Remarques Le texte de Feynman présenté dans ce document est une combinaison de deux versions disponibles… Auteur








télécharger 75.32 Kb.
titreRemarques Le texte de Feynman présenté dans ce document est une combinaison de deux versions disponibles… Auteur
date de publication19.01.2018
taille75.32 Kb.
typeDocumentos
c.21-bal.com > documents > Documentos
FICHE 1

PRÉSENTATION


Titre

Conservation de l’énergie totale d’un système isolé

Type d'activité

Activité documentaire

Objectifs de l’activité

Aborder la notion de la conservation de l’énergie via une analogie.

Références par rapport au programme

Cette activité illustre le thème « Comprendre ; Lois et modèles »
et le sous thème « Formes et principe de conservation de l’énergie »
en classe de Première Scientifique





Notions et contenus

Principe de conservation de l’énergie



Compétences attendues

Analyse d’un document

Saisir le but d’une analogie

Traduire un texte en anglais


Conditions de mise en œuvre

Prérequis : les différentes formes d’énergie

Durée : 1H 30 à 2H

Contraintes matérielles : aucune

Remarques



Le texte de Feynman présenté dans ce document est une combinaison de deux versions disponibles…

Auteur


ABD-EL-KADER Françoise

TEYSSIER Sébastien

Académie de LYON



FICHE 2

Conservation de l’energie totale d’un système isolé
FICHE 3
Fiche pour le professeur


Conservation de l’energie totale d’un système isolé

Objectifs : à l’aide d’une situation concrète que les élèves ont déjà abordée dans le chapitre précédent, on rappelle que l’énergie d’un système peut prendre plusieurs formes.

On montre ensuite que la conservation ou non de l’énergie d’un système dépend directement du choix qui a été effectué pour définir ce système. On présente ensuite l’analogie présentée dans le texte de Feynman pour vérifier la bonne compréhension du principe par les élèves.

Activité 1 Les montagnes russes.




g = 10 N/kg


A




h = 50 m



B


Sur des montagnes russes, un wagon est tracté jusqu’au point A où il est abandonné sans vitesse initiale. Sa vitesse au point B est de 31,6 m.s-1


  1. On considère dans un premier temps que le système {wagon+passager} (de masse 300kg) roule sans frottements.




  1. Quelles sont les différentes formes d’énergie du wagon qui varient au cours du mouvement ? Justifier.

L’énergie cinétique Ec = ½.m.v2 varie puisque la vitesse est passée de 0 à 31,6 m.s-1. L’énergie potentielle Ep = m.g.z varie également puisque l’altitude du wagon évolue au cours du mouvement (variation de 50 m).

  1. Quelle(s) autre(s) formes d’énergie le système possède-t-il ?

Le wagon possède aussi une certaine énergie interne U (comprenant l’énergie thermique du fait de la température non nulle du wagon).

  1. L’énergie totale du système est-elle conservée ? Justifier par un calcul.

Lors de ce mouvement, l’énergie potentielle initiale est transformée totalement en énergie cinétique. Vérifions-le par le calcul : EpA = m.g.zA = 300 kg x 10 N/kg x 50 m = 1,5.105 J ; d’autre part : ECB = ½.m.vB2 = ½ x 300 x 31,62 = 1,5.105 J. Par conséquent, l’intégralité de l’énergie potentielle s’est transformée en énergie cinétique. L’énergie interne du système restant constante (aucun frottements = pas de dissipation d’énergie thermique), l’énergie totale est donc conservée.

  1. Cette fois, le système {wagon+passager} frotte sur les rails. La vitesse du wagon au point B est alors VB = 25 m.s-1

  1. Quelles sont les différentes formes d’énergie du wagon qui varient au cours du mouvement ?

On retrouve les mêmes formes d’énergie que précédemment.

