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Physique-Chimie Cycle 4

Mes Pages
Thème 1 - Organisation et transformations de la matière
Ch. 1
L'eau que nous buvons est-elle pure ?
Ch. 2
La matière : états, masse et volume
Ch. 3
Les changements d'état de la matière
Ch. 4
Les mélanges
Ch. 5
La matière à l'échelle microscopique
Ch. 6
Que trouve-t-on dans l'air ?
Ch. 7
Les transformations chimiques et la pollution
Ch. 8
Modélisation des transformations chimiques
Ch. 9
Les ions dans notre quotidien
Ch. 10
Quand les acides et les bases réagissent
Ch. 11
Introduction à la masse volumique
Ch. 12
La masse volumique
Ch. 13
La matière, dans l'espace et dans l'Univers
Ch. 14
De l'Univers aux atomes
Thème 2 - Mouvement et interactions
Ch. 15
Introduction à la vitesse et au mouvement
Ch. 16
Repérage de mouvement et mesure de vitesse
Ch. 17
Vitesse et mouvement
Ch. 18
Les interactions
Ch. 19
Les forces
Ch. 20
Le poids
Thème 3 - L'énergie et ses conversions
Ch. 21
Introduire la notion d'énergie
Ch. 22
Conversion et transfert de l'énergie
Conversion et transfert de l'énergie
Ouverturep. 285
Que se passe-t-il quand on se brule ?
Activité documentairep. 286
D'où vient l'énergie électrique ?
Activité documentairep. 287
Quelle bouilloire choisir ?
Activité expérimentalep. 288
Quelle autonomie pour la trottinette électrique ?
Tâche complexep. 289
Bilan
Bilanp. 290-291
Exercices
Exercicesp. 292-297
La Physique-Chimie autrement
Travailler autrementp. 298
Ch. 23
La conservation de l'énergie
Ch. 24
Les circuits électriques
Ch. 25
La tension et l'intensité
Ch. 26
Relations entre grandeurs dans les circuits électriques
Ch. 27
Résistance et loi d'Ohm
Ch. 28
Puissance et énergie en électricité
Thème 4 - Des signaux pour observer et communiquer
Ch. 29
Le son
Ch. 30
La lumière
Ch. 31
Vitesse de propagation des signaux
Ch. 32
Des signaux au-delà de la perception humaine
Nos dossiers d'actualité
Nos dossier d'actualité
Chapitre 8

Exercices

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Je me teste

Je sais

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1
L'unité de l'énergie est :




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2
Lors d'un transfert d'énergie :



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3
Lors d'une conversion d'énergie :



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4
Pour la conversion d'une quantité donnée d'énergie :



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5
Complète la grille de mots-croisés. Pour écrire sur ce schéma, veuillez cliquer sur l'image et utiliser notre outil de dessin.

Vertical :

1. Système qui possède de l'énergie.
2. Coefficient de proportionnalité entre l'énergie convertie et la durée de la conversion.
3. Unité de la puissance.

Horizontal :

4. Unité de l'énergie.
5. Passage d'une forme d'énergie d'un système à un autre système.

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Je sais faire

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6
Une puissance de 1 200 W est égale à une puissance de :




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7
La quantité d'énergie stockée dans une biscotte est de 98 kJ, soit :




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8
Sachant que E = P \times t, une bouilloire de puissance 1 000 W fonctionnant durant 50 secondes convertira une énergie de :




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9
Si une bouilloire met 1 min 20 s pour porter à ébullition 300 mL d'eau, pour 1 200 mL cela prendra :




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Exercice corrigé

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Compétence : Présenter mon résultat avec l'unité adaptée.
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10
Que d'énergie pour se sécher les cheveux !

Katia met cinq minutes à se sécher les cheveux après la piscine.

1. Quelle quantité d'énergie son sèche-cheveux va-t-il convertir ? Donne le résultat en joules.
2. Convertis le résultat en kilojoules.
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Doc. 1
Une indication sur le sèche-cheveux.

