La charge électrique C6. La charge électrique

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1 Fiche ACTIVIT UM 8. / UM 8. / 8. La charge électrique 8. La charge électrique C6 Manuel, p. 74 à 79 Manuel, p. 74 à 79 Synergie UM S8 Corrigé Démonstration La charge par induction. Comment un électroscope permet-il de savoir si un objet est chargé Lorsqu on met en contact un objet chargé avec un électroscope, une partie de la charge est transférée de l objet à l électroscope, et les feuilles métalliques de l électroscope s éloignent l une de l autre. 2. Que se passe-t-il lorsqu on touche l électroscope avec le doigt Justifiez votre réponse. Il ne se passe rien car le doigt et l électroscope sont neutres. 3. Que se passe-t-il dans la boule de l électroscope lorsqu on approche une tige de verre chargée positivement Justifiez votre réponse. Les feuilles de l électroscope s éloignent l une de l autre. Les électrons de l électroscope sont attirés par la tige de verre et migrent dans la boule de l électroscope, ce qui crée un surplus de charges positives dans les feuilles. 4. Que se passe-t-il lorsqu on touche un électroscope avec le doigt alors qu une tige de verre chargée positivement est à proximité Justifiez votre réponse. Les feuilles de l électroscope reprennent leur position initiale. Les électrons du sol sont attirés dans le bouton de l électroscope par la tige de verre et se répartissent dans l électroscope. 5. Répondez aux questions suivantes. a) Quelle est la charge de l électroscope au moment où l on retire le doigt La charge est négative. b) Comment expliquez-vous que les feuilles métalliques de l électroscope ne se repoussent pas Les feuilles métalliques ne se repoussent pas parce que le surplus de charges négatives se trouve dans le bouton de l électroscope, attiré par la charge positive de la tige de verre. c) Que se passe-t-il lorsqu on éloigne ensuite la tige de verre de l électroscope Justifiez votre réponse. Les feuilles de l électroscope se repoussent, car le surplus de charges négatives se répand dans l ensemble de l électroscope. d) Comment se nomme cette façon de charger un objet Elle se nomme «charge par induction». 2 Synergie Univers matériel Concept 8.. Formulez la loi des charges électriques. Les charges électriques de signes opposés s attirent et les charges électriques de même signe se repoussent. 2. Comment un objet isolant neutre léger réagit-il lorsqu on l approche d un objet chargé L objet neutre est attiré par l objet chargé. 3. Nommez trois façons de charger électriquement un objet et, dans chaque cas, donnez un exemple. Par frottement, comme lorsqu on frotte un ballon en caoutchouc sur ses cheveux. Par contact, comme lorsqu on frotte d abord ses pieds sur un tapis (frottement) et qu ensuite on touche à une poignée de porte (contact) ou à une autre personne et qu on ressent une petite décharge électrique. Par induction, comme lorsqu on approche une tige chargée de l électroscope. 4. Lorsqu on charge électriquement un objet, quel type de charge est transféré d un objet à l autre Des électrons. 5. Pourquoi le caoutchouc ne pourrait-il pas être utilisé comme matériau dans la fabrication des fils électriques Le caoutchouc est un isolant, c est-à-dire une substance dans laquelle les charges électriques ne peuvent pas circuler. 6. Pourquoi ne peut-on pas charger un conducteur On ne peut pas charger un conducteur parce que les charges électriques s y déplacent aisément. 7. Qu est-ce qu un semi-conducteur Un semi-conducteur est une substance dans laquelle les charges électriques se déplacent difficilement. 8. Qu est-ce qu un supraconducteur Un supraconducteur est une substance qui conduit l électricité presque sans aucune contrainte à des températures très basses. 9. À l aide de la série électrostatique de la page 76 du manuel, figure 80, décrivez : a) un peigne en plastique qu on utilise pour démêler ses cheveux. Les électrons passent des cheveux au peigne en plastique. b) une veste en laine qui frotte contre un chandail en coton. Les électrons passent de la laine au chandail de coton. 0. À combien d électrons une charge de 3 C correspond-elle Elle correspond à 3 C 6, électrons/coulomb 2, électrons. Synergie Univers matériel Concept 8. 3

