Énergie électrique. CoMPrEndrE Formes et principe de conservation de l énergie. agir Convertir l énergie et économiser les ressources

Transcription

1 PARtiE Manuel unique, p. 88 ( Manuel de physique, p. 17) séquence Le programme Formes d énergie.. Puissance. notions et contenus Compétences attendues CoMPrEndrE Formes et principe de conservation de l énergie Connaître diverses formes d énergie. agir Convertir l énergie et économiser les ressources Distinguer puissance et énergie. Connaître et utiliser la relation liant puissance et énergie. Connaître et comparer des ordres de grandeur de puissances. Pratiquer une démarche expérimentale pour exprimer la tension aux bornes d un générateur et d un récepteur en fonction de l intensité du courant électrique. Les compétences à acquérir dans la séquence 1. Distinguer puissance et énergie.. Utiliser la relation liant puissance et énergie.. Exprimer la tension aux bornes d un dipôle en fonction de l intensité du courant électrique. Évaluation diagnostique p. 88 Situation 1 Un compteur électrique mesure l énergie électrique en kwh. L activité 1 permet de faire le lien entre la puissance et l énergie électrique. Situation Pour une durée d utilisation identique, le radiateur qui a la plus forte puissance consomme le plus d énergie électrique. Cette notion est reprise dans l activité, où l on montre que l on peut obtenir la même énergie électrique à l aide d appareils de puissances différentes, pour des durées d utilisation plus ou moins importantes. Situation Non, elle prendra des valeurs qui s adapteront à la puissance choisie et à la tension nominale. Dans l activité, on montre que la luminosité d une lampe dépend de sa puissance, qui n est obtenue que pour un seul couple de valeurs U et I. 1

2 activités Activité 1 Énergie ou puissance? p a. Il s agit de l énergie électrique. b. Le kilowattheure (kwh).. a. La puissance a pour valeur kw. b. Le kilowatt (kw).. a. Il est question d énergie électrique. b. À l aide d un compteur électrique qui est installé par le distributeur d électricité.. a. La tension continue a pour valeur U = 19 V. L intensité du courant électrique a pour valeur I =, A. La dernière valeur est la puissance électrique : P = W. b. On retrouve une relation vue en classe de Troisième : P = U I = 19, = W.. La puissance s exprime en W ou kw. Pour obtenir l unité de l énergie électrique, il faut multiplier par une unité de temps, l heure (h) ici. On peut en déduire que la variation d énergie électrique DE est liée à la puissance P et à la durée de fonctionnement Dt par : DE = P Dt. Activité Puissance et énergie p a. La tension et l intensité du courant électrique. b. Le multimètre utilisé en ampèremètre est branché en série dans le circuit. Le multimètre utilisé en voltmètre est branché en dérivation aux bornes de l ampoule. c. Il s agit du schéma d.. a. P = U I avec P en watt (W) ; U en volt (V) et I en ampère (A). b. On peut utiliser des ampoules de valeurs nominales (, V - 1 ma) et (, V - ma). La puissance de la première ampoule est P 1 =,,1 =, W ; celle de la seconde ampoule est P =,, = 1,8 W. Ces deux ampoules n ont pas la même puissance nominale.. a. DE = P Dt. b. DE 1 = P 1 Dt =, = J. c. Pour la seconde ampoule, DE 1 = P Dt soit Dt = DE 1 /P = s.. Oui, mais pour des durées de fonctionnement différentes.. L énergie pour un four de 7 W utilisé pendant 8 minutes est : DE 7 = 7 8 =, 1 J. Pour obtenir la même énergie pour le four de puissance P = W, il faut l utiliser pendant la durée : Dt = DE 7 /P =, 1 / = s soit 1 minutes. Activité Et pourtant, elle brille! p A L 1 V. c. En B, on doit calculer le produit U I, en utilisant la formule : «=B1*B». Les valeurs suivantes de la puissance sont obtenues par la poignée de recopie jusqu en K.. d.,. et. Pour L 1 par exemple, on cherche sur la courbe P = f(u) le point d ordonnée, W. On en déduit la valeur de U :,9 V. 1

3 On reporte ensuite cette valeur sur la caractéristique pour trouver I = 11 ma.. a. En série, l intensité est la même dans tout le circuit. Les tensions vont être différentes aux bornes de chaque ampoule. On trouve par exemple I = 7 ma. Graphiquement, pour I = 7 ma, on trouve pour L 1 une tension U 1 =, V et pour L, une tension U =, V. PARTIE Séquence 17

