Approche préconisée dans le programme sénégalais

Le programme sénégalais demande d’étudier d’abord le travail d’une force constante pour un déplacement rectiligne. A partir de cette première étude, les facteurs dont dépend le travail sont dégagés, ce qui permet de donner la formulation du travail d’une force constante en déplacement rectiligne comme un produit scalaire entre les vecteurs force et déplacement. Les notions de travail moteur, travail résistant et de travail nul sont à distinguer durant cette première étude. Le travail du poids d’un corps entre deux positions d’altitude est abordé à partir de la généralisation du travail d’une force en déplacement quelconque. Ce travail du poids indépendant du chemin suivi permet d’introduire la notion de force conservative. Cette généralisation est faite en introduisant la notion de travail élémentaire. Le travail de forces variables (tension d’un ressort, couple de torsion) est donné sans aucune démonstration. En clôturant ce chapitre par les concepts de puissance moyenne et instantanée, le programme demande de donner quelques ordres de grandeurs de leurs valeurs.

Ensuite les concepts d’énergie cinétique et d’énergie potentielle sont introduits. Le programme invite à donner l’expression de l’énergie cinétique pour un solide en mouvement de translation et pour un solide en rotation autour d’un axe fixe. Les propriétés de l’énergie cinétique sont données : « grandeur scalaire positive dont la valeur dépend du référentiel mais qui ne donne aucune information sur le sens et la direction du mouvement » (p.90).

Ce programme demande d’introduire le moment d’inertie d’un solide en rotation sans démonstration, et de donner sa signification physique. Il invite à donner les expressions des moments d’inertie de quelques solides simples : un disque, un cylindre etc, d’énoncer le théorème de l’énergie cinétique, de donner sa formule dans le cas général, de le vérifier à l’aide d’un enregistrement et de l’appliquer à d’autres systèmes.

Il demande d’aborder l’étude de l’énergie potentielle en faisant un retour sur les exemples de formes d’énergie et d’en déduire qu’elle (énergie potentielle) « est une énergie « en réserve » liée aux positions des différentes parties du système » (p. 91). Il préconise de donner l’expression de l’énergie potentielle de pesanteur sans démonstration. A partir de cette expression, il insiste sur « le fait que cette énergie (potentielle de pesanteur) est définie à une constante près » (p.91). Il donne des indications sur la détermination de la constante « choix de la référence : état pour lequel l’énergie potentielle est nulle et de l’origine de l’axe des côtes » (p.91). L’étude de la variation de l’énergie potentielle de pesanteur qui conduit à sa mise en relation avec le travail du poids est généralisée. Ainsi la variation de l’énergie potentielle (de pesanteur, élastique, de torsion) est liée au travail de la force intérieure conservative appliquée au système. Le programme demande d’insister sur « les concepts de forces intérieures et de forces extérieures » et de montrer qu’ils « dépendent des limites du système choisi » (p.91).

Le programme sénégalais met l’accent sur la variation de ces deux formes d’énergie : variation de l’énergie cinétique et variation de l’énergie potentielle. Cette variation est mise en relation avec le travail des forces appliquées au système étudié. C’est ainsi que le théorème de l’énergie cinétique et la relation entre la variation de l’énergie potentielle de pesanteur et le travail de forces intérieures conservatives sont constamment utilisés au cours de l’enseignement des phénomènes énergétiques.

Il demande de définir l’énergie mécanique et d’établir l’expression de sa variation. La conservation de l’énergie mécanique est étudiée dans des cas simples : « pendule élastique horizontal, pendule pesant… » (p.91)

Le cas de la variation négative de l’énergie mécanique est abordé (dégradation de l’énergie mécanique) pour introduire le travail de la force de frottement (du point de vue macroscopique) et le transfert d’énergie sous forme de chaleur (du point de vue microscopique). La notion de température est reprise, elle est expliquée par l’agitation des particules au voisinage des zones de contact entre les deux systèmes en interaction.

L’étude des transferts d’énergie entamée dans le chapitre « énergie mécanique » est poursuivie dans un autre chapitre appelé « calorimétrie » où le transfert thermique est étudié en utilisant le terme « chaleur ».

En somme le programme sénégalais met l’accent sur le fait que l’énergie mécanique liée à un système (isolé du point de vue énergétique) est une grandeur constante (on est dans le cas où il n’y a que des forces intérieures conservatives). Cette loi sera appliquée dans les chapitres portant sur l’énergie électrique. Le transfert d’énergie entre systèmes est abordé aussi dans l’étude de la variation de l’énergie mécanique, de même que la transformation ou le changement de forme d’énergie au sein d’un système isolé. Le programme n’insiste pas sur le fait que le travail d’une force est considéré comme un transfert d’énergie entre systèmes ; mais il insiste sur la relation entre ce travail et la variation des deux formes d’énergie (cinétique et potentielle). Il se limite par ailleurs à donner la formule de l’énergie cinétique d’un système et de donner son théorème.

L’étude de la calorimétrie permet d’approfondir le transfert thermique, appelé aussi chaleur. Le transfert par rayonnement n’est que cité, le programme ne s’y attarde pas.