Nom : Contrôle de physique Première S2 22/04/ min

Transcription

1 Nom : Contrôle de physique Première S2 22/04/ min xercice n 1 : étude de la caractéristique d un générateur. (13 points) Un générateur convertit une partie de la puissance rayonnante qu il reçoit en puissance électrique. Sa caractéristique tension-intensité est constituée d un ensemble de courbes correspondant chacune à une puissance rayonnante reçue par unité de surface et exprimée en W.m -2 (voir courbes ci-contre). On s intéresse au cas où la puissance rayonnante surfacique a pour valeur 500 W.m Une partie de la caractéristique peut être linéarisée, c est-à-dire dire assimilée à une portion de droite. Donner l intervalle de tensions dans lequel cela est possible. 2. Montrer alors que la caractéristique linéarisée a pour équation :. 3. Déduire de la question précédente la force électromotrice et la résistance interne r du générateur. 4. Dessiner le schéma équivalent de ce générateur en précisant son domaine de validité en tension et en intensité. Caractéristique tension-intensité d un générateur 5. La surface des cellules qui constituent le générateur a pour valeur 0,10 m Choisir parmi les valeurs suivantes laquelle correspond à la puissance rayonnante P r reçue par le générateur. La puissance électrique disponible aux bornes du générateur est maximale pour une intensité de 0,60 A et a pour valeur 9,0 W (P max). On définit le rendement maximal du générateur par le rapport, exprimé en pourcentage, entre la puissance électrique disponible maximale et la puissance rayonnante reçue Donner l expression du rendement maximal et calculer sa valeur. Quelle conclusion peut-on en tirer? 5.3. Qu est ce que l effet Joule? Donner l expression de la puissance P J dissipée par effet Joule dans le générateur et montrer que sa valeur est de 27 W Compléter le diagramme ci-dessous synthétisant le bilan de puissance. Toute la puissance rayonnante reçue estelle égale à la somme des puissances dissipée par effet Joule et électrique disponible maximale? Justifier votre réponse. Quel phénomène optique est principalement responsable des pertes supplémentaires? Source lumineuse nvironnement Circuit électrique Page n 1

2 xercice n 2 : étude d un circuit comprenant des conducteurs ohmiques. (13 points et 2 points de bonus). Soit le circuit suivant : 1 2 = 12 V 1 = 40 2 = 35 3 = Calculer la résistance équivalente e de l association des conducteurs ohmiques dans le montage ci-contre. 2. Par quel schéma peut-on remplacer ce montage? n déduire l intensité délivrée par le générateur idéal de tension. 3. Calculer les intensités qui traversent les conducteurs ohmiques et les tensions à leurs bornes. Justifier vos calculs et représenter sur le schéma ci-dessus les flèches intensité et tension. 4. Vérifier la cohérence des résultats trouvés précédemment en effectuant un bilan de puissance de ce circuit. 5. Limite de fonctionnement du circuit. On remplace l association des conducteurs ohmiques précédents par un seul conducteur ohmique de résistance égale à 30. Le générateur de tension idéale est marqué (12 V ; 1,0 A max) Dessiner la caractéristique du générateur idéal de tension. On dispose de trois conducteurs ohmiques de résistance égale à 30, mais de puissances maximales admissibles différentes : 1,0 W ; 2,0 W et 5,0 W Sous quelle tension maximale chacun des conducteurs ohmiques peut-il être utilisé? 5.3. Que se passe-t-il pour le conducteur ohmique si on dépasse la tension maximale admissible? 5.4. n déduire le conducteur ohmique que l on doit choisir pour brancher aux bornes du générateur. Justifier votre choix (Question bonus) Calculer la puissance électrique reçue par le conducteur ohmique pouvant être branché aux bornes du générateur (Question bonus) Cette puissance est-elle compatible avec la puissance maximale disponible aux bornes du générateur? Page n 2

