Énergie potentielle et mécanique : exercices de physique-chimie première – PDF gratuit à télécharger et imprimer

1. Donne l’expression de l’énergie potentielle de pesanteur et précise l’unité de chaque grandeur.
2. Quelle convention d’axe est utilisée pour z ?
3. Définis l’énergie mécanique d’un système.
4. Dans quelles conditions l’énergie mécanique se conserve-t-elle ?
5. Qu’appelle-t-on force conservative ? Cite un exemple et un contre-exemple.

Dis si chaque affirmation est vraie ou fausse, et justifie.

a. L’énergie potentielle de pesanteur dépend du choix de l’origine des altitudes.
b. L’énergie potentielle de pesanteur d’un objet est toujours positive.
c. La variation ΔE_pp entre deux points ne dépend pas de l’origine choisie.
d. Le travail du poids dépend du chemin suivi entre A et B.
e. Avec des frottements, l’énergie mécanique d’un système augmente.
f. Lors d’une chute libre, l’énergie cinétique augmente de ce que l’énergie potentielle perd.

Un objet de masse m = 0,80 kg est repéré sur un axe vertical orienté vers le haut. L’origine est le sol.

1. Calcule E_pp à l’altitude z = 2,5 m.
2. Calcule E_pp quand l’objet est au fond d’un puits, à z = −1,2 m. Interprète le signe.
3. Quelle masse faut-il pour avoir E_pp = 12 J à z = 4,0 m ?

Un objet de masse 1,5 kg est posé sur une étagère située à 1,80 m du sol. Une table voisine mesure 0,75 m de haut. Deux élèves étudient la chute de l’objet de l’étagère jusqu’à la table. Léa prend l’origine des altitudes au sol, Karim la prend au niveau de la table.

1. Calcule l’énergie potentielle de l’objet sur l’étagère pour Léa.
2. Calcule-la pour Karim.
3. Calcule ΔE_pp entre l’étagère et la table pour chacun des deux élèves.
4. Que conclure sur le rôle de l’origine ?

Un sac de masse 4,0 kg est monté d’un point A d’altitude 2,0 m à un point B d’altitude 5,0 m.

1. Calcule le travail du poids de A vers B. Quel est son signe et pourquoi ?
2. Calcule ΔE_pp entre A et B et compare avec la question 1.
3. Le sac est ensuite redescendu de B à A. Donne le travail du poids sur l’aller-retour complet. Que peut-on dire du poids ?

Une pomme de 0,15 kg se détache d’une branche située à 4,0 m du sol. On néglige les frottements et on prend l’origine des altitudes au sol.

1. Calcule l’énergie mécanique de la pomme au moment où elle se détache.
2. En déduire son énergie cinétique à l’arrivée au sol, puis sa vitesse.
3. Une pomme deux fois plus lourde tombe de la même branche. Sa vitesse au sol est-elle différente ? Justifie.

Un skateur de masse 60 kg part sans vitesse du point A, en haut d’un demi-tube. On néglige tous les frottements. L’origine des altitudes est le point B, le plus bas.

1. Calcule l’énergie mécanique du skateur.
2. Calcule sa vitesse en B.
3. Calcule sa vitesse puis son énergie cinétique en C.
4. Jusqu’à quelle altitude monterait-il sur l’autre bord ?
5. Que se passerait-il en réalité avec des frottements ?

Une bille de masse 0,40 kg est abandonnée sans vitesse sur un rail lisse. L’histogramme donne ses énergies en trois positions A, B et C (origine des altitudes au niveau du rail le plus bas).

1. Relève E_c, E_pp et E_m pour chaque position.
2. Que remarques-tu pour E_m ? Qu’en déduis-tu sur les forces ?
3. Calcule l’altitude de la bille en A et en C.
4. Calcule sa vitesse en C.

Une caisse de 15 kg glisse sur une pente de longueur 5,0 m dont le haut est à 2,0 m au-dessus du bas. Elle part du repos et atteint le bas à la vitesse de 3,0 m/s.

1. Calcule l’énergie mécanique de la caisse en haut, puis en bas (origine au bas de la pente).
2. En déduis le travail des forces de frottement.
3. Calcule la valeur moyenne de la force de frottement, supposée constante et parallèle à la pente.
4. Quelle fraction de l’énergie mécanique initiale a été perdue ?

Une balle de tennis de masse 0,060 kg est lancée verticalement depuis le sol à la vitesse 12 m/s. On néglige les frottements.

1. Calcule l’énergie mécanique de la balle.
2. Détermine l’altitude maximale atteinte.
3. Calcule la vitesse de la balle à l’altitude 3,0 m.

Une balle de masse m est lancée verticalement vers le haut. Le graphique représente les énergies en fonction de l’altitude z. On néglige les frottements.

1. Identifie chacune des courbes 1, 2 et 3 (E_c, E_pp ou E_m) en justifiant.
2. Lis la valeur de l’énergie mécanique et l’altitude maximale atteinte.
3. Détermine la masse de la balle à partir de la pente de la courbe de E_pp.
4. Calcule la vitesse de la balle à l’altitude 1,0 m.