4 b. Pour L 1, la puissance est P 1 =,7, =,1 W, et pour L, la puissance est P =,7, =,8 W. C est ici L 1 qui brille le plus, c est elle qui reçoit la plus grande puissance. En dérivation, on mesure U L1 = U L = V.. a. Voir figure précédente. On trouve I 1 = 81 ma et I = 7 ma. b. Pour L 1, la puissance est P 1 =,81 =, W. Pour L, la puissance est P =,7 = 1,1 W. C est ici L qui brille le plus, car c est elle qui reçoit la plus grande puissance. 7. La luminosité dépend de la puissance. Plus celle-ci est importante, plus la lampe va briller. exercices Compétence 1 : Distinguer puissance et énergie 1 1. a et b.. b.. a et c.. b. P 1 correspond à c, P correspond à e, P correspond à a, P correspond à f, P correspond à b et P correspond à d. 1. Faux. Il s agit de la puissance.. Vrai. Cette puissance est facturée sur l abonnement.. Faux. C est la puissance qui est instantanée.. Faux. C est en régime alternatif.. Vrai.. Faux. L autre unité de la puissance peut être V A puisque P = U I. 1. Elles indiquent la puissance nominale et la tension nominale.. I max = P/U = 1, A.. P doit être inférieure à la somme des puissances des appareils. Ici, P 1 + P + P = 7 W. On ne peut donc pas brancher simultanément tous ces appareils ensemble. 1. Non, car 1 kw = 1 W est une puissance supérieure aux puissances maximales affichées.. Le fil peut fondre. 1. C 1 correspond au calibre 1 A. L intensité dans ce disjoncteur ne peut dépasser la valeur de 1 A.. D une surintensité.. La puissance supportée par ce disjoncteur est P = 1 = 8 W. Le téléviseur, le four à microondes, ou le radiateur électrique peuvent être branchés sur cette ligne. Compétence : Utiliser la relation liant puissance et énergie 7 1. b et d.. a, c et d.. b et c.. a et c La puissance nominale.. La lampe fluocompacte consomme une énergie électrique DE 1 = 11 = Wh. La lampe à incandescence consomme : DE = = 1 Wh. 18

5 9 1. 8, min = 8,/ =,1 heure.. La puissance est P = DE/Dt =,/,1 = 1, kw Celui dont la consommation électrique est la plus faible, c est-à-dire ici le combiné réfrigérateurcongélateur dont la consommation annuelle est de 7 kwh.. Car ce type d appareil ne fonctionne que ponctuellement lorsque la température interne s élève trop par rapport à celle réglée sur le thermostat.. Pour le réfrigérateur américain, elle vaut : / = 1, kwh ; pour le réfrigérateur-congélateur, elle est de 7/ =,89 kwh.. Dt = P/DE =,/1, =,1 h soit 1,8 min. Cette valeur est bien inférieure à la durée effective de fonctionnement car il y a généralement deux moteurs et de nombreuses pertes. 1 Étiquette énergie Les appareils électroménagers comme les machines à laver, les lave-vaisselles, les fours, les climatiseurs, etc., sont couramment utilisés par chacun d entre nous. Les étiquettes énergie de ces produits sensibilisent les consommateurs sur la consommation d énergie réelle des appareils, à l aide d un étiquetage clair et responsable dans leurs points de vente. 1. À quel type d appareil électroménager correspond cette étiquette énergie?. Comment est indiquée la consommation d énergie électrique sur cette étiquette-ci?. La puissance électrique de cet appareil figure-t-elle sur l étiquette? 1. À une machine à laver.. En kwh/cycle.. Non. CoMPÉtEnCE : Exprimer la tension aux bornes d un dipôle en fonction de l intensité 1 1. Faux. Il n existe qu un seul couple (U ; I) pour une puissance donnée.. Faux. La caractéristique d un dipôle est la courbe donnant les variations de la tension à ses bornes en fonction de l intensité qui le traverse, ou l inverse.. Vrai.. Faux. Pour connaître la valeur de l intensité associée à une tension de V, il faut soit la mesurer soit connaître la caractéristique de la lampe. 1 C est le schéma correspondant à la figure du cours du manuel, en remplaçant le symbole de la lampe par celui de la résistance A -. I = U/R =,/ =,1 A.. I max = U max /R =,18 A.. a. et b. Voir figure ci-contre. Pour U = V, on trouve I = 91 ma. Puis, pour une intensité de valeur I = ma, on trouve U = 1,7 V. R, V 7 1 U (V) Figure des questions. a et b PARTIE Séquence 19