  1. Dans ce cas, l’énergie totale du système est-elle conservée ? Justifier par un calcul.

L’énergie totale n’est plus conservée (EpA = 1,5.105 J et ECB = 0,94.105 J )  . Une partie est dissipée irréversiblement sous forme d’énergie thermique dans les rails…

  1. On choisit maintenant de définir le système par l’ensemble {wagon + passager + rails}. Que pouvez-vous dire de la conservation de l’énergie de ce nouveau système sur une courte durée ?

Si on ne laisse pas au système le temps de se refroidir, son énergie totale est conservée…
On appelle système isolé, un système qui n’échange pas d’énergie avec l’extérieur. L’énergie totale d’un système isolé se conserve.
Activité 2 Une analogie : Denis la Menace et ses cubes.
Présentation de l’auteur du texte : Richard FEYNMAN (1918-1988).




Prix Nobel pour ses travaux sur la description et le calcul des interactions entre particules, Richard Feynman était un génie. Théoricien de la physique quantique, enfant terrible du projet Manhattan, critique acerbe de la commission d’enquête sur la navette spatiale américaine, il a profondément marqué la physique moderne.
Le texte qui suit est extrait du fameux cours de Physique (Mécanique Tome 1) de Richard Feynman. La première partie du document est en version originale.
Première partie : « the law is called the conservation of energy ».
“There is a fact, or if you wish, a law, governing all natural phenomena that are known to date. There is no known exception to this law—it is exact so far as we know. The law is called the conservation of energy. It states that there is a certain quantity, which we call energy, that does not change in the manifold(1) changes which nature undergoes(2). That is a most abstract idea, because it is a mathematical principle; it says that there is a numerical quantity which does not change when something happens. It is not a description of a mechanism, or anything concrete; it is just a strange fact that we can calculate some number and when we finish watching nature go through her tricks and calculate the number again, it is the same. (Something like the bishop(3) on a white square, and after a number of moves—details unknown—it is still on some white square. It is a law of this nature.) Since it is an abstract idea, we shall illustrate the meaning of it by an analogy.”
(1) manifold : divers

(2) undergo : subir

(3) bishop : le fou aux échecs

Questions :


  1. Qu’est-ce qu’une loi de conservation ?

Une loi de conservation explique qu’une certaine quantité ne change pas lors des divers changements que peut subir un système.

  1. Que veut montrer Feynman en prenant l’exemple du fou aux échecs ?

Aux échecs, le fou reste en permanence sur les cases blanches (par ex) quelque soit ses déplacements ; ce qui peut être traduit par le fait que l’énergie se conserve sans qu’on ait à se préoccuper des étapes et des mécanismes qui ont cours lors de l’évolution du système : seuls les états initial et final sont à prendre en compte…

  1. Qu’est-ce qu’une analogie ?

Une analogie est un rapport réalisé entre deux situations différentes (parce qu’elles appartiennent à des contextes différents ou parce qu’elles ne concernent pas les mêmes domaines) qui sont pourtant semblables par leur « mécanisme ».

Deuxième partie : « Denis la Menace ».
« Imaginons un enfant, par exemple « Denis la Menace », qui possède des cubes absolument indestructibles, et qui ne peuvent être divisés en morceaux. Tous les cubes sont identiques. Supposons qu’il ait 28 cubes. Sa mère le met dans une chambre au début de la journée avec ses 28 cubes. A la fin de la journée, étant curieuse, elle compte les cubes avec attention et découvre une loi phénoménale – quoiqu’il fasse avec ses cubes, il en reste toujours 28 ! Ceci se répète plusieurs jours durant, jusqu’au jour où il n’y a que 27 cubes, mais un peu de recherche montre qu’il y en a un sous le tapis- elle doit regarder partout pour s’assurer que le nombre de cubes n’a pas changé. Un jour, cependant, le nombre semble changer – il n’y a que 26 cubes. Une recherche attentive montre que la fenêtre était ouverte, et en regardant dehors, elle retrouve les deux autres cubes. Un autre jour, un compte précis indique qu’il y en a 30 ! Ceci lui causa une consternation considérable, jusqu’au moment ou elle réalisa que Bruce était venu en visite, amenant ses cubes avec lui, et qu’il en laissa quelques-uns à la maison de Denis. Après s’être débarrassée de ces cubes supplémentaires, elle ferme la fenêtre, ne laisse pas rentrer Bruce et tout, alors, se passe bien, jusqu’au moment où recomptant elle ne trouve que 25 cubes. Néanmoins, il y a une boîte dans la chambre, une boîte de jouets, et la mère essaye d’ouvrir la boite, mais le garçon dit : « Non, n’ouvre pas cette boite à jouets »,et se met à crier. La mère n’a pas le droit d’ouvrir la boite à jouets. Etant extrêmement curieuse et quelque peu ingénieuse, elle invente un stratagème ! Elle sait qu’un cube pèse cent grammes, aussi pèse-t-elle la boîte au moment où elle voit 28 cubes, et elle trouve 500 grammes. A la vérification suivante, elle repèse la boîte, soustrait 500 grammes et divise par 100. Elle découvre la chose suivante :