Placeholder pour <stamp theme='pc-green1'>Doc. 1</stamp> Une indication sur le sèche-cheveux.<stamp theme='pc-green1'>Doc. 1</stamp> Une indication sur le sèche-cheveux.
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Étapes de la méthode
  • Repérer dans l'énoncé et les documents des grandeurs dont les valeurs sont données.
  • Écrire la relation mathématique entre la grandeur dont on cherche la valeur et celles dont on connait la valeur.
  • Remplacer les symboles par les valeurs des grandeurs, en vérifiant que leurs unités correspondent à celles de la formule.
  • Pour convertir en kilojoules une énergie exprimée en joules, il faut se servir du tableau de conversion des joules.
kJhJdaJJdJcJmJ
       
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Corrigé
1. Pour calculer l'énergie convertie par le sèche-cheveux, il faut utiliser la relation E = P × t avec P la puissance en W et t la durée d'utilisation en secondes.
Ici P = 1 300 W et t = 5 min = 5 × 60 s = 300 s
Donc E = 1 300 × 300 = 390 000 J
L'énergie convertie par le séche-cheveux est de 390 000 J.
2. Il faut convertir 390 000 J en kJ. Or on sait que 1 000 J = 1 kJ donc E = 390 kJ.
L'énergie convertie par le sèche-cheveux est donc de 390 kJ.
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Exercice similaire

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11
Combien d'énergie pour chauffer trois tasses d'eau ?

La bouilloire de Clara met trois minutes pour faire bouillir l'eau nécessaire à la préparation de trois tasses de thé. Sa puissance est de 1 000 W.

1. Détermine par le calcul la quantité d'énergie en joules que la bouilloire transfère à l'eau pendant le chauffage.
2. Convertis cette quantité d'énergie en kilojoules.

Placeholder pour Photographie d'une théière en verre et acier inoxydable contenant du thé chaud. De la vapeur s'échappe du bec.Photographie d'une théière en verre et acier inoxydable contenant du thé chaud. De la vapeur s'échappe du bec.
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Je m'entraine

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12
Des mots pour une phrase.

Compétence
Écrire des phrases claires, sans faute, en utilisant le vocabulaire adapté.

Utilise les mots dans l'ordre que tu souhaites pour construire des phrases correctes.

1. watt / grandeur / unité / puissance.
2. énergie / unité / grandeur / joule.
3. énergie / puissance / temps / unité.
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13
Tableaux de conversion.

1. Représente le tableau de conversion des puissances avec les multiples et sous-multiples du watt (W), en allant du milliwatt au kilowatt.
2. Représente le tableau de conversion des énergies avec les multiples et sous-multiples du joule (J), en allant du millijoule au kilojoule.
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14
Conversions d'énergie.

Utilise le tableau pour convertir :

1. 0,5 kJ =
 J.
2. 1 850 J =
 kJ.
3. 5 460 mJ =
 J.
4. 400 000 mJ =
 kJ.
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15
Conversions de puissance.

Utilise le tableau pour convertir :

1. 0,3 kW =
 W.
2. 1 350 W =
 kW.
3. 15 380 mW =
 W.
4. 100 mW =
 kW.
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16
Comparaison d'appareils.

Voici la puissance nominale de trois appareils :
  • aspirateur : 2 050 W
  • une machine à laver : 3 kW
  • aspirateur : 2,1 kW
1. Quel est l'appareil le plus puissant ? Le moins puissant ?
2. Si on considère une même durée d'utilisation pour les trois appareils, quel est celui qui convertira le plus d'énergie ? Explique ta réponse.
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17
Réservoir ou convertisseur ?

Classe les mots suivants selon deux catégories : réservoir ou convertisseur d'énergie.
Réservoir d'énergie Convertisseur d'énergie
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18
Le temps de faire chauffer l'eau.

Compétence
Pratiquer le calcul numérique et le calcul littéral.

Il faut transférer 158 kJ d'énergie à 500 mL d'eau pour que sa température passe de 25 °C à 100 °C. Tu as à ta disposition une bouilloire électrique de puissance 1 100 W. On considère que toute l'énergie électrique convertie par la bouilloire sert à chauffer l'eau.

1. Convertis 158 kJ en joules.
2. Écris la relation permettant de trouver la durée de transfert si tu disposes de la valeur de l'énergie transférée et de la puissance.
3. Calcule la durée d'utilisation en secondes de la bouilloire.
4. Exprime cette durée en minutes et en secondes.
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19
Détermine une puissance inconnue.

Une bouilloire transfère à l'eau qu'elle contient une énergie E = 315 kJ en une durée t = 3 minutes et 10 secondes. On considère que toute l'énergie électrique convertie par la bouilloire sert à chauffer l'eau.

1. Exprime les données de l'énoncé dans leur unité internationale.
2. Calcule le coefficient de proportionnalité entre ces deux données, c'est-à-dire le nombre de joules transférés chaque seconde à l'eau.
3. À quelle grandeur physique correspond ce coefficient de proportionnalité ? Quelle est son unité internationale ?
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20
Chaine énergétique

Un radiateur électrique chauffe une pièce d'une maison.