3 Correction xercice n 1 : [13] 1. Dans l intervalle la caractéristique peut-être linéarisée. [1] 2. Dans cet intervalle l équation de la caractéristique est de la forme :. Or les points (0 V ; 0,80 A) et (15 V ; 0,60 A) sont deux points de cette droite. Pour déterminer les coefficients a et b, on doit donc résoudre le système : a b a b ; soit : b b ; a a. On a donc : ou bien :. [2] 3. D après la question précédente le générateur a une force électromotrice égale à 60 V et une résistance interne r de 75. [1] 4. Le schéma équivalent du générateur associe un générateur idéal de tension de force électromotrice égale à 60 V et un résistor de résistance égale à 75. Le domaine de validité de ce modèle est : [2,5] et N P N A P r U PN 5. Bilan de puissance La puissance rayonnante P r reçue par le générateur est de 50 W. n effet : P. [0,5] 5.2. L expression du rendement maximal est :. Application numérique :. Le rendement maximal est de18%. Ce rendement est très faible d où la non utilisation généralisée des panneaux solaires constitués de générateurs s! [2] 5.3. L effet Joule est l effet thermique (augmentation de la température) accompagnant le passage d un courant électrique dans un conducteur. L expression de la puissance électrique dissipée par effet Joule par le générateur est :. Application numérique : P ( ). [1,5] 5.4. Non, on a :. Dans le bilan il manque 14 W : P P P P. C est principalement le phénomène de réflexion sur les cellules s qui est responsable des pertes supplémentaires. [2,5] Source lumineuse nvironnement Circuit électrique Pertes supplémentaires Page n 3

4 xercice n 2 : [13+2] 1. La résistance équivalente du montage est de 30. n effet les conducteurs ohmiques 1 et 2 sont montés en série et on donc une résistance équivalente de 75. Cette résistance équivalente est montée en dérivation avec 3 d où : = S. [1,5] 2. L ensemble des trois conducteurs ohmiques peut-être remplacé par un seul conducteur ohmique de résistance égale à 30. e D après la loi d Ohm : et d après la loi des mailles :, on a :. L intensité délivrée par le générateur est de 0,40 A. [2] 3. D après la loi d Ohm pour les trois conducteurs ohmiques : lois des mailles : ; on a : et :. [2,5], les lois des intensités : et les U1 U2 3 U3 4. La puissance transférée par le générateur est égale à la somme des puissances reçues par chaque résistors, soit pour ce circuit :. Or la puissance, exprimée en watt, est définie par la relation : P, soit : Vérifions numériquement cette relation avec les valeurs trouvées dans les questions précédentes : On a bien :. [2] 5. Limite de fonctionnement du circuit [1] Caractéristique du U (V) générateur idéal de tension 0 (A) 5.2. La puissance maximale reçue par un conducteur ohmique est donnée par la relation : P ; or d après la loi d Ohm : d où : P ; donc :. Voir les résultats pour chaque conducteur ohmique dans le tableau page suivante.[2] Page n 4

5 (W) 1,0 2,0 5,0 (V) 5,5 7,7 12, Si on dépasse la tension maximale admissible le conducteur ohmique fond car l effet Joule est trop important et le conducteur «grille». [1] 5.4. Le conducteur ohmique que l on doit choisir pour brancher aux bornes du générateur est celui de puissance maximale égale à, car on prend celui dont la tension maximale est supérieure à 12 V. [1] 5.5. La puissance électrique reçue par le conducteur ohmique pouvant être branché aux bornes du générateur est de 4,8 W. lle est donnée par la relation : P ; or d après la loi d ohm est la loi des tensions : d où :. Application numérique : P. [1] 5.6. Oui, cette puissance est compatible avec la puissance maximale disponible aux bornes du générateur, car celle-ci est de 12 W. n effet : P. Or :. [1] Comment déterminer la résistance d un conducteur ohmique à l aide du code des couleurs? Page n 5