Nombre de

cubes observés

+
= constante

Puis de nouvelles déviations apparaissent, mais une étude précise indique que le niveau de l’eau sale de la baignoire s’est modifié. L’enfant jette les cubes dans l’eau, et elle ne peut les voir parce que cette eau est trop sale, mais elle peut savoir combien de cubes se trouvent dans l’eau, en ajoutant un autre terme à sa formule. Puisque la hauteur initiale de l’eau était de 15 centimètres, et que chaque cube élève le niveau d’un demi-centimètre, cette nouvelle formule sera :


Nombre de

cubes observés

+


+

= constante
A mesure que l’ingéniosité de l’enfant se développe, celle de la mère en fait autant, et on ajoute de plus en plus de termes, qui représentent des cubes, mais qui du point de vue des mathématiques ne sont que des calculs abstraits, puisque les cubes restent invisibles. Je voudrais maintenant établir mon analogie, et vous expliquer les ressemblances et les différences entre cet exemple et la conservation de l’énergie. Supposons d’abord que dans aucun des cas la mère n’ait vue de cubes. Le terme nombre de cubes visibles n’apparaît jamais. La mère, alors, serait toujours en train de calculer un tas de termes tels que « cubes dans la boîte » « cubes dans l’eau », etc. Pour l’énergie, cette différence existe, il n’y a pas de cubes, pour autant qu’on puisse dire. De plus, contrairement à l’exemple des cubes, en ce qui concerne l’énergie, les nombres qu’on obtient ne sont pas des nombres entiers. Je suppose qu’il pourrait arriver à cette pauvre mère, lorsqu’elle calcule un terme, d’obtenir 6 cubes 1/8, pour un autre terme 8 de cube, et pour les autres 21, ce qui fait encore un total de 28. Voilà à quoi ressemble la conservation de l’énergie. »
Richard Feynman  ; Mécanique Tome 1 (Dunod) – La Nature de la Physique (Points)
Questions :


  1. Dans le texte, qu’est-ce qui est censé se conserver au cours du temps ? Décrire les situations du texte ou cette conservation est, en apparence, brisée ? Reformuler l’idée présentée par Feynman dans ce paragraphe en utilisant obligatoirement les mots système, extérieur, isolé et énergie conservée ?

Le nombre de cubes est censé se conserver au cours du temps. Le cube sous le tapis, les cubes lancés par la fenêtre, les cubes supplémentaires apportés par Bruce, les cubes cachés dans la boîte et les cubes immergés dans l’eau sale de la baignoire sont les situations où cette conservation est en apparence brisée. Dans ce paragraphe, Feynman fait écho au fait que l’énergie d’un système isolé de l’extérieur se conserve nécessairement.

  1. Dans l’analogie de Feynman, la chambre de Denis la Menace est-elle un système isolé ? Cette situation évolue-t-elle au cours du texte ? Justifier.