Une bille accrochée à un fil de longueur L = 1,20 m est lâchée sans vitesse quand le fil fait un angle de 60° avec la verticale. On néglige les frottements.

1. Exprime h en fonction de L et de l’angle, puis calcule-la.
2. Pourquoi la tension du fil ne modifie-t-elle pas l’énergie mécanique ?
3. Calcule la vitesse de la bille quand elle passe par le point le plus bas.
4. Calcule sa vitesse quand le fil fait un angle de 30° avec la verticale.

Un wagon de masse 500 kg part sans vitesse du sommet d’une première bosse, à l’altitude 30 m. Il aborde une deuxième bosse dont le sommet est à 20 m. Origine des altitudes au sol.

1. Sans frottements, quelle serait sa vitesse au sommet de la deuxième bosse ?
2. En réalité, on mesure 12,0 m/s. Calcule l’énergie mécanique du wagon au départ puis au sommet de la deuxième bosse.
3. Quelle énergie a été dissipée ? Quel pourcentage de l’énergie initiale représente-t-elle ?

Un parachutiste de masse 80 kg (équipement compris) descend à vitesse constante de 5,0 m/s entre les altitudes 1 000 m et 800 m.

1. Calcule la variation d’énergie cinétique, puis la variation d’énergie potentielle.
2. En déduis la variation d’énergie mécanique et le travail des forces de frottement.
3. Calcule la valeur moyenne de la force de frottement et compare-la au poids. Est-ce cohérent ?

Un cycliste (masse totale 80 kg) monte une côte de l’altitude 120 m à l’altitude 180 m à vitesse constante, en 10 min. On néglige les frottements.

1. Calcule la variation d’énergie potentielle.
2. Que vaut la variation d’énergie cinétique ? Quel est donc le travail fourni par le cycliste ?
3. Calcule la puissance mécanique moyenne qu’il développe.
4. Son corps ne convertit que 25 % de l’énergie chimique en travail mécanique. Quelle puissance chimique mobilise-t-il ?

Une station de transfert d’énergie par pompage remonte l’eau d’un lac inférieur vers un lac supérieur situé 100 m plus haut, aux heures creuses. Le volume d’eau déplacé est de 1,0 × 10⁶ m³ (masse volumique 1 000 kg/m³). Données : 1 kWh = 3,6 × 10⁶ J.

1. Calcule la masse d’eau stockée en haut.
2. Calcule l’énergie potentielle gagnée, en joules puis en kWh.
3. À la restitution, la station récupère 75 % de cette énergie. Calcule l’énergie restituée.
4. Un foyer consomme en moyenne 14 kWh par jour. Combien de foyers cette énergie alimente-t-elle pendant un jour ?

Une bille est abandonnée sans vitesse depuis une hauteur h sur une glissière, et l’on mesure sa vitesse v en bas.

1. Calcule v² puis 2 g h pour chaque hauteur.
2. Calcule le rapport v² ÷ (2 g h). Que vaudrait-il si l’énergie mécanique se conservait ?
3. Conclus. Quel pourcentage de l’énergie initiale est perdu en moyenne ?
4. Propose deux causes possibles de cette perte.

Une balle de masse 0,050 kg est lâchée sans vitesse d’une hauteur de 1,50 m. Elle rebondit sur le sol et remonte à 1,05 m.

1. Calcule l’énergie mécanique de la balle avant la chute puis au sommet du rebond.
2. Calcule l’énergie perdue, en joules et en pourcentage.
3. Calcule les vitesses juste avant et juste après le choc.
4. Si chaque rebond conserve la même fraction de l’énergie, à quelle hauteur monte la balle après le deuxième rebond ?

Un skieur de masse 75 kg part du repos en haut d’une piste de longueur 400 m et de dénivelé 80 m. Il arrive en bas à la vitesse de 20 m/s.

1. Quelle vitesse atteindrait-il en bas sans aucun frottement ? Convertis en km/h.
2. Calcule le travail des forces de frottement sur la descente.
3. Calcule la force de frottement moyenne, supposée constante et parallèle à la piste.
4. Quelle part de l’énergie initiale est dissipée ?

Un perchiste de masse 70 kg prend son élan et arrive à 9,0 m/s au moment de planter sa perche. Son centre de gravité est alors à 1,0 m du sol. Dans un modèle simple, toute son énergie cinétique serait convertie en énergie potentielle de pesanteur au sommet, où sa vitesse est nulle.

1. Calcule l’altitude maximale que pourrait atteindre son centre de gravité dans ce modèle.
2. Les athlètes de haut niveau franchissent des barres situées à des hauteurs voisines ou supérieures à 6 m. Que cela suggère-t-il sur le modèle ?
3. Propose deux sources d’énergie supplémentaires qui expliquent l’écart. Pourquoi la perche est-elle un atout ?