1. Quel est le réservoir d'énergie qui permet de faire fonctionner le radiateur ?
2. Quelle forme d'énergie le radiateur reçoit-il ? En quelle énergie est-elle transformée ?
3. Dans quel réservoir est transférée l'énergie transformée par le radiateur ?
4. Construis la chaine énergétique en utilisant les conventions vues dans
l'activité 2
.
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21
Appareils électriques convertisseurs d'énergie.

Beaucoup d'appareils électriques que tu possèdes sont de très simples convertisseurs d'énergie.

1. En quelle(s) forme(s) d'énergie est convertie l'énergie électrique par :

a. une bouilloire ?
b. un mixeur ?
c. une machine à laver ?
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22
Quel transfert ?

1. Précise de quel type de transfert il s'agit :
a. Un enfant pédale sur son vélo.
b. De l'eau bout dans une casserole.
c. Un homme bronze sur la plage.
d. Une télévision diffuse un film.
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23
Hydrolienne.

Une hydrolienne est une turbine hydraulique qui utilise l'énergie cinétique des courants marins ou fluviaux : c'est une « éolienne de la mer ». La turbine de l'hydrolienne couplée à un alternateur permet la conversion de l'énergie cinétique de l'eau en énergie électrique.

1. Quelle est la source d'énergie utilisée par l'hydrolienne ?
2. Cette source est-elle renouvelable ou non ? Explique ta réponse.
3. Quel est le convertisseur d'énergie qui permet de fournir de l'énergie sous forme électrique ?

Placeholder pour Photographie d'une hydrolienne sur une barge. Vue de face de la turbine sous-marine, détails techniques visibles.Photographie d'une hydrolienne sur une barge. Vue de face de la turbine sous-marine, détails techniques visibles.
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Une notion, trois exercices
Différenciation

Compétence : Pratiquer le calcul numérique et le calcul littéral.
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24
Un téléviseur

La télévision de Maxime a une puissance de 72 W. Il a estimé qu'elle était allumée en moyenne 5 h par jour. Données :
  • Une année dure 365 jours.
  • Un kilowatt-heure coute 0,15 €.
1. Calcule le nombre d'heures qu'il y a dans une année.
2. Calcule la durée annuelle de fonctionnement « réel » de la télévision.
3. Calcule en Wh l'énergie que reçoit la télé en un an.
4. Convertis cette énergie en kWh.
5. Calcule le cout que représente cette énergie.
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24
Une ampoule

Une ampoule basse consommation a une puissance de 14 W. Jade a estimé que son ampoule était allumée en moyenne 6 h par jour. Données :
  • Une année dure 365 jours.
  • Un kilowatt-heure coute 0,15 €.
1. Calcule la durée de fonctionnement « réelle » de l'ampoule par an.
2. Calcule en kWh l'énergie reçue par l'ampoule en un an.
3. Calcule le cout que représente cette énergie.
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24
Un réfrigérateur

Le réfrigérateur de Sélim a une puissance de 200 W. Même s'il est branché en permanence, on estime qu'en moyenne un réfrigérateur ne reçoit de l'énergie qu'un tiers du temps. Données :
  • Une année dure 365 jours.
  • Un kilowatt-heure coute 0,15 €.
1. Calcule en kWh l'énergie transférée au réfrigérateur sur une année.
2. Calcule le cout d'utilisation correspondant en euros.
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J'approfondis

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25
Quelle énergie pour chauffer de l'eau ?

Il faut apporter 4,2 J d'énergie pour réchauffer 1 g d'eau de 1 °C.

1. Quelle quantité d'énergie doit-on transférer à 1 mL d'eau pour le réchauffer de 1 °C ? Justifie ta réponse.
2. Quelle quantité d'énergie doit-on transférer à 200 mL d'eau pour les réchauffer de 1 °C ?
3. Quelle quantité d'énergie doit-on transférer à 200 mL d'eau pour les réchauffer de 75 °C ?
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26
Un oubli qui coute cher ?

Mathieu a oublié d'éteindre la plaque électrique chauffante en partant de chez lui à 8 h 30 le matin. Il s'en aperçoit à son retour le soir à 18 h. La plaque électrique a une puissance de 1 200 W.

1. Sous quelle forme est convertie l'énergie reçue par la plaque électrique ?
2. Quelle quantité d'énergie a été convertie durant l'absence de Mathieu ?
3. Quel est le cout de cet oubli, sachant qu'un kilowatt-heure vaut 0,15 € ?
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27
Chaine énergétique d'une éolienne.

Compétence
Produire et transformer des tableaux ou des documents graphiques.

Une éolienne se sert du vent pour produire de l'électricité : les pales de l'éolienne entrainent la mise en mouvement d'un alternateur qui produit l'électricité. Celle-ci