Au départ : non, puisque des cubes sont lancées par la fenêtre et puisque Bruce apporte ses propres cubes…mais à partir du moment où la mère de Denis ferme la fenêtre et interdit à Bruce de rentrer on peut dire que la chambre est enfin un système isolé.

  1. Pourquoi Feynman tient-il absolument à parler de cubes invisibles ?

La présence d’énergie, comme les cubes de Feynman, n’est pas toujours manifeste. C’est le cas de l’énergie potentielle qui est « contenue » dans l’objet en raison de son altitude mais qui ne se « voit » par exemple que lorsqu’elle se transforme en énergie cinétique…

  1. Lorsqu’il affecte à chaque terme de l’addition un calcul (plus ou moins compliqué) qui tient compte de l’observation d’un paramètre macroscopique simple, Feynman veut montrer que l’énergie n’est pas une notion que l’on peut voir directement mais que l’on peut appréhender par ses manifestations sur le réel. Par exemple, il suffit à la mère de connaître la masse de la boîte ou le niveau de l’eau dans l’évier pour pouvoir déterminer précisément le nombre de cubes invisibles. Retrouver pour chacun des termes d’énergie que vous avez utilisée dans l’activité 1 le paramètre macroscopique associé.

Ce sont la vitesse pour l’énergie cinétique, l’altitude pour l’énergie potentielle et la température pour l’énergie thermique…
FICHE 4
Fiche ÉlÈve


Conservation de l’energie totale d’un système isolé

Activité 1 Les montagnes russes.




g = 10 N/kg


A




h = 50 m



B


Sur des montagnes russes, un wagon est tracté jusqu’au point A où il est abandonné sans vitesse initiale. Sa vitesse au point B est de 31,6 m.s-1


  1. On considère dans un premier temps que le système {wagon+passager} (de masse 300kg) roule sans frottements.




  1. Quelles sont les différentes formes d’énergie du wagon qui varient au cours du mouvement ? Justifier.

  2. Quelle(s) autre(s) formes d’énergie le système possède-t-il ?

  3. L’énergie totale du système est-elle conservée ? Justifier par un calcul.

  1. Cette fois, le système {wagon+passager} frotte sur les rails. La vitesse du wagon au point B est alors VB = 25 m.s-1

  1. Quelles sont les différentes formes d’énergie du wagon qui varient au cours du mouvement ?

  2. Dans ce cas, l’énergie totale du système est-elle conservée ? Justifier par un calcul.

  1. On choisit maintenant de définir le système par l’ensemble {wagon + passager + rails}. Que pouvez-vous dire de la conservation de l’énergie de ce nouveau système sur une courte durée ?


On appelle système isolé, un système qui n’échange pas d’énergie avec l’extérieur. L’énergie totale d’un système isolé se conserve.


Activité 2 Une analogie : Denis la Menace et ses cubes.
Présentation de l’auteur du texte : Richard FEYNMAN (1918-1988).




Prix Nobel pour ses travaux sur la description et le calcul des interactions entre particules, Richard Feynman était un génie. Théoricien de la physique quantique, enfant terrible du projet Manhattan, critique acerbe de la commission d’enquête sur la navette spatiale américaine, il a profondément marqué la physique moderne.
Le texte qui suit est extrait du fameux cours de Physique (Mécanique Tome 1) de Richard Feynman. La première partie du document est en version originale.
Première partie : « the law is called the conservation of energy ».
“There is a fact, or if you wish, a law, governing all natural phenomena that are known to date. There is no known exception to this law—it is exact so far as we know. The law is called the conservation of energy. It states that there is a certain quantity, which we call energy, that does not change in the manifold(1) changes which nature undergoes(2). That is a most abstract idea, because it is a mathematical principle; it says that there is a numerical quantity which does not change when something happens. It is not a description of a mechanism, or anything concrete; it is just a strange fact that we can calculate some number and when we finish watching nature go through her tricks and calculate the number again, it is the same. (Something like the bishop(3) on a white square, and after a number of moves—details unknown—it is still on some white square. It is a law of this nature.) Since it is an abstract idea, we shall illustrate the meaning of it by an analogy.”
(1) manifold : divers

