COURS DE SCIENCES PHYSIQUES Classe de BAC STAV

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1 NOM et Prénom de l élève : COURS DE SCIENCES PHYSIQUES Classe de BC STV CTIVITÉS 1 L INTENSITE ÉLECTRIQUE 2 L TENSION ÉLECTRIQUE 3 RÉSISTNCE ÉLECTRIQUE LOI D OHM 4 PUISSNCE ÉLECTRIQUE EN COURNT CONTINU 5 ÉNERGIE ÉLECTRIQUE 6 L EFFET JOULE LOI DE JOULE 7 LOI D OHM POUR UN GÉNÉRTEUR ÉLECTRIQUE 8 POINT DE FONCTIONNEMENT D UN CIRCUIT 1

2 ctivité 1 OBJECTIFS Connaître la grandeur et l unité de l intensité électrique. Faire un schéma d un circuit électrique et indiquer le sens du courant 1- Sens du courant et Nature du courant De nombreuses expériences on montré que le courant électrique est dû au déplacement des électrons libres de la borne négative vers la bornes positive du générateur. Le sens conventionnel du courant : sens contraire du sens des électrons. 2- Comment mesurer une intensité électrique Ecran Calibre de l ampèremètre Sélecteur rotatif Bornes de l ampèremètre L appareil est un multimètre que l on utilise en tant que MPEREMETRE 1 Symbole de l ampèremètre : 2 Branchement : Toujours en série dans le circuit 3 Différents calibres utilisés : 10 ; 200 m ; 20 m 3- Mesurer l intensité du courant dans un circuit Faire le schéma du montage en utilisant les symboles normalisés. 2

3 4- Grandeur et unités La grandeur mesurée est l intensité et l unité est l mpère de symbole : Multiple et sous multiple : le milliampère (m) ; m 5- Lois des intensités Dans un circuit en série les intensités sont identiques. I = I 1 = I 2 Dans un circuit en série les intensités sont égales Dans un circuit monté en dérivation les intensités s ajoutent. (Loi des nœuds) I = I 1 + I 2 Dans un circuit en dérivation, la somme des intensités qui arrivent à un nœud est égale à la somme des intensités qui en repartent 6- pplications Ex n 1 : L'ampèremètre 1 indique I 1 = 0,325 ; L'ampèremètre 3 indique I 3 = 850 m. 1 Indiquer le sens conventionnel du courant électrique. 2 Quelle indication porte l'ampèremètre 2? Ex n 2 : Déterminer la valeur et le sens du courant I 1. 3

4 ctivité 2 OBJECTIFS Connaître la grandeur et l unité de la tension. Faire un schéma d un circuit électrique. 1- Comment mesurer une tension électrique Ecran lternatif / Continu Calibre du voltmètre Sélecteur rotatif Bornes du voltmètre L appareil est un multimètre que l on utilise en tant que VOLTMETRE 1 Symbole du voltmètre : V 2 Branchement : Toujours aux bornes d un récepteur. 3Différents calibres utilisés : 600 V ; 200 V ; 20 V ; 2 V 2- Tension aux bornes d un dipôle Faire le schéma du montage en utilisant les symboles normalisés. 3- Grandeur et unités La grandeur mesurée est la tension et l unité est le volt de symbole V. Multiple et sous multiple : le millivolt (mv) ; 1 V 1000 mv Le kilovolt (kv) ; 1 kv 1000 V 4

5 4- Tension aux bornes d une pile On branche aux bornes d une pile un voltmètre : La valeur mesurée dépend comment est branché le voltmètre au borne de la pile. Tension U PN V Com Tension U NP com V La tension est une grandeur algébrique. U PN = -U NP U B 5- Lois des tensions Dans un circuit en série les tensions s ajoutent. (dditivité des tensions) B U pile = U 1 + U 2 Dans un circuit en série les tensions s ajoutent Dans un circuit monté en dérivation les tensions sont identiques. (Unicité des tensions) U pile = U 1 = U 2 Dans un circuit en dérivation les tensions sont les mêmes 6- pplication 1 L interrupteur K est ouvert. Le voltmètre (a), branché aux bornes de la lampe, indique t-il une tension? Même question pour le voltmètre (b), branché aux bornes du générateur. 2 On ferme l interrupteur K. Le voltmètre (a) indique maintenant 2,5 V et le voltmètre (b), 6 V. 3 Quelle est la tension aux bornes de l interrupteur K? 4 Quelle est la tension aux bornes du moteur M? M (b) V V (a) K 5