2 Synergie UM S8 Corrigé C7 NOM : C O R R I G GROUPE : DA TE : 8.2 L électricité statique Manuel, p. 80 à 82. Qu est-ce que l électricité statique L électricité statique est une forme d électricité qui apparaît à la suite d un frottement entre des substances ou des matériaux. 2. Pourquoi y a-t-il moins d électricité statique dans l air lorsque le taux d humidité est élevé L électricité statique ne peut pas être emmagasinée dans un corps qui est un bon conducteur. Lorsque le taux d humidité est élevé, l eau contenue dans l air permet à l air de maintenir sa neutralité. 3. Donnez deux exemples d utilisation de l électricité statique dans la vie quotidienne. Plusieurs réponses possibles. Exemples : La colorisation électrostatique d une carrosserie de voiture, l installation d un filtre électrostatique dans un échangeur d air, l exploitation de l électricité statique dans une photocopieuse ou une imprimante laser, etc. 4. À quel moment une décharge électrique se produit-elle Une décharge électrique se produit lorsqu il y a une trop grande accumulation d électricité statique dans les corps. 5. Donnez un exemple de décharge électrique. Plusieurs réponses possibles. Exemples : Lorsqu on les sort du sèche-linge, les vêtements collent les uns aux autres et émettent un crépitement accompagné de petites étincelles lorsqu on les sépare. Pendant un orage, des éclairs se produisent. 6. Comment les charges électriques se forment-elles dans un nuage orageux Dans un nuage orageux, les particules de grésil sont plus lourdes que les cristaux de glace et descendent dans le bas du nuage. Ce faisant, elles frappent les cristaux de glace, qui se chargent alors positivement. Le haut du nuage contenant les cristaux de glace se charge positivement tandis que le bas du nuage contenant les particules de grésil se charge négativement. 7. Expliquez la formation de la foudre. Le bas du nuage orageux qui est chargé négativement induit une charge positive à la surface du sol. Lorsque l accumulation des charges électriques de signes contraires devient importante, il se produit une décharge électrique entre le nuage et le sol. On peut alors observer un éclair. UM 8.2 / 6 Synergie Univers matériel Concept 8.2

3 UM 8.3 /2 UM 8.3 2/2 C8 Synergie UM S8 Corrigé 8.3 La loi de Coulomb Manuel, p. 83 et 84. noncez la loi de Coulomb. La force électrique entre deux corps chargés et immobiles est inversement proportionnelle au carré de la distance entre les charges et directement proportionnelle au produit des charges. 2. Notez l équation mathématique qui traduit la loi de Coulomb. Définissez les variables et, dans chaque cas, indiquez l unité de mesure employée. F E = kq q 2 où r 2 F E = Force électrique qui s exerce entre les corps chargés, exprimée en newtons (N) k = Constante de Coulomb, équivalant à Nm 2 /C 2 q et q 2 = Valeurs respectives des charges, exprimées en coulombs (C) r = Distance séparant les charges, exprimée en mètres (m) 3. Complétez les phrases suivantes, qui portent sur la loi de Coulomb. a) La loi de Coulomb s exerce à distance entre des charges immobiles. b) Selon la loi de Coulomb, plus les valeurs des charges électriques sont grandes, plus la force électrique est forte, alors que plus la distance qui sépare les charges est grande, plus la force électrique est faible. c) La force électrique entre deux charges, décrite par la loi de Coulomb, est une force d attraction si les deux charges sont de signes opposés, et une force de répulsion si les charges sont de même signe. Synergie Univers matériel Concept Répondez aux questions suivantes. a) Quelle est la grandeur de la force électrique entre deux sphères situées à 5 cm de distance et chargées positivement si la charge de la première sphère est de C et la charge de la deuxième sphère est de C Laissez une trace de votre calcul dans l encadré ci-dessous. b) S agit-il d une force d attraction ou de répulsion Justifiez votre réponse. Il s agit d une force de répulsion, car les charges sont de même signe. c) Qu adviendrait-il de la valeur de la force électrique si on diminuait de moitié la distance entre les charges Si on diminuait de moitié la distance entre les charges, la valeur de la force électrique quadruplerait. Elle serait alors de 4 N. 20 Données : k = Nm 2 /C 2 q = C q 2 = C r = 0,05 m F E = Synergie Univers matériel Concept 8.3 Calcul : F E = k q q 2 r 2 F E = 9 09 Nm 2 /C C C (0,05 m) 2 = N F E N

