Les formes de l'énergie

Comment aborder la notion de l’énergie, par le biais l'expérimentation et le questionnement, avec du matériel de la vie quotidienne, autrement que par le biais de l'électricité ?

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Déroulé

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En physique, les formes d'énergie classiquement considérées sont https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89nergie_(physique))

énergie cinétique : l'énergie associée au mouvement d'un corps ou d'une particule ; cela comprend également l'énergie électromagnétique transportée par les photons (lumière, ondes radio, rayons X et γ…) ou par des particules chargées (énergie électrique) ;
énergie thermique : l'énergie cinétique qui correspond aux mouvements des particules dans le système ;
énergies potentielles, composées d'autres types d'énergie : moyennant un petit changement, possible sans travail, un système instable se transforme en un système plus stable, avec conversion de la différence d'énergie entre les deux systèmes (le plus stable ayant une énergie moindre),
- énergie potentielle élastique ;
- énergie potentielle chimique,
- énergie potentielle gravitationnelle,
- énergie potentielle électromagnétique (énergie potentielle électrostatique ou magnétostatique): position instable d'une ou plusieurs particule(s) chargée(s) dans un champ électromagnétique, par exemple l'énergie stockée dans un condensateur ou dans une bobine électrique,
- chaleur latente,
- énergie libre.

L'idée de ce parcours pédagogique est de repenser les expériences classiques de petits débrouillards afin d'illustrer ces différentes formes d'énergies et leurs passages de l'une à l'autre.

L’énergie cinétique et énergie électromagnétique

L’énergie cinétique représente l’énergie d’un corps (objet) ou d’une particule en mouvement. Pour ces dernières, on parle alors d’énergie Électromagnétique.

Une des illustrations qui peut être faites de l’énergie cinétique est celle d’une boule de billard qui heurte une seconde qui est immobile. Une parie de l’énergie cinétique de la première est transmise à la seconde qui se met en mouvement !

(source : mevans via iStockphoto). L’énergie électromagnétique est le résultat du mouvement des particules. L’illustration la plus simple est celle de la chaleur du soleil qui réchauffe notre peau. Cela correspond à l’énergie électromagnétique qui est portée par le mouvement des photons (grain de lumière) qui viennent du soleil. Cette énergie est absorbée par notre peau et transformée en chaleur soit en énergie thermique.

Voici les différentes expériences des petits débrouillards permettant d'éclairer l'énergie cinétique :

Des cratères d'énergie, qui permet de mettre en évidence que le mouvement est bien lié à une forme d’énergie, ici notamment lié à la masse des objet ou la à la hauteur de chute ;
Catapulte à Elastique pour laquelle le mécanisme vise à accumuler de l’énergie, énergie qui va servir à donner du mouvement au projectif. Il s'agit donc d'un dispositif à produire de l'énergie cinétique ;
Création d'une voiture à propulsion élastique. Comme pour la catapulte, le mécanisme présent dans la voiture va servir à donner du mouvement au véhicule et donc à produire de l'énergie cinétique.

Pour aller plus loin :

Dans l'expérience Des cratères d'énergie, de l'énergie potentielle gravitationnelle est transformée en énergie cinétique lorsque l'objet est lâché. Lorsque l'objet heurte la farine, cette énergie est transmise en partie à la farine, qui va se mettre en mouvement et en d'autre forme d’énergie (chaleur, notamment lors de l'impact, et donc en partie en énergie thermique et en son, donc dans une autre forme d’énergie cinétique [à confirmer].
Dans les expériences Catapulte à Elastique et Création d'une voiture à propulsion élastique, il s'agit d’énergie potentiel élastique qui est transformée en énergie cinétique.

Illustration vidéo : https://www.youtube.com/watch?v=sOjrSN2EwV8

Voici les différentes expériences des petits débrouillards permettant d'éclairer l'énergie électromagnétique :

Eau électrostatique

Énergie thermique

Dans notre vie quotidienne nous parlons de chaleur ou de température. En sciences, le terme qui est utilisé est celui d’énergie thermique.

L’énergie thermique est une agitation de la matière au niveau microscopique. Plus la chaleur est importante, plus l’énergie thermique est importante, plus la matière s’agite et bouge dans tous les sens.

Nous utilisons cette forme d’énergie pour de nombreuses choses :
Transformer la matière pour la rendre plus appétissante, c’est la cuisson ;
Produire de l’électricité dans les centrales thermiques (comme les centrales nucléaires) ;
Chauffer nos maisons et nos appartements...

L’énergie potentielle gravitationnelle

Sur notre planète, l’énergie potentielle gravitationnelle est l’énergie potentielle que possède un corps (objet) en fonction de sa hauteur par rapport à un point bas.

Par exemple, un cycliste en haut d’une forte pente n’a pas besoin de pédaler pour la descendre. C’est l’attraction terrestre et donc l’énergie gravitationnelle qui permet le mouvement du cycliste.

On parle d’énergie potentielle parce que tous les corps (objets) présent sur notre planète sont attirés vers le centre de la terre, mais n’ont pas forcément la possibilité de se déplacer : par exemple, une voiture est attirée vers le centre de la terre mais son mouvement est empêché par le sol.

Longtemps, les horloges ont fonctionné par un poids qui entraînait lentement des engrenages en descendant vers le bas. L’énergie gravitationnelle possédée par le poids était transformée en mouvement des engrenages des horloges !

L’énergie chimique

L’énergie chimique est l’énergie qui est contenue dans la matière.

Elle peut être émise lors d’une réaction chimique, comme par exemple l’énergie thermique (chaleur) qui est émise lors de la combustion (feu), ou alors encore consommée dans certaine réaction comme par exemple la cuisson du sucre qui va devenir un délicieux caramel.

Nous utilisons cette forme d’énergie pour de nombreuses choses :

La production d’électricité par les piles électriques ;

L’utilisation de pétrole pour faire avancer les voitures ;

Dans notre corps, l’énergie chimique nous permet de bouger nos muscles et donc notre corps, nos poumons, notre cœur..