A.3 · Travail, énergie et puissance

Ce document couvre des sujets sélectionnés du niveau standard pour le cours évalué pour la première fois en 2025 ; il ne constitue pas l'intégralité du programme.

Prérequis : lire les quantités et unités indiquées, puis utiliser l'arithmétique et les conditions du modèle ci-dessous.

Les exemples sont originaux et fictifs : ils ne correspondent ni à de vraies mesures ni à de véritables enquêtes d'étudiants.

Qu'est-ce qui expliquerait cette observation ?

• Un moteur peut transférer une partie de l'énergie d'entrée pour soulever une charge et le reste pour chauffer. Le rendement utile constitue une partie du transfert énergétique total.

Construire le modèle

• Le travail effectué par une force constante parallèle au déplacement est égal à la force multipliée par la distance.
• L'énergie cinétique dépend du carré de la vitesse.
• L'énergie est conservée lorsque tous les transferts et stocks sont pris en compte.
• Puissance : Énergie transférée par unité de temps.
• Rendement : Sortie utile divisée par l'entrée totale.

Choisir des preuves capables de le tester

• Définir le système et la sortie utile avant de calculer le rendement.
• Doubler la vitesse quadruple l'énergie cinétique si la masse reste constante.
• La puissance décrit le transfert par unité de temps, et non l'énergie totale.

En laboratoire : Mesurer une hauteur de levage et la charge, chronométrer la durée du levage, et enregistrer l'apport électrique à l'aide d'instruments appropriés. Répéter les essais et tenir compte de la dissipation thermique ou du frottement comme des transferts, et non comme de l'énergie manquante.

Travailler à partir de quantités connues

• Connu : un appareil reçoit 600 J et transfère utilement 420 J.
• Rendement = sortie utile / entrée totale.
• Rendement = 420/600 = 0.70 = 70%.
• Sur 3 s, la puissance utile = énergie utile / temps = 420/3 = 140 W.

À vous : Un appareil reçoit 250 J et fournit une sortie utile de 150 J. Trouver le rendement en pourcentage.

Vérifier la conclusion et ses limites

• Le rendement ne peut excéder 100% dans le cadre d'un bilan énergétique correctement défini.
• L'énergie dissipée par échauffement est tout aussi conservée.

Faux : L'énergie dissipée est détruite. L'énergie est toujours conservée. « Dissipée » signifie dispersée dans l'environnement sous forme de chaleur, où elle devient difficile à réutiliser — mais n'est jamais détruite.

Clé :

• Le travail effectué par une force constante parallèle au déplacement est égal à la force multipliée par la distance.
• Définir le système et la sortie utile avant de calculer le rendement.
• Surveillez : l'efficacité ne peut excéder 100% pour un bilan énergétique correctement défini.

Écrire à partir d'un rendement de 40 pour cent

• Un dispositif reçoit 300 J et fournit 120 J de sortie utile.
• Trouver le rendement. L'autre énergie est dissipée, non détruite.

Écrire à partir d'une sortie utile de 750 joules

• Une machine reçoit 1,200 J avec une efficacité de 62.5 pour cent.
• Énergie utile = 0.625 × 1,200 = 750 J, dissipée 450 J — l'énergie est comptabilisée, jamais détruite.

Écrire à partir d'une efficacité de 25 pour cent

• Le moteur d'un ascenseur consomme 4,000 J par étage et fournit 1,000 J de travail de levage utile.
• Efficacité = 1,000 ÷ 4,000 = 25 pour cent, et les 3,000 J restants chauffent le moteur et le câble — nommer où ils vont.

Rédiger à partir d'un diagramme de Sankey

• Un diagramme montre 100 J en entrée : une flèche utile de 70 J et une flèche perdue de 30 J.
• Efficacité 70 pour cent — et la LARGEUR de la flèche perdue représente la quantité : un diagramme de Sankey est un bilan énergétique tracé à l'échelle.