4 Synergie UM S8 Corrigé C9 8.4 Le champ électrique Manuel, p. 85 et 86. Donnez la définition d un champ électrique. Un champ électrique est une région de l espace où une force électrique créée par un corps chargé peut s exercer sur un autre corps chargé. 2. crivez l équation mathématique qui permet de calculer l intensité du champ électrique. Définissez les variables et, dans chaque cas, indiquez l unité de mesure employée. UM 8.4 /2 kq E = où E = Intensité du champ électrique, exprimée en newtons par r 2 coulomb (N/C) k = Constante de Coulomb, équivalant à Nm 2 /C 2 q = Valeur de la charge, exprimée en coulombs (C) r = Distance séparant la charge d un point donné, exprimée en mètres (m) 3. Complétez les phrases suivantes, qui portent sur le champ électrique. a) L intensité d un champ électrique dépend de la charge de l objet qui le produit et de la distance par rapport à l objet chargé. b) Plus la charge de l objet qui produit le champ est grande, plus l intensité du champ électrique est grande, tandis que plus la distance par rapport à l objet chargé est grande, plus l intensité du champ électrique est faible. c) Par convention, les lignes de champ électrique pointent vers l extérieur lorsque la charge est positive et vers l intérieur lorsque la charge est négative. d) Plus l intensité du champ électrique est grande, plus les lignes de champ sont rapprochées les unes des autres. c) d) Figure La représentation du champ électrique autour d une charge et entre deux charges. 5. Soit une charge électrique positive de C ; répondez aux questions suivantes. UM 8.4 2/2 4. Complétez les illustrations suivantes en y ajoutant les lignes de champ électrique ou le signe (positif ou négatif) de la sphère chargée. a) b) + a) Quelle est l intensité du champ électrique à 20 cm de cette charge Laissez une trace de votre démarche dans l encadré ci-dessous. Données : k = Nm 2 /C 2 q = C r = 0,20 m E = +, N/C Calcul : E = kq r 2 E = 9 09 Nm 2 /C C (0,20 m) 2 E =, N/C b) Dans quelle direction les lignes de ce champ sont-elles orientées Justifiez votre réponse. Les lignes de champ sont orientées vers l extérieur de la charge, car celle-ci est positive. Synergie Univers matériel Concept Synergie Univers matériel Concept 8.4

5 UM 8.5 /2 UM 8.5 2/2 8.5 Les circuits électriques 3. Vous disposez du circuit en série suivant. C2 Manuel, p. 87 à 89 Synergie UM S8 Corrigé. Complétez les phrases suivantes. a) Un circuit en série offre un seul chemin au passage du courant électrique. b) Un circuit en parallèle offre plusieurs chemins au passage du courant électrique. c) Dans un circuit électrique, le rôle des conducteurs est de permettre au courant de passer de la source d alimentation vers les autres composantes du circuit. d) Pour former un circuit en série, on raccorde les différentes composantes avec des conducteurs en formant une boucle unique. e) Dans un circuit en parallèle, le courant total se divise entre les différentes branches du circuit. 2. Donnez la signification des symboles normalisés suivants. Symbole normalisé Signification Une pile Une batterie Une ampoule Un conducteur Un interrupteur ouvert Un résisteur Synergie Univers matériel Concept Où devez-vous placer l ampèremètre pour mesurer l intensité du courant qui traverse la première ampoule L ampèremètre peut être placé n importe où dans le circuit, pourvu qu il soit branché en série avec le reste des composantes. Dans un circuit en série, en effet, l intensité du courant est la même partout. 4. Le circuit suivant représente trois ampoules branchées en parallèle. Répondez aux questions suivantes. Figure 2 Un circuit en parallèle. a) Les ampoules vont-elles toutes s allumer Seule la troisième ampoule va s allumer, car contrairement aux deux autres un courant électrique va la traverser. b) L ampèremètre va-t-il mesurer un quelconque courant Oui, l ampèremètre va afficher une mesure, car le courant qui sort de la batterie transitera par la branche contenant la troisième ampoule et retournera à la borne négative ( ) de la batterie. 5. Si vous aviez à construire une guirlande de lumières, pour lequel des deux circuits opteriezvous : en série ou en parallèle Justifiez votre choix. Le montage du circuit en parallèle est plus intéressant. En effet, contrairement au circuit en série, il n est pas obligatoire d avoir toutes les ampoules branchées. D autre part, si l une d entre elles ne fonctionne plus, les autres ampoules continueront à s allumer. 32 Figure Un circuit en série. Synergie Univers matériel Concept 8.5

