L'énergie : vocabulaire et schématisation

[xavier29]

Bon d'accord, ça me va et c'est effectivement plus clair. Mais maintenant, comment traduire cela en concepts simples à transmettre au niveau du cycle 4? (...)
Que peut-on simplifier sans retomber dans les travers de vocabulaire dénoncés?

Bonne question . Si on est d'accord sur le vocabulaire c'est déjà une très bonne chose. Ci-joint un exemple de répartition des notions sur l'énergie au cycle 4 (extrait d'un document de l'académie de Bordeaux).

Par exemple, comment éviter de parler d'énergie électrique en 5°? Accorde moi le fait que c'est bien pratique pour définir les rôles d'un générateur et d'un récepteurs.

Je propose, tout simplement : "de l'énergie est transférée du générateur au récepteur" ou "le récepteur reçoit de l'énergie du générateur", ça suffit pour faire passer l'idée, pas besoin de préciser .

Par la suite on pourra préciser :
- Le récepteur peut être un convertisseur (exemple : une lampe, un moteur) ou un réservoir (ex : un accumulateur), en tout cas il reçoit l'énergie transférée.
- De même le générateur peut être un réservoir (une source) d'énergie ou un convertisseur (ex : le panneau solaire photovoltaïque, cf schéma ci-dessous), on ne pourra donc pas toujours dire que le générateur perd de l'énergie. Mais on pourra toujours dire que "de l'énergie est transférée du générateur au récepteur".

Diagramme_energie_panneau_PV(1).png

[xavier29]

Doc très intéressante, notamment sur la terminologie "énergie électrique" (septembre 2015) : http://www.udppc.asso.fr/bupdoc/consult ... iche=22075

Travail de recherche pour l'enseignement de l'énergie au cycle 3, avec propositions d'activités : https://dumas.ccsd.cnrs.fr/dumas-00814253/document

[Rubicula]

Le sujet de l'énergie est délicat et fait des débats.
Ce qui me gène dans le fait de distinguer convertisseur et réservoir c'est que l'on croit que ce sont des notions différentes alors que ce sont tous les deux des systèmes.
Un système peut perdre ou gagner de l'énergie sous forme de travail ou de transfert thermique avec d'autres systèmes. Dans un système il peut y avoir des transformations d'énergie et c'est tout ce qu'il faut comprendre à mon sens.

Si je prend un alternateur c'est un système qui reçoit un travail mécanique et fournit un travail électrique et un transfert d'énergie thermique avec l'extérieur. L'alternateur va, dans sa phase transitoire, gagner un peu en énergie thermique car il va légèrement chauffer.

Si c'est l'alternateur de la voiture il peut même avoir son énergie cinétique augmenter (dans le référentiel terrestre) si la voiture accélère. L'alternateur de la voiture aura reçu du travail mécanique dans ce cas. Il en sera de même du système batterie...

Et quid du Soleil? C'est un vrai convertisseur d'énergie de masse en énergie thermique, non? Doit-on le mettre en rond ou en carré. Je serais élève, j'en serai troublé.

[xavier29]

Ce qui me gène dans le fait de distinguer convertisseur et réservoir c'est que l'on croit que ce sont des notions différentes alors que ce sont tous les deux des systèmes.

C'est vrai que j'ai utilisé "réservoir", le terme consacré est plutôt "source". Source et convertisseurs sont des systèmes, pas de doute là dessus, mais pourquoi ne pas les distinguer ? De la même manière marteau et tournevis sont des outils.

Un système peut perdre ou gagner de l'énergie sous forme de travail ou de transfert thermique avec d'autres systèmes. Dans un système il peut y avoir des transformations d'énergie et c'est tout ce qu'il faut comprendre à mon sens.

Le programme demande d'aller plus loin (dès le cycle 3), mais cette simplification me semble tout à fait exacte et pourra être utile pour aider certains élèves.

Si je prend un alternateur c'est un système qui reçoit un travail mécanique et fournit un travail électrique et un transfert d'énergie thermique avec l'extérieur. L'alternateur va, dans sa phase transitoire, gagner un peu en énergie thermique car il va légèrement chauffer.