6 ctivité ③ OBJECTIFS Connaître la grandeur et l unité de la résistance. Savoir appliquer la loi d Ohm : 1- Rôle d une résistance dans un circuit On réalise un circuit en dérivation contenant deux ampoules identiques. Dans l une des branches, on rajoute une résistance. I2 G I1 1 2 Observation : I1 < I2 Conclusion : Une résistance dans une portion de circuit permet de diminuer l intensité. 2- Loi d Ohm appliqué à un dipôle résistif On place dans un circuit en série une pile, une résistance (R), un rhéostat. On mesure l intensité (I) parcourue dans le circuit avec un ampèremètre et la tension (U) aux bornes de la résistance. On fait varier le curseur du rhéostat et l on relève les deux grandeurs électriques U (tension) et I (intensité) aux bornes du dipôle résistif. On trace U en fonction de I. Que constatez-vous? vec quel modèle mathématique peut-on associé cette courbe. Proposer une conclusion. 6

7 3- Loi d Ohm Pour un conducteur ohmique (résistance ou dipôle résistif ou résistor), l intensité et la tension sont des grandeurs proportionnelles. Symbole U R I Grandeur Tension Résistance Intensité Unité Volt Ohm mpère (V) ( ) () 4- pplications Ex n 1 : On applique une tension de 220 V aux bornes d un conducteur d une résistance de 330 Ω. 1 Rappeler la loi d Ohm et exprimer I en fonction de U et R. 2 Quelle est l intensité qui circule dans ce conducteur? Ex n 2 : L intensité qui traverse un conducteur ohmique de résistance 47 Ω, est de 170 m. Rappeler la loi d Ohm puis calculer la tension appliquée à ses bornes. Ex n 3 : Un courant de 33,2 m traverse un conducteur ohmique, lorsque la tension entre ses bornes est de 9 V. 1 Rappeler la loi d Ohm et exprimer R en fonction de U et I. 2 Calculer la valeur de la résistance du conducteur ohmique. 7

8 ctivité ④ OBJECTIFS Connaître la grandeur et l unité de la puissance. Savoir appliquer la relation : 1- Puissance nominale L indication portée sur le culot est la puissance consommée par cette ampoule ou puissance nominale. Indiquer la puissance nominale de cette ampoule. 2- La puissance électrique en courant continu L expression de la puissance électrique est donné par : Symbole Grandeur Unité P Puissance Watt (W) U Tension Volt (V) I Intensité mpère () 3- Puissance maximale et intensité maximale La puissance consommée par une installation est égale à la somme des puissances des appareils en fonctionnement. On réalise le circuit suivant, comprenant un générateur et trois lampes montées en dérivation. On mesure l intensité dans la branche principale à chaque fois que l on allume une ampoule de plus. Conclure. 8

9 4- Protection des lignes Les câbles électriques et les multiprises sont conçus pour supporter une intensité de courant bien déterminée appelée «intensité maximale admise» ; Dans un circuit, quand l intensité dépasse les valeurs prescrites par les règle de sécurité, il y a surintensité : le fusible fond ; il agit comme un coupe circuit et protège ainsi l installation. G Fusible 5- pplication Ex n 1 : Lorsque cette ampoule fonctionne normalement, la tension appliquée est égale à 240 V, l intensité ainsi mesurée est de 250 m. Calculer la puissance P de cette ampoule. Ex n 2 : Exprimer I en fonction de P et de U, puis calculer l intensité qui circule dans ce fer à repasser. Ex n 3 : Une tension sur une lampe de puissance 1,8 W est parcourue par une intensité de 150 m. 1 Exprimer U en fonction de P et de I. 2 Calculer la tension U. 9

10 ctivité ⑤ OBJECTIFS Connaître les grandeurs et les unités d énergie électrique. Savoir appliquer la relation : 1- Energie électrique L expression de l énergie électrique est donnée par la relation suivante : symbole Grandeur Unités internationales Unités usuelles WE Energie électrique Joule (J) Watt.heure (W.h) P Puissance Watt (W) Watt (W) t Temps Seconde (s) Heure (h) retenir : 1 kwh = 1000 Wh 2- pplications Ex n 1 : Un élève révise son chapitre de physiques pour le prochain contrôle pendant 1 heure et 30 minutes. Pour cela, il s'éclaire avec une lampe de bureau de 60 W. ① Calculer, en kwh, l'énergie transférée à cette lampe pendant cette révision. ② Exprimer ensuite ce résultat en joules Ex n 2 : Calculer en Joules l énergie absorbée par un radiateur électrique qui consomme un courant de 3 sous 230 V pendant 1 heure. 10