6 Fiche LABO UM 8.6 3/3 UM 8.6 /2 C4 Synergie UM S8 Corrigé 4. À partir du graphique de la question 3 : a) calculez le taux de variation de chacune des droites. Laissez une trace de votre démarche dans l encadré ci-dessous. Les taux de variation pour les résisteurs A et B sont de 20 et de 40. b) Lequel des deux résisteurs offre la plus grande résistance au passage du courant électrique Le résisteur A. 5. La valeur de résistance est-elle constante pour toute la durée de l expérimentation Justifiez votre réponse. Oui, puisque les deux courbes sont des droites linéaires. 6. Que représente le taux de variation de chacune des courbes du graphique de la question 3 Justifiez votre réponse. Le taux de variation de chacune des courbes représente la valeur de résistance de chacun des résisteurs. En effet, pour calculer ce taux, on divise la tension électrique par l intensité du courant, ce qui est l expression de la loi d Ohm (R = U/I). La conclusion 7. Quelle est la valeur de la résistance de chacune des résistances La valeur de la résistance A est de 40 et celle de la résistance B de Résisteur A y 2 y 2 V 4 V 8 V Taux de variation 40 x 2 x 0,30 A 0,0 A 0,20 A Résisteur B y 2 y 2 V 2 V 0 V Taux de variation 20 x 2 x 0,600 A 0,00 A 0,500 A Synergie Univers matériel Concept Qui suis-je La loi d Ohm Manuel, p. 90 à 95 a) Je suis synonyme de tension électrique ou de voltage. La différence de potentiel ( U). b) Je suis l équation qui exprime la loi d Ohm. R = U/I. c) Je suis le sens du courant qui va de la borne positive à la borne négative. Conventionnel. d) Je corresponds à la différence d énergie transportée par les charges entre deux points d un circuit. La tension électrique ( U). e) Je suis l opposition rencontrée par le flux de charges électriques le long d un circuit. On me mesure en ohms (). La résistance (R). f) Je corresponds à la quantité de charges électriques qui passent dans un conducteur pendant un intervalle de temps donné. On me mesure en ampères (A). L intensité du courant (I). g) Nous sommes les trois facteurs dont dépend la valeur de l énergie électrique fournie à une composante du circuit. La tension électrique (U), l intensité du courant (I) et l intervalle de temps (t). 2. Un grille-pain qui fonctionne sous une tension électrique de 20 V est traversé par un courant de 8 A. Quelle est la valeur de la résistance de cet appareil Laissez une trace de votre démarche dans l encadré ci-dessous. R U 20 V 5 I 8 A 5 3. Une batterie d automobile qui possède une charge de C se décharge complètement en une heure trente (5 400 s). Quelle intensité de courant fournit-elle pendant ce temps Laissez une trace de votre démarche dans l encadré ci-dessous. I q C 40 A t s 40 A Synergie Univers matériel Concept

7 Synergie UM S8 Corrigé C5 4. Branchée à un petit moteur qui a une résistance de 3, une pile D fournit un certain courant sous une tension électrique de,5 V pendant deux heures. Répondez aux questions suivantes et laissez une trace de votre démarche dans les encadrés ci-dessous. a) Quelle est l intensité du courant fournie par la pile R U I U,5 V 0,5 A I 0,5 A b) Quelle est la charge de la pile t 2 h s I q q I t 0,5 A s C t C UM 8.6 2/2 5. Quel est le voltage aux bornes d un appareil électrique si une charge de 80 C lui transfère 9200 J U E J 240 V q 80 C 240 V 6. Quelle quantité d énergie un four micro-ondes aura-t-il consommé après trois minutes d utilisation si le courant qui le traverse est de 9 A et que la tension électrique est de 20 V t 3 min 80 s E UIt 20 V 9 A 80 s J J 40 Synergie Univers matériel Concept 8.6

8 UM 8.7 /4 UM 8.7 2/4 C Les lois de Kirchhoff Manuel, p. 96 à 202. Indiquez si les énoncés suivants correspondent à un circuit en série ou à un circuit en parallèle. 3. Calculez la résistance équivalente de chacun des groupes de résisteurs suivants. Laissez une trace de votre démarche dans les encadrés ci-dessous. a) R 5,6 Synergie UM S8 Corrigé noncé Circuit en série Circuit en parallèle a) L intensité du courant est identique, peu importe l endroit où on la mesure. b) L intensité du courant est répartie entre les différentes boucles du circuit. c) La résistance équivalente du circuit est plus petite que la somme des résistances individuelles. d) La somme des tensions électriques partielles égale la tension totale. e) La résistance équivalente est égale à la somme des résistances individuelles. f) La tension électrique totale est égale à la tension électrique dans chacune des branches. g) Avec trois résistances de 30, la résistance équivalente de ce circuit est de 0. h) L intensité de courant totale du circuit est égale à la somme des intensités dans chaque branche. 2. Un grille-pain possède quatre éléments chauffants identiques fonctionnant indépendamment les uns des autres. Répondez aux questions suivantes et laissez une trace de votre démarche dans les encadrés ci-dessous, le cas échéant. a) De quelle façon les éléments du grille-pain sont-ils branchés En parallèle. b) Si le grille-pain fonctionne sous une tension de 20 V et est traversé par un courant de 0 A, quelle intensité traverse chacun des éléments 0 A 4 branches 2,5 A 2,5 A c) Calculez la résistance de chaque élément chauffant et leur résistance équivalente. U T I T R 20 V T 2 0 A R U I 20 V 48 2,5 A Chaque élément a une résistance de 48, et R T = 2. Synergie Univers matériel Concept b) c) 52 9,5 8,92 Synergie Univers matériel Concept 8.7 5,5 R T R 5,6 8,4 5,5 9,5 R T R R T R R 4 R 8 R ,4 R 8 T R R 4 6 R,92 T