Effectivement, mais peut-être réserver ce niveau d'analyse au lycée ? Il ne me semble pas utile d'aborder les régimes transitoires au cycle 4, sauf bien sûr si un élève en fait la remarque.
Autre exemple : le panneau solaire chauffe dans la matinée, mais c'est anecdotique, sa fonction principale n'est pas de stocker de l'énergie, mais de convertir.

Si c'est l'alternateur de la voiture il peut même avoir son énergie cinétique augmenter (dans le référentiel terrestre) si la voiture accélère. L'alternateur de la voiture aura reçu du travail mécanique dans ce cas. Il en sera de même du système batterie...

On aurait pu aussi dire que la source d'énergie qu'est le carburant reçoit de l'énergie par travail car il est mis en mouvement.

Mais dans un seul diagramme d'énergie on ne peut pas décrire l'ensemble des échanges d'énergie ayant lieu dans une voiture.

D'où l'importance de la notion de système (on restreint l'étude à certains systèmes) et de préciser dans les diagrammes (dans les rectangles des sources) quelles sont les formes d'énergie prises en compte.
Préciser que c'est l'énergie chimique du carburant qui est étudié ne veut pas dire qu'il n'a pas aussi une énergie cinétique.

Et quid du Soleil? C'est un vrai convertisseur d'énergie de masse en énergie thermique, non ? Doit-on le mettre en rond ou en carré. Je serais élève, j'en serai troublé.

Là aussi il me semble que tout dépend de ce que l'on veut étudier et du niveau de détail souhaité.

Je note que tu as parlé d'énergie de masse, la classerais-tu dans la catégorie des énergies potentielles ?

[Rubicula]

L'énergie de masse n'est pas une énergie potentielle. Elle est plus dans la catégorie des énergies cinétiques pour ma part. L'énergie de masse est intrinsèque a une particule. Si deux particules sont en interaction, l'énergie de masse de l'ensemble est plus faible que la somme des énergie de masse des particules séparées à cause de l'énergie d'interaction entre les deux particules (énergie de liaison ou potentielle)).

[Rubicula]

Voilà j'ai essayé de rassembler plusieurs idées données sur le forum et cela à donner le cours suivant que je vais donner dès la sixième et que je donnerai chaque année en cinquième, quatrième et troisième pour avoir la même cohérence "spiralaire"...

énergie.odt

énergie.pdf

[Spilou]

Merci Rubicula, pour ce beau boulot de synthèse. il n'y a plus qu'à "découper" tout cela et adapter aux différents niveaux de 6 à 3°. Tu nous rends là un fier service , à moi tout du moins.

Juste pour chipoter gentiment , je ne comprends pas la nécessité de préciser que l'énergie "ne se mesure pas, mais se calcule". Si je ne m'abuse, c'est la même chose pour la puissance, la vitesse ou , non? et on ne le précise par pour autant. Certes, on peut bricoler un tachymètre, un "radar" laser, ou un wattmètre... mais à chaque fois, la "mesure affichée" n'est que l'expression d'un calcul de l'appareil.
Dans ton expression, cela donne le sentiment que la "non mesure" est une caractéristique spécifique de l'énergie, mais tout comme le wattmètre, on peut mesurer l'énergie par un "compteur" d'EDF par exemple.

[Rubicula]

Le calcul de l'énergie dépend de la forme de l'énergie. A chaque forme d'énergie on a une formule différente.

exemples:
énergie cinétique de translation = 1/2 * m * v * v
énergie cinétique de rotation = 1/2 * I * vitesse angulaire * vitesse angulaire
énergie potentielle de pesanteur = m*g*h + cte
énergie potentielle élastique = 1/2*k*allongement*allongement + cte
énergie thermique interne = m*Capacité calorifique massique*T
énergie de masse = m*c*c

etc...

C'est pour cela que pour moi l'énergie se calcule plus que cela se mesure...

Par contre,le compteur EDF ne mesure pas une énergie mais un transfert d'énergie, celui du travail électrique reçu.

[Aranel53]

Merci pour ce boulot ! ça fait plaisir de voir qu'on peut arriver à faire émerger des définitions claires, correctes et utilisables en s'y mettant à plusieurs !

