Travail, énergie et puissance
| English | Français |
|---|---|
| work done/wɜːk dʌn/ | travail effectué |
| displacement/dɪˈspleɪsmənt/ | déplacement |
| conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ | conservation de l'énergie |
| efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ | efficacité |
| thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ | énergie thermique |
| power/ˈpaʊə/ | puissance |
Tenir un sac ne fait aucun travail
- Tenez un sac lourd immobile et votre bras fatigue — mais en physique, vous ne faites aucun travail.
- Le travail nécessite que la force déplace quelque chose dans sa propre direction.
- Aucun mouvement (ou une force latérale) signifie qu'aucun travail n'est fourni 功.
Travail fourni par une force
- $W = F s \cos\theta$, où $\theta$ est l'angle entre la force et le déplacement 位移.
- Seule la partie de la force dans la direction du mouvement effectue un travail. Unité : $\text{J} = \text{N}\cdot\text{m}$.
Travail, énergie & puissance
PE + CE = constant
Le travail transfère de l'énergie ; alors qu'il tombe, l'énergie potentielle devient énergie cinétique avec le total fixe.
Une force de $10\ \text{N}$ pousse une boîte de $3.0\ \text{m}$ dans la direction de la force. Combien de travail est effectué ?
La force est dans la direction du mouvement ($\theta = 0$), donc $W = Fs = 10 \times 3.0 = 30\ \text{J}$.
Positif, négatif, zéro
- Force dans la direction du mouvement → travail positif (énergie donnée à l'objet).
- Force opposée au mouvement → travail négatif (ex. frottement retire de l'énergie).
- Force à angle droit → travail nul.
Seule la composante F cos(theta) le long du déplacement effectue un travail
Une force agissant à angle droit sur le mouvement effectue combien de travail ?
$W = Fs\cos 90^{\circ} = 0$. La force de contact normale sur une voiture sur une route plate ne fait aucun travail.
La friction sur un objet glissant effectue un travail négatif.
La friction pointe dans la direction opposée au mouvement ($\theta = 180^{\circ}$), donc $W = -Fs$ — elle retire de l'énergie.
Conservation de l'énergie 能量守恒
- L'énergie n'est ni créée ni détruite — elle ne fait que changer de forme ou passer d'un objet à l'autre.
- Dans un système fermé, l'énergie totale reste constante.
Travail positif (force dans la direction du mouvement) et travail négatif (force opposée au mouvement)
L'énergie ne peut être ni créée ni détruite, seulement ____ d'une forme à une autre.
C'est la conservation de l'énergie — le total dans un système fermé reste constant.
Reliez chaque terme à la définition marquée par l'examinateur.
La dernière phrase de la définition du travail est ce qui fait qu'une force à angle droit sur le mouvement ne fait aucun travail du tout.
Rendement 效率
- $\text{efficiency} = \dfrac{\text{useful output}}{\text{total input}} \times 100\%$.
- Il est toujours inférieur à $100\%$ — une partie de l'énergie finit sous forme d'énergie thermique "inutile" 热能.
Le même travail fourni en moins de temps signifie plus de puissance
Flux d'énergie & efficacité
L'énergie d'entrée se divise en travail utile et énergie gaspillée ; l'efficacité = utile ÷ entrée, et utile + gaspillé égale toujours l'entrée.
Une machine reçoit $200\ \text{J}$ et fournit $60\ \text{J}$ d'énergie utile. Quelle est son efficacité (en %) ?
$\dfrac{60}{200} \times 100\% = 30\%$. L'autre $140\ \text{J}$ est gaspillé, principalement sous forme de chaleur.
Puissance 功率
- La puissance est le taux de réalisation du travail : $P = \dfrac{W}{t} = \dfrac{\Delta E}{\Delta t}$.
- Unité : $\text{W} = \dfrac{\text{J}}{\text{s}}$.
Puissance, force et vitesse
- Pour une force $F$ dans la direction du mouvement à une vitesse $v$ : $P = Fv$.
- Une voiture à vitesse constante a besoin de $P = F_{\text{resist}} \times v$ ; soulever une charge à une vitesse $v$ a besoin de $P = mgv$.
Une force $F$ agit sur un objet se déplaçant à une vitesse $v$ dans la direction de la force. La puissance fournie est :
En temps $\Delta t$, le déplacement est $v\Delta t$ et le travail est $Fv\Delta t$ ; en divisant par $\Delta t$, on obtient $P = Fv$.
Exemple résolu : une voiture à vitesse constante
- Une voiture roule à une vitesse constante $25\ \text{m/s}$ contre une force de résistance totale de $600\ \text{N}$. Trouvez la puissance utile fournie par son moteur.
- À vitesse constante, la force résultante est nulle, donc la force motrice est égale à la force de résistance : $F = 600\ \text{N}$.
- $P = Fv = 600 \times 25 = 1.5\times10^{4}\ \text{W} = 15\ \text{kW}$.
- L'étape qui vaut des points consiste à expliquer pourquoi la force motrice est égale à $600\ \text{N}$ : vitesse constante signifie force résultante nulle.
- Si la voiture accélérait, la force motrice serait supérieure à $600\ \text{N}$ et vous ne pourriez pas du tout utiliser la force de résistance dans $P = Fv$.
Pièges qui font perdre des points
- Le rendement est la sortie utile divisée par l'entrée totale. L'entrée est toujours le nombre le plus grand, donc une réponse supérieure à $100\%$ indique que les deux ont été inversés.
- Dans $P = Fv$, $F$ est la force de traction. Elle est égale à la force de résistance uniquement à vitesse constante.
- Utilisez la hauteur verticale dans $mg\Delta h$, jamais la distance le long d'un plan incliné.
- Le travail fourni par une force est la force multipliée par la distance parcourue dans la direction de la force. Une force perpendiculaire au mouvement ne fournit aucun travail.
- Sur un graphique force-allongement, la surface représente l'énergie stockée. La pente est la rigidité, et lire l'un pour l'autre fait perdre toute une question.
Une voiture roule à vitesse constante de 25 m/s contre une force de résistance totale de 600 N. Quelle est la puissance de sortie utile, en kW ?
Vitesse constante signifie force résultante nulle, donc la force motrice est de 600 N et P = Fv = 15 kW. Dire POURQUOI la force motrice est égale à la résistance porte la note.
Dans quels cas une force ne fait-elle aucun travail ? Sélectionnez toutes celles qui s'appliquent.
Les freins font beaucoup de travail, juste du travail négatif. L'orbite est le cas élégant : la gravité est toujours perpendiculaire au mouvement, donc la vitesse du satellite ne change jamais.
Mettez un calcul d'efficacité dans l'ordre.
L'entrée est toujours le nombre le plus grand. Un rendement supérieur à 100 % signifie que les deux ont été inversés, et diviser par l'énergie gaspillée constitue l'autre voie d'erreur fréquente.
Vous avez compris
- travail $W = Fs\cos\theta$ — seule la partie de $F$ dans la direction du mouvement compte
- l'énergie est conservée ; rendement = utile ÷ total (toujours < 100%)
- puissance $P = \dfrac{W}{t} = Fv$