6 1 1. La caractéristique est tracée en gris.. a. Par une fonction linéaire. b. U = k I où k est le coefficient directeur de cette portion de droite. En convertissant l intensité en ampère, l ordre de grandeur de k est de, 1.. La caractéristique est une droite. Ce dipôle est donc une résistance.. La puissance est : P = U I = U /R =,11 W.. Pour P =, W, on calcule, à l aide de la relation I = P/U =,/U, les valeurs de l intensité qui correspondent aux tensions indiquées dans le tableau. On peut ensuite tracer (en noir sur la figure ci-dessus) la courbe de puissance. Le point d intersection de ces deux courbes donne : U =, V et I =, ma, soit P ª, W C est le schéma correspondant à la figure du cours du manuel.. a., V et 7 ma. b. P =,,7 = 1,1 W.. Pour U =, V, l intensité correspondante sur la caractéristique est I = 19 ma. La puissance est donc P =,,19 =,8 W U (V) U (V) 1 1. a. On écrit la formule : «=,/C1» en C et on utilise la poignée de recopie jusqu en N. b. La courbe de puissance correspond aux marqueurs carrés. U (V) Au point de fonctionnement. 1

7 Exercices de synthèse L énergie électrique.. a. DE = 1, = Wh = 7 kj. b. La puissance est P 1 = DE/Dt = 7 1 / = 1 1 W.. a. L énergie consommée est la même mais en s, la puissance totale est alors P = 7 1 / = 1 W. b. Le fer a une puissance P = P - P 1 = 8 1 W. 1. a. dans un premier temps, il faut convertir les heures, minutes en heures décimales soit : h et / d heure =, h. En un an, le téléviseur reste allumé, = 1, 1 h. b. Elle vaut DE = P Dt = 1, 1,1 = 187 kwh.. a. Il reste en veille h et min, soit,8 h. b. La durée est de 7,1 1 h. c. La consommation en veille est DE = 7,1 1 1 = 7,1 1 = 7,1 kwh.. a. Allumé, le coût est de DE,1 =, ; en veille, de DE,1 =,9. b. Le rapport du coût énergétique est :,9 1/, ª % a. À une fonction linéaire. b. et c. Il faut convertir ici le temps en h et l énergie en Wh. L équation est DE = k t et donc k = DE/t. Pour le point le plus éloigné de l origine, on obtient la valeur : k = /(1/) = 1. L unité de k correspond : à Wh/h = W.. a. DE = P Dt. b. P = k = 1 W. 1. Dans ce circuit se trouvent deux résistances, un interrupteur et un générateur de tension constante.. A P N - R 1 V R A B. Quand l interrupteur est ouvert, l intensité est nulle.. DE = U I Dt = 1, 1, 1 = 1 J =, Wh. 1. Il s agit d un accumulateur lithium-ion.. a. Les accumulateurs sont montés en série, ou en batterie, d où l utilisation du nom batterie. b. En série, les tensions s ajoutent. La tension totale divisée par la tension d un accumulateur donne 11,1/,7 =. C est le nombre d accumulateurs montés en «batterie».. a. L unité ma correspond à l intensité I ; h est l heure, qui correspond à une durée. L unité mah est associée au produit I Dt. b. DE = U I Dt. c. DE = 11,1,8 =, VAh =, Wh.. a. L énergie fournie à l ordinateur est égale à 8 % de l énergie emmagasinée, soit,8,8 = Wh. Pour une durée de fonctionnement de h, la puissance est donc P = / = 11 W. b. I = P/U = 1,/11,1 =,9 A. PARTIE Séquence 11

8 1. La puissance nominale est de 9 W.. a. DE = P Dt. b. La zone du graphe qui représente l énergie est l aire grisée de côtés : P et Dt. 1 1 P (W) 8 1 t (min). Oui, si on calcule l aire en utilisant pour le temps des heures et pour la puissance des kilowatts. L aire a pour valeur (1/),9 =, kwh. En route vers La terminale 1. I = P/U =, A.. a. DE = P durée de chauffe = 1 = Wh =, kwh ª 1 MJ. b. Car le chauffe-eau est isolé thermiquement et l eau n est pas à température ambiante, comme c est le cas quand il vient d être installé.. DE = (m c + K) DT = (r eau V c + K) DT soit DT = DE/(r eau V c + K) = 1 1 /(1, ) = 18 K = 18 C. 1. C est le schéma correspondant à la figure du cours du manuel en remplaçant le symbole de la lampe par celui de la photopile.. a. 1 U (mv) 1 1 b. Il existe à ses bornes une tension quand l intensité est nulle.. a. U (mv), I (ma) 1 1,, P (mw),,9 8,8 9,1 8,7 7,9,7,, 1,8, 1

9 b P (mw) 1 1 c. Elle est de 9,1 mw. Elle est associée au couple ( mv - ma). U (mv). On conserve les tensions U, et on calcule l intensité I dans ce composant à l aide de la relation U = R I. On peut alors tracer sa caractéristique sur le même graphe que celle de la photopile. Le point d intersection est le point de fonctionnement (I = 7 ma et U = mv) U (mv) PARTIE Séquence 1