conservatrices ou qui peuvent changer de forme de manière réversible peut posséder à la fois des énergies cinétiques et potentielles.

Objectif d'apprentissage 3.4.B : Décrire le comportement d'un système en utilisant les principes de conservation de l'énergie mécanique.

• 3.4.B.1 L'énergie mécanique est la somme des énergies cinétique et potentielle d'un système.
• 3.4.B.2 Tout changement dans un type d'énergie au sein d'un système doit être compensé par un changement équivalent d'autres types d'énergies au sein du système ou par un transfert d'énergie entre le système et ses environs.
• 3.4.B.3 Un système peut être sélectionné de sorte que l'énergie totale de ce système soit constante.
• 3.4.B.4 Si l'énergie totale d'un système change, ce changement sera équivalent à l'énergie transférée vers ou hors du système.

Objectif d'apprentissage 3.4.C : Décrire comment la sélection d'un système détermine si l'énergie de ce système change.

• 3.4.C.1 L'énergie est conservée dans toutes les interactions.
• 3.4.C.2 Si le travail effectué sur un système sélectionné est nul et qu'il n'y a pas d'interactions non conservatrices au sein du système, l'énergie mécanique totale du système est constante.
• 3.4.C.3 Si le travail effectué sur un système sélectionné est non nul, l'énergie est transférée entre le système et l'environnement.

Énoncé de limite : AP Physics 1 s'attend à ce que les étudiants sachent que l'énergie mécanique peut être dissipée sous forme d'énergie thermique ou sonore par des forces non conservatrices.

Objectif d'apprentissage 3.5.A : Décrire le transfert d'énergie vers, hors ou au sein d'un système en termes de puissance.

• 3.5.A.1 La puissance est le taux auquel l'énergie change par rapport au temps, soit par transfert vers ou hors d'un système, soit par conversion d'un type à un autre au sein d'un système.
• 3.5.A.2 La puissance moyenne est la quantité d'énergie transférée ou convertie, divisée par le temps nécessaire à ce transfert ou à cette conversion.
  • Équation : $P_{\text{avg}} = \dfrac{\Delta E}{\Delta t}$
• 3.5.A.3 Puisque le travail est le changement d'énergie d'un objet ou d'un système dû à une force, la puissance moyenne est le travail total effectué, divisé par le temps pendant lequel ce travail a été effectué.
  • Équation : $P_{\text{avg}} = \dfrac{W}{\Delta t}$
• 3.5.A.4 La puissance instantanée fournie à un objet par la composante d'une force constante parallèle à la vitesse de l'objet peut être décrite par l'équation dérivée.
  • Équation : $P_{\text{inst}} = F_{\parallel}v = Fv\cos\theta$