9 Synergie UM S8 Corrigé C2 d) R T R 4,5 4. Soit le circuit suivant, composé de trois résisteurs montés en série, branché à une source et à un interrupteur. Répondez aux questions suivantes et laissez une trace de votre démarche dans les encadrés ci-dessous. a) Quelle est la valeur de R R U I 4 b) Quelle est la tension électrique aux bornes de 8 V 2 V 4 3 A U 3 U 2 I A 8 V 60 V R R 4,5 T U A 2 V R UM 8.7 3/4 c) Quelle est la tension électrique aux bornes de U 3 U T (U U 2 ) 60 V (2 8) V 30 V 30 V d) Quelle est la valeur de la résistance R U 3 30 V 3 0 I 3 3 A 0 5. Soit le circuit suivant. Répondez aux questions et laissez une trace de votre démarche dans les encadrés ci-dessous. 24 V a) Quelle est la valeur de la résistance de U 2 24 V 24 I 2 A 24 b) Quelle intensité de courant traverse I U R 4 A c) Quelle est la valeur de 6 24 V 3 A 8 8 A I A I 3 R 8 I 3 I T (I I 2 ) 8 A ( 3) A 4 A U 3 I 3 24 V 6 4 A UM 8.7 4/4 Synergie Univers matériel Concept Synergie Univers matériel Concept 8.7

10 UM 8.8 /2 UM 8.8 2/2 C24 Synergie UM S8 Corrigé 8.8 La relation entre la puissance et l énergie électrique Manuel, p. 203 et 204. Quelle est la définition de la puissance électrique La puissance électrique est la quantité d énergie électrique consommée ou fournie par un appareil électrique, par unité de temps. 2. Quelle est l unité de mesure de la puissance La puissance est exprimée en joules par seconde (J/s) ; son unité de mesure dans le système international d unités est le watt (W). 3. Quelle équation vous permet de calculer la tension d un appareil si vous connaissez sa puissance et l intensité de son courant U P I 4. Quelle quantité d énergie est utilisée lorsqu un téléviseur de 348 W est en marche de 20 h à 22 h Laissez une trace de votre démarche dans l encadré ci-dessous. P 348 W t s E Pt 348 W s J 2,5 MJ 2,5 MJ 5. Quelle est la valeur de la résistance lorsque de l énergie est produite à une puissance de 200 W et que le courant est de 5 A Laissez une trace de votre démarche dans l encadré ci-dessous. U P 200 W 40 V I 5 A R U 40 V 8 I 5 A 8 Synergie Univers matériel Concept Quelle puissance est produite lorsqu une tension de 20 V est appliquée à un résisteur de 20 P U 2 (20 V) W W 7. Quelle est l intensité de courant débité par une pile de 2 V si celle-ci est utilisée dans un appareil de 2 W Laissez une trace de votre démarche dans l encadré ci-dessous. 8. Quelle est la consommation d énergie d une pile de 9,6 V qui alimente un circuit dans lequel circule un courant de 5 A pendant 8 minutes Laissez une trace de votre démarche dans l encadré ci-dessous. 9. On branche aux bornes d une pile de 2,6 V un résisteur inconnu ; la puissance dissipée est alors de 0,45 W. On branche ensuite ce même résisteur aux bornes d une pile de 7,2 V. Dans ce cas, quelle sera la puissance dissipée Laissez une trace de votre démarche dans l encadré ci-dessous. 62 P UI I P 2W 0,667 A U 2 V 0,667 A P UI 9,6 V 5 A 48 W E Pt 48 W 480 s J 23,04 kj 23,04 kj P U 2 R R U 2 (2,6 V) 2 5,02 P 0,45 W P (7,2 V) 2 3,45 W 5,02 3,45 W Synergie Univers matériel Concept 8.8