(2) undergo : subir

(3) bishop : le fou aux échecs

Questions :


  1. Qu’est-ce qu’une loi de conservation ?

  2. Que veut montrer Feynman en prenant l’exemple du fou aux échecs ?

  3. Qu’est-ce qu’une analogie ?



Deuxième partie : « Denis la Menace ».
« Imaginons un enfant, par exemple « Denis la Menace », qui possède des cubes absolument indestructibles, et qui ne peuvent être divisés en morceaux. Tous les cubes sont identiques. Supposons qu’il ait 28 cubes. Sa mère le met dans une chambre au début de la journée avec ses 28 cubes. A la fin de la journée, étant curieuse, elle compte les cubes avec attention et découvre une loi phénoménale – quoiqu’il fasse avec ses cubes, il en reste toujours 28 ! Ceci se répète plusieurs jours durant, jusqu’au jour où il n’y a que 27 cubes, mais un peu de recherche montre qu’il y en a un sous le tapis- elle doit regarder partout pour s’assurer que le nombre de cubes n’a pas changé. Un jour, cependant, le nombre semble changer – il n’y a que 26 cubes. Une recherche attentive montre que la fenêtre était ouverte, et en regardant dehors, elle retrouve les deux autres cubes. Un autre jour, un compte précis indique qu’il y en a 30 ! Ceci lui causa une consternation considérable, jusqu’au moment ou elle réalisa que Bruce était venu en visite, amenant ses cubes avec lui, et qu’il en laissa quelques-uns à la maison de Denis. Après s’être débarrassée de ces cubes supplémentaires, elle ferme la fenêtre, ne laisse pas rentrer Bruce et tout, alors, se passe bien, jusqu’au moment où recomptant elle ne trouve que 25 cubes. Néanmoins, il y a une boîte dans la chambre, une boîte de jouets, et la mère essaye d’ouvrir la boite, mais le garçon dit : « Non, n’ouvre pas cette boite à jouets »,et se met à crier. La mère n’a pas le droit d’ouvrir la boite à jouets. Etant extrêmement curieuse et quelque peu ingénieuse, elle invente un stratagème ! Elle sait qu’un cube pèse cent grammes, aussi pèse-t-elle la boîte au moment où elle voit 28 cubes, et elle trouve 500 grammes. A la vérification suivante, elle repèse la boîte, soustrait 500 grammes et divise par 100. Elle découvre la chose suivante :

Nombre de

cubes observés

+
= constante

Puis de nouvelles déviations apparaissent, mais une étude précise indique que le niveau de l’eau sale de la baignoire s’est modifié. L’enfant jette les cubes dans l’eau, et elle ne peut les voir parce que cette eau est trop sale, mais elle peut savoir combien de cubes se trouvent dans l’eau, en ajoutant un autre terme à sa formule. Puisque la hauteur initiale de l’eau était de 15 centimètres, et que chaque cube élève le niveau d’un demi-centimètre, cette nouvelle formule sera :


Nombre de

cubes observés

+


+

= constante
A mesure que l’ingéniosité de l’enfant se développe, celle de la mère en fait autant, et on ajoute de plus en plus de termes, qui représentent des cubes, mais qui du point de vue des mathématiques ne sont que des calculs abstraits, puisque les cubes restent invisibles. Je voudrais maintenant établir mon analogie, et vous expliquer les ressemblances et les différences entre cet exemple et la conservation de l’énergie. Supposons d’abord que dans aucun des cas la mère n’ait vue de cubes. Le terme nombre de cubes visibles n’apparaît jamais. La mère, alors, serait toujours en train de calculer un tas de termes tels que « cubes dans la boîte » « cubes dans l’eau », etc. Pour l’énergie, cette différence existe, il n’y a pas de cubes, pour autant qu’on puisse dire. De plus, contrairement à l’exemple des cubes, en ce qui concerne l’énergie, les nombres qu’on obtient ne sont pas des nombres entiers. Je suppose qu’il pourrait arriver à cette pauvre mère, lorsqu’elle calcule un terme, d’obtenir 6 cubes 1/8, pour un autre terme 8 de cube, et pour les autres 21, ce qui fait encore un total de 28. Voilà à quoi ressemble la conservation de l’énergie. »
Richard Feynman  ; Mécanique Tome 1 (Dunod) – La Nature de la Physique (Points)
Questions :


