Transcription de la vidéo
Un garçon se tient sur une chaise et lance une balle verticalement vers le haut, puis l’attrape après sa chute vers le bas. L’ami du garçon se tient par terre et regarde. Lequel des graphiques, (a), (b), (c) et (d), montre correctement les changements d’énergie cinétique, indiqués en rouge, et d’énergie potentielle de pesanteur, indiqués en bleu, de la balle, mesurés à partir de sol? L’axe des temps du graphique commence à partir du moment où la balle quitte la main du garçon. Et les valeurs d’énergie cessent d’être tracées au moment où la balle retombe à la hauteur depuis laquelle elle a été relâchée. La résistance de l’air est négligeable.
Dans cette question, on nous a demandé de sélectionner le graphique qui montre correctement comment l’énergie d’une balle change lorsque la balle est lancée par une personne debout sur une chaise. Sur chaque graphique, l’énergie cinétique de la balle est indiquée en rouge et l’énergie potentielle de pesanteur de la balle est indiquée en bleu. Commençons par réfléchir à ce que nous savons de l’énergie de la balle, puis voyons si nous pouvons réduire nos options.
Tout d’abord, réfléchissons à l’énergie potentielle de pesanteur de la balle. Rappelons que l’énergie potentielle de pesanteur est la catégorie d’énergie associée à la hauteur d’un objet au-dessus du sol: plus la hauteur de l’objet est grande, plus l’énergie potentielle de pesanteur est grande. Au moment où la balle est lancée, la balle est dans la main d’un garçon qui se tient sur une chaise. Ainsi, avant même que la balle ne soit lancée, elle sera à une certaine hauteur du sol. Cela signifie que son énergie potentielle de pesanteur initiale sera supérieure à zéro.
Lorsque la balle est projetée verticalement vers le haut, sa hauteur et son énergie potentielle de pesanteur augmentent. Finalement, la balle atteint sa hauteur maximale, qui est le point où son énergie potentielle de pesanteur est également maximale. Après cela, la balle commence à tomber vers le sol. Lorsque le garçon attrape le ballon, le ballon aura la même énergie potentielle de de pesanteur non nulle qu’au début.
Si nous regardons les graphiques qui nous ont été donnés, nous pouvons voir que les lignes bleues représentant l’énergie potentielle de pesanteur ont toutes des formes semblables. L’énergie potentielle de pesanteur de la balle augmente après le lancement de la balle jusqu’à ce qu’elle atteigne une valeur maximale, puis diminue jusqu’à ce qu’elle atteigne sa valeur initiale.
Nous pouvons voir que les graphiques (a), (b) et (c) montrent tous la balle en commençant par une énergie potentielle de pesanteur supérieure à zéro. Cependant, le graphique (d) montre la balle en commençant par une énergie potentielle de pesanteur nulle. Cela ne pourrait être le cas que si la balle a été lancée du sol, ce qui, nous le savons, n’est pas vrai. Nous pouvons donc exclure le graphique (d).
Ensuite, réfléchissons à l’énergie cinétique de la balle. Rappelons que l’énergie cinétique est la catégorie d’énergie associée au mouvement d’un objet; plus un objet se déplace rapidement, plus son énergie cinétique est grande. Lorsque le garçon lance la balle, il travaille pour que la balle ait une certaine énergie cinétique initiale. À mesure que la hauteur de la balle augmente, son énergie cinétique diminue.
Lorsque la balle atteint sa hauteur maximale, il y a un instant où elle est complètement stationnaire, juste avant de changer de direction et de commencer à tomber vers le sol. À l’instant où la balle est stationnaire, son énergie cinétique est nulle. Lorsque la balle tombe vers le sol, son énergie cinétique augmente. Lorsque le garçon attrape la balle, l’énergie cinétique de la balle a la même valeur qu’au début.
Si nous regardons les graphiques qui nous restent, nous voyons que les lignes rouges représentant l’énergie cinétique ont toutes des formes semblables. L’énergie cinétique commence à une valeur non nulle, diminue jusqu’à atteindre une valeur minimale, puis augmente à nouveau jusqu’à atteindre la même valeur qu’elle a commencé. Dans les graphiques (a) et (b), la valeur minimale de l’énergie cinétique est égale à zéro, comme nous l’avons décrit précédemment.
Cependant, dans le graphique (c), l’énergie cinétique n’atteint jamais zéro. Au lieu de cela, elle atteint une valeur minimale supérieure à zéro. Nous savons que ce n’est pas correct: la balle doit avoir une énergie cinétique nulle lorsqu’elle atteint sa hauteur maximale et change de direction. Donc, nous savons que le graphique (c) est incorrect, et nous pouvons exclure cette option.
Cela nous laisse avec deux graphiques, (a) et (b). Pour choisir entre ces options, nous devons penser aux transferts d’énergie qui ont lieu lorsque la balle est en l’air. Jusqu’à présent, nous avons discuté des changements de l’énergie potentielle de pesanteur et de l’énergie cinétique de la balle individuellement. Cependant, les deux quantités sont liées. Lorsque la balle se déplace, son énergie est transférée entre ces deux catégories. Lorsque la hauteur de la balle augmente, son énergie est transférée de l’énergie cinétique à l’énergie potentielle de pesanteur. Lorsque la hauteur de la balle diminue, son énergie est transférée de l’énergie potentielle de pesanteur à l’énergie cinétique.
On nous dit que la résistance de l’air est négligeable. Nous pouvons donc supposer que ce sont les seuls transferts d’énergie qui ont lieu. Cela signifie que si l’énergie potentielle de pesanteur de la balle augmente, leur énergie cinétique doit diminuer de la même quantité. De même, si l’énergie cinétique augmente, l’énergie potentielle de pesanteur doit diminuer de la même quantité. Ainsi, le changement dans les deux catégories d’énergie doit être égal pour le ballon. Pensons à ce que cela signifie par rapport aux graphiques.
Commençons par le graphique (a). Nous pouvons comparer l’énergie initiale de la balle à son énergie au moment où elle est à mi-chemin de son mouvement. Entre ces deux temps, l’énergie potentielle de pesanteur de la balle est passée de cette valeur à cette valeur. Nous pouvons utiliser une flèche pour représenter la taille de cette modification. De même, l’énergie cinétique de la balle diminue de cette valeur à cette valeur. Encore une fois, nous pouvons représenter la taille de ce changement avec une flèche. Ces deux flèches ont la même longueur. L’augmentation de l’énergie potentielle de pesanteur est égale à la diminution de l’énergie cinétique, comme nous l’avons décrit précédemment.
Si nous répétons ce processus pour le graphique (b), nous pouvons voir que la diminution de l’énergie cinétique de la balle est beaucoup plus grande que l’augmentation de son énergie potentielle de pesanteur. Pour que cela se produise, une partie de l’énergie cinétique de la balle devrait être transférée dans une troisième catégorie d’énergie. Cependant, nous savons que ce n’est pas le cas. Les seuls transferts d’énergie qui se produisent sont entre l’énergie cinétique et l’énergie potentielle de pesanteur. Donc, le graphique (b) ne peut pas être la bonne réponse.
Cela nous laisse avec le graphique (a), qui montre correctement les changements dans l’énergie potentielle cinétique et de pesanteur de la balle. Le graphique (a) est donc la bonne réponse.