Ton bilan va me faire gagner un temps précieux je pense.

[xavier29]

Voilà j'ai essayé de rassembler plusieurs idées données sur le forum et cela à donner le cours suivant que je vais donner dès la sixième et que je donnerai chaque année en cinquième, quatrième et troisième pour avoir la même cohérence "spiralaire"...

Merci pour cette excellente synthèse.

Pour peut-être encore l'améliorer, voici quelques commentaires :

(dans Libre Office, "Outils"->"Numérotation des lignes").

ligne 18- "Dans un objet on peut avoir des transformations d'énergie."
-> Juste avant on a parlé de "conversion" et de "transfert". Est-ce qu'introduire le terme "transformation" ne va pas être source de confusion ? Mieux vaut peut-être rester sur le terme "conversion".

ligne 49- "L'énergie potentielle est une énergie qui peut se libérer."
-> Est-ce nécessaire d'introduire cette terminologie ? J'imagine le questionnement de l'élève, "libérer" c'est quoi : une "conversion", un "transfert", quelque chose d'encore différent ?

ligne 50 et 55- "l'énergie chimique interne" et "l'énergie thermique interne"
-> Pourquoi "interne" ?
L'énergie interne d'un système U est la somme de son énergie chimique et son énergie thermique : je ne vois pas trop l'intérêt de préciser énergie chimie "interne".

ligne 66- "Le travail électrique est le transfert d'énergie sous forme électrique "
ligne 73- "Le transfert thermique est le transfert d'énergie thermique entre deux matériaux"
-> Il me semble utile de dissocier forme d'énergie et mode de transfert. Ce sont deux choses différentes : un transfert mécanique (travail) n'entraine pas nécessairement une variation d'énergie mécanique pour le système qui reçoit cette énergie, si ? Exemple : un gamin qui s'arrête en faisant une glissade. Son énergie cinétique retombe à zéro, il a cédé de l'énergie au sol par travail des forces de frottement, l'énergie thermique du sol a augmenté.
Commentaires à postériori sur mon interprétation de cet exemple :
- peut-on considérer l'élève comme un convertisseur d'énergie ? Il convertit son énergie cinétique en énergie thermique qui est transférée au sol par transfert thermique ? Mais ça me parait tiré par les cheveux .
- on peut aussi considérer que l'énergie cinétique du sol (de la planète) varie, c'est imperceptible, mais effectif.

ligne 110- "Il y a par contre une transformation d'énergie dans l'objet."
-> Jusqu'à maintenant on parlait de conversion d'énergie, peut-être veut-il mieux dire "conversion d'énergie dans l'objet" ?

ligne 128- "Une partie de son énergie cinétique s'est transformée en énergie thermique"
-> "Convertie" ?

ligne 129-130 : "une autre partie de cette énergie s'est dissipée sous forme de transfert thermique"
-> J'aurai dit : "une autre partie de cette énergie est cédée par transfert thermique"

Le diagramme ligne 135 (deuxième exemple, freinage d'une voiture), j'aurai plutôt fait ça.
Oui l'énergie thermique de la voiture varie aussi, mais pour moi un diagramme n'a pas vocation à décrire les variations de chaque forme d'énergie d'un système. Ce sera forcément une description partielle de cas.

frottement.png

ligne 145- "Un moteur électrique monte un objet à l'aide d'un cable. Le moteur électrique reçoit un travail électrique de la part d'une pile. Le moteur électrique transforme l'énergie de forme électrique en forme mécanique. "
-> Les termes soulignés confondent les notions je trouve, j'aurai plutôt dit :
"Un moteur électrique monte un objet à l'aide d'un câble. Le moteur électrique reçoit de l'énergie de la pile, par travail électrique. Le moteur électrique convertit ce travail électrique en travail mécanique et en transfert thermique."

Note :
Je pense qu'il faut parler de la chaleur, pour clarifier et expliquer les confusions possibles.
"chaleur c'est un mot ayant plusieurs sens, en science la chaleur est une forme de transfert d'énergie, c'est la même chose que le transfert thermique. Exemple : "De l'énergie est transférée d'un corps chaud à un corps froid par chaleur"."