  1. Dans le texte, qu’est-ce qui est censé se conserver au cours du temps ? Décrire les situations du texte ou cette conservation est, en apparence, brisée ? Reformuler l’idée présentée par Feynman dans ce paragraphe en utilisant obligatoirement les mots système, extérieur, isolé et énergie conservée ?

  2. Dans l’analogie de Feynman, la chambre de Denis la Menace est-elle un système isolé ? Cette situation évolue-t-elle au cours du texte ? Justifier.

  3. Pourquoi Feynman tient-il absolument à parler de cubes invisibles ?

  4. Lorsqu’il affecte à chaque terme de l’addition un calcul (plus ou moins compliqué) qui tient compte de l’observation d’un paramètre macroscopique simple, Feynman veut montrer que l’énergie n’est pas une notion que l’on peut voir directement mais que l’on peut appréhender par ses manifestations sur le réel. Par exemple, il suffit à la mère de connaître la masse de la boîte ou le niveau de l’eau dans l’évier pour pouvoir déterminer précisément le nombre de cubes invisibles. Retrouver pour chacun des termes d’énergie que vous avez utilisée dans l’activité 1 le paramètre macroscopique associé.



Auteur : Abd-El-Kader Françoise ; Teyssier Sébastien Académie de LYON

similaire:

Remarques Le texte de Feynman présenté dans ce document est une combinaison de deux versions disponibles… Auteur iconNote : Dans ce document, le générique masculin est utilisé sans aucune...

Remarques Le texte de Feynman présenté dans ce document est une combinaison de deux versions disponibles… Auteur iconRemarques pour une bonne lecture de ce document
«juxtaposés». L’essentiel des apports de connaissance est réalisé par l’enseignement technologique transversal. Certaines connaissances...

Remarques Le texte de Feynman présenté dans ce document est une combinaison de deux versions disponibles… Auteur iconL'auteur de ce document n'assume aucune responsabilité en cas de...

Remarques Le texte de Feynman présenté dans ce document est une combinaison de deux versions disponibles… Auteur iconQuel est le problème posé par Galilée ? hypothèse
«Dialogue sur les deux plus grands systèmes du monde», écrit par Galilée en 1632, l’auteur fait discourir deux personnages autour...

Remarques Le texte de Feynman présenté dans ce document est une combinaison de deux versions disponibles… Auteur iconAnnexe : texte de Freud et corrigé-type d’une explication
«de tous côtés». Le «côté» dont IL s’agit, c’est le côté scientifique. Ce à quoi Freud cherche à répondre dans ce texte, c’est à...

Remarques Le texte de Feynman présenté dans ce document est une combinaison de deux versions disponibles… Auteur iconCe document de travail est mis à disposition par l’auteur et nécessite...

Remarques Le texte de Feynman présenté dans ce document est une combinaison de deux versions disponibles… Auteur iconC'est l'union de trois choses en une ou, ce qui est équivalent, l'union...

Remarques Le texte de Feynman présenté dans ce document est une combinaison de deux versions disponibles… Auteur iconRemarques IL n’est pas question de décrire le fonctionnement d’une...

Remarques Le texte de Feynman présenté dans ce document est une combinaison de deux versions disponibles… Auteur iconRemarques Auteur

Remarques Le texte de Feynman présenté dans ce document est une combinaison de deux versions disponibles… Auteur iconRemarques Auteur








Tous droits réservés. Copyright © 2016
contacts
c.21-bal.com