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TP 19 Autour de l’énergie
Objectifs : Exploiter un enregistrement vidéo pour étudier l’énergie d’un système mécanique. Appréhender les notions d’énergie
cinétique, d’énergie potentielle de pesanteur et d’énergie mécanique.
I. L’énergie d’un système en mécanique
Tout système ponctuel en mouvement dans le référentiel terrestre du laboratoire possède une énergie cinétique,
c’est-à-dire liée à sa vitesse. Dans le cas des systèmes étendus, on utilise l’énergie cinétique de son centre de gravité
G. L’énergie cinétique d’un système de masse m animé d’une vitesse v dans le référentiel choisi est donnée par :
1
Ecin  mv 2
2
Tout système soumis à son poids possède une énergie potentielle de pesanteur. C’est l’énergie liée à l’altitude du
centre de gravité de l’objet. Tout objet de masse m élevé à l’altitude z a pour énergie potentielle de pesanteur :
E pp  mgz
où l’altitude z est mesurée sur un axe vertical vers le haut. L’origine de l’axe z=0 peut être choisie pour chaque
étude. g désigne l’attraction de la pesanteur, g = 9,81 N/kg.
Enfin, on appelle énergie mécanique du système la somme de ses énergies cinétique et potentielle de pesanteur :
Em  Ecin  E pp
a. Ouvrir le logiciel Aviméca puis cliquer sur
pour charger la vidéo « pétanque.avi »
b. Cliquer sur
puis OK pour adapter le clip vidéo à la taille de l’écran
c. Cliquer sur
pour afficher la mire.
d. Cliquer sur
pétanque quitte la main qui la lance.
pour faire défiler l’origine des temps à la date où la balle de
e. Dans les onglets en haut à droite, cliquer sur
de pétanque pour fixer l’origine du repère d’espace.
f. Cliquer sur
puis sélectionner
: cliquer dans la vidéo sur la balle
et fixer le premier point de l’échelle en haut de la baie vitrée ; puis cliquer sur
et fixer le second point en bas de la baie vitrée : indiquer ensuite ici
la réalité.
qu’elle mesure 2,0 m dans
g. Dans les onglets, cliquer sur
.
h. Sur chaque image qui défile de la vidéo, cliquer sur la boule de pétanque pour échantillonner sa trajectoire.
i. Après avoir parcouru toute la trajectoire, cliquer dans le ruban supérieur sur
puis OK pour copier les données.
j. Ouvrir le logiciel Régressi et charger les données avec « Fichier > Nouveau > Presse-papier ».
k. Dans le cadre de droite, cliquer sur l’onglet « Tableau » puis sur
l. Indiquer qu’on crée la vitesse horizontale de la boule, nommée Vx en m/s. Choisir « Dérivée » et dans la formule,
conserver dx/dt.
m. Procéder de même pour créer la vitesse verticale Vy et dans la formule, faire défiler pour retenir dy/dt.
n. La boule de pétanque pesant 500g, créer ensuite les grandeurs calculées Ecin, Epp et Em.
o. Dans le graphique, cliquer sur
et faire afficher les trois énergies sur le même graphique.
1. À quoi servent les étapes b et c d’une part et e et f d’autre part ?
2. On appelle « chute libre » le mouvement d’un corps soumis à son poids uniquement. Quelle(s) phase(s) du
mouvement étudié sont des chutes libres ? La boule est si dense qu’on négligera les frottements et la poussée
d’Archimède.
3. Recopier l’allure du graphique et expliquer les sens de variation de Ecin et Epp en découpant l’étude en deux
phases.
4. Au cours d’une chute libre, l’énergie mécanique se conserve. Est-ce le cas ici, aux erreurs expérimentales près ?
Quelle serait la nature de ces erreurs ? Comment améliorer l’étude ?
II. Comprendre les neutrinos
Dans un dictionnaire de physique, au mot neutrino, on lit le texte suivant :
« [Notée  ,] particule élémentaire de charge électrique nulle, sensible à l’interaction faible. L’existence du neutrino a
été suggérée pour la première fois par Wolfgang Pauli (1900-1958), pour satisfaire la conservation de l’énergie dans
les désintégrations bêta, et le nom fut proposé par Enrico Fermi (1901-1954) trois ans plus tard. La première
observation de neutrino en 1956 est due à Frederick Reines (1918-1998) et Clyde Cowan (1919-1974). On sait depuis
la fin des années 1990 que les neutrinos ont une masse non nulle. Ils interagissent extrêmement peu avec la matière,
ce qui d’une part rend leur détection délicate, et d’autre part leur permet de traverser l’épaisseur du Soleil sans
difficulté et de fournir des informations sur les phénomènes physiques ayant lieu au cœur du Soleil ».
Extrait du dictionnaire de physique, des éditions De Boeck
1. Que
signifie
l’expression
« particule
élémentaire » ? Citez une autre particule
élémentaire.
2. Pour comprendre la démarche de Pauli, cidessous, on donne le spectre continu d’énergie
cinétique des électrons émis lors de désintégrations
β du noyau radioactif de bismuth 210. La quantité
N(E), reportée sur l’axe des ordonnées, à un facteur
multiplicatif près, est le nombre d’électrons ayant
l’énergie cinétique E. Quelle est l’énergie du plus
grand nombre d’électrons ? Combien d’électrons
ont une énergie de 12.105 eV ?
L’axe des abscisses est en 105 eV
Extrait de l’article original rédigé par G. J. Neary
datant de 1940
3. Le bismuth 210 (Z=83) se désintègre en polonium
210 (Z=84). L’atome de polonium produit est au repos. Donner l’équation de la réaction puis calculer l’énergie
libérée par désintégration.
Données : m(210Bi) = 209,9386 u ; m(210Po) = 209,9368 u ; m(e-) = 5,49.10-4 u ; 1 u = 1,66054.10-27 kg et
c = 3,0.108 m/s.
4. En ignorant l’existence des neutrinos, on peut penser que cette énergie libérée est conservée par les électrons
sous forme d’énergie cinétique : tracer sous forme de barre verticale l’énergie attendue sur la figure du dessus.
5. En comparant les énergies obtenues dans l’expérience et celle attendue par le calcul, que peut-on dire de
l’énergie cinétique des électrons ? L’énergie est-elle conservée ?
6. Expliquer alors en quoi l’existence supposée d’une particule non détectée émise simultanément avec l’électron
préserve le principe fondamental de conservation de l’énergie.
7. Que dire de la charge de cette nouvelle particule ? Indice : lois de Soddy.
8. Réécrire l’équation complète de la désintégration du bismuth 210. (En réalité, on capte un anti-neutrino).