Les formes d'énergie et leurs conversions en CM2 : leçon, exercices et évaluation

L’énergie, un moteur pour les objets et les êtres vivants

Observe ce qui t’entoure : une lampe éclaire, un radiateur chauffe, un vélo avance, une sonnette produit un son. Tous ces effets nécessitent de l’énergie. L’énergie est ce qui permet de provoquer un changement : mettre en mouvement, chauffer, éclairer, faire fonctionner un appareil ou produire un son. Elle ne se voit pas directement, mais tu peux observer ses effets. Par exemple, tu ne vois pas l’énergie électrique qui circule dans le fil d’une lampe ; en revanche, tu vois la lumière produite et tu sens parfois la chaleur de l’ampoule. Les aliments apportent aussi de l’énergie à ton corps : elle te permet de marcher, de courir, de grandir et de maintenir ton corps à bonne température. Attention : l’énergie n’est pas un objet que l’on fabrique ou que l’on détruit. Dans les situations étudiées, elle est transférée d’un élément à un autre ou elle change de forme. Nova te conseille de toujours chercher deux choses : d’où vient l’énergie et quel effet elle produit.

Reconnaître les principales formes d’énergie

Bien distinguer la pesanteur et le mouvement

Deux formes d’énergie sont souvent confondues. L’énergie de pesanteur concerne un objet situé en hauteur : il peut tomber grâce à l’attraction de la Terre. Une balle posée en haut d’un toboggan possède de l’énergie de pesanteur. Quand elle descend et roule, elle possède surtout de l’énergie cinétique, car elle est en mouvement. Dans une centrale hydroélectrique, l’eau stockée en altitude possède d’abord de l’énergie de pesanteur. Lorsqu’elle descend dans une conduite, elle se met en mouvement : elle possède alors de l’énergie cinétique. Elle entraîne ensuite une turbine. Tu peux retenir ce chemin simple : en hauteur, pense à la pesanteur ; en mouvement, pense à l’énergie cinétique. Un objet peut changer de situation très vite. Une balle lancée vers le haut possède de l’énergie cinétique pendant sa montée. Lorsqu’elle atteint une grande hauteur, son énergie de pesanteur est importante. Lorsqu’elle redescend, son énergie cinétique augmente de nouveau.

Mot important : conversion d’énergie

Lire une chaîne de conversions

Pour expliquer le fonctionnement d’un dispositif, écris les formes d’énergie dans l’ordre, en les reliant par des flèches. Chaque flèche signifie « se transforme en ». Commence par l’énergie disponible au départ. Continue avec les étapes importantes du fonctionnement. Termine par l’effet utile recherché, par exemple éclairer une pièce ou faire tourner une roue. Une pile qui alimente une lampe peut être décrite ainsi : énergie chimique de la pile → énergie électrique dans le circuit → énergie lumineuse et énergie thermique de la lampe. Le mot « et » est important : plusieurs formes d’énergie peuvent être obtenues à la fin. Dans un grille-pain, l’énergie électrique devient principalement de l’énergie thermique, car l’effet recherché est de chauffer le pain. Il peut aussi produire un peu d’énergie lumineuse si ses résistances rougissent. Ne confonds pas l’objet et la forme d’énergie : une pile n’est pas une forme d’énergie, elle stocke de l’énergie chimique ; un câble n’est pas une énergie, il permet le passage de l’énergie électrique.

La méthode de Nova pour analyser un dispositif

• Observe ce qui entre dans le dispositif : vent, eau en hauteur, Soleil, pile, carburant ou électricité.
• Nomme la forme d’énergie présente au départ : cinétique pour le vent, de pesanteur pour l’eau stockée en hauteur, lumineuse pour la lumière du Soleil, chimique pour une pile.
• Repère les pièces qui agissent : pales, turbine, roue, générateur, fil, lampe ou haut-parleur.
• Cherche ce qui bouge : un mouvement correspond à de l’énergie cinétique.
• Cherche l’effet final : lumière, chaleur, mouvement ou son.
• Écris la chaîne avec des flèches et vérifie que chaque étape correspond bien à ce que tu observes.

Deux installations qui produisent de l’électricité

Une éolienne utilise le vent. Le vent est de l’air en mouvement : il possède donc de l’énergie cinétique. Il fait tourner les pales. Cette rotation entraîne un générateur, qui produit de l’énergie électrique. La chaîne peut s’écrire : énergie cinétique du vent → énergie cinétique des pales en rotation → énergie électrique. Si cette électricité alimente une lampe, ajoute : → énergie lumineuse et énergie thermique. Une centrale hydroélectrique utilise de l’eau placée en hauteur derrière un barrage. L’eau possède une énergie de pesanteur. En descendant, elle acquiert une énergie cinétique et fait tourner une turbine. Le générateur transforme ensuite cette énergie liée au mouvement en énergie électrique. La chaîne est donc : énergie de pesanteur de l’eau → énergie cinétique de l’eau et de la turbine → énergie électrique. Dans les deux cas, le générateur est une pièce essentielle : il permet d’obtenir de l’électricité grâce à un mouvement.

Électricité : forme d’énergie, pas ressource

Ressources renouvelables et non renouvelables

Une ressource énergétique est une ressource de la nature utilisée pour obtenir de l’énergie. Une ressource est dite renouvelable lorsqu’elle se reconstitue naturellement à l’échelle d’une vie humaine ou qu’elle est disponible de façon continue. Le vent, la lumière du Soleil et l’eau en mouvement sont des ressources renouvelables. Le bois peut être une ressource renouvelable si les arbres sont remplacés et si la forêt est gérée avec soin. Une ressource est non renouvelable lorsqu’elle existe en quantité limitée et se forme extrêmement lentement. Le charbon, le pétrole, le gaz naturel et l’uranium sont des ressources non renouvelables. Même si une énergie est produite à partir d’une ressource renouvelable, il faut éviter le gaspillage. Éteins une lumière inutile, utilise les appareils seulement quand c’est nécessaire et préfère, lorsque c’est possible, des solutions qui consomment moins d’énergie.

Classer des ressources énergétiques

Construire une petite maquette de conversion

Tu peux réaliser une maquette simple pour observer une conversion d’énergie. Utilise par exemple un petit moulin à papier fixé sur un axe, puis souffle dessus ou place-le devant un courant d’air. Le vent met les pales en mouvement : tu observes une conversion de l’énergie cinétique de l’air en énergie cinétique de rotation du moulin. Si ton matériel comprend un petit générateur relié à une diode lumineuse, la rotation peut ensuite produire de l’énergie électrique, puis de l’énergie lumineuse. Avant de construire, dessine ton projet : indique la source d’énergie, les éléments qui bougent et l’effet final. Pendant l’essai, fais varier une seule chose à la fois, par exemple la force du souffle ou la distance avec le ventilateur. Observe alors ce qui change. Après l’essai, écris une phrase précise : « Le vent fait tourner les pales ; le mouvement des pales permet au générateur de produire de l’électricité. » Nova prépare déjà ton entrée en 6e : un bon scientifique décrit ce qu’il a observé et utilise les mots exacts.