11 Ex n 3 : Calculer la tension d alimentation d une résistance d une bouilloire qui consomme 3,6 kj en une minute avec de 5. ide à la résolution : 1 Convertir l énergie en Joules. 2 Exprimer la puissance P en fonction de l énergie (W E ) et le temps (t). Calculer la puissance (P). 3 Exprimer la tension (U) en fonction de la puissance (P) et l intensité (I). 4 Calculer cette tension (U). Ex n 4 : Calculer le temps de fonctionnement d une lampe qui absorbe 0,2 sous 230 V si elle consomme Joules. 11

12 ctivité ⑥ OBJECTIFS Etre capable de définir l effet Joule. Savoir appliquer la relation : et 1- Transformation de l énergie électrique Convertisseur d énergie Transformation en énergie Energie électrique Réception de l énergie Que remarque t-on? 2- Loi de Joule Dans un conducteur ohmique (une résistance), l énergie électrique est intégralement transformée en chaleur. Ce phénomène porte le nom d effet Joule. La puissance électrique : Si l on remplace U par et La loi d Ohm : cela donne : lors Si l on remplace I par cela donne : lors symbole Grandeur Unités internationales P Puissance Watt (W) R Résistance Ohm ( ) I Intensité mpère () U Tension Volt (V) 12

13 3- vantages de l effet Joule Chaque fois que toute la puissance dissipée est utilisée pour chauffer : Exemple : Les radiateurs électriques ; les plaques de cuisson ; le ballon d eau chaude ; la cafetière électrique. 4- Inconvénients de l effet Joule Chaque fois que la chaleur n est pas souhaitable. Exemples : Un moteur électrique ; une ampoule électrique On parle alors de puissance perdue par effet Joule : Pertes Joule. 5- pplications Ex n 1 : Une bouilloire contient dans sa cuve une résistance : R = 27. L intensité mesurée lors de son fonctionnement est de 8,6. Calculer la puissance dissipée par effet Joule de cette bouilloire. Ex n 2 : Un radiateur électrique est alimenté sous une tension de 230 V. On mesure sa résistance à l aide d un ohmmètre et indique une valeur de 40. Calculer la puissance dissipée. 13

14 ctivité ⑦ OBJECTIFS Connaitre la caractéristique d un générateur. Savoir appliquer la relation : 1- Caractéristique d un générateur 1-1 Définition Un générateur électrique (pile) est un convertisseur d énergie qui transforme l énergie chimique en énergie électrique a destination d un ou plusieurs récepteurs. 1-2 Caractéristique Intensité-Tension d une pile vec une pile, on a mesuré dans un circuit les valeurs de I et UPN. On obtient le graphe ci-contre : V RP ① Que constatez-vous? vec quel modèle mathématique peut-on associé cette courbe. ② Calculer la pente de la droite. 2- Loi d Ohm pour une pile La tension (U) aux bornes d un générateur débitant un courant d intensité (I) est donnée par : L expression de l énergie électrique est donnée par la relation suivante : Symbole UPN Grandeur Tension Unités internationales Volt (V) E Force électromotrice (fem) Volt (V) r Résistance interne de la pile Ohms ( ) I Intensité mpère () 14

15 3- Mesure de la f.e.m. d une pile Il suffit de brancher directement un voltmètre aux bornes de la pile pour mesurer la force électromotrice d une pile (fem) 4 Intensité coupe circuit Si l on relie deux bornes de la pile avec un fil métallique, on la met en coupe circuit. L intensité du courant qui parcourt alors le circuit coupe. Elle porte le nom d intensité coupe circuit. (I CC ). si U PN = 0 alors U E I CC I 5- Générateur de tension parfaite Un générateur de tension parfait ou idéal s il maintient entre ses bornes une tension constante, indépendamment de l intensité du courant qu il débite. Cette tension est égale à la force électromotrice E. llure de la courbe d un générateur parfait : U I N P 6- Bilan énergétique et rendement d un générateur et P U P E P J P U : Puissance utile P J : puissance perdu par effet joule P E : puissance engendrée ou puissance chimique Le rendement d une pile : 15

16 ctivité 8 OBJECTIFS Visualiser sur un graphique le point de fonctionnement Savoir appliquer la loi de Pouillet : 1- Visualisation graphique de deux caractéristiques (Pile et résistance) Soit le circuit ci-contre : Loi d ohm pour une résistance : Loi d ohm pour une pile : Lorsque le circuit fonctionne : V Loi de Pouillet : U Point de fonctionnement du circuit 2- pplication Un circuit électrique constitué d une pile de f.e.m. E = 6 V et d une résistance de 40. L intensité mesurée dans le circuit est de 136 m. Exprimer r en fonction de I, E et R. Puis calculer la résistance interne (r) de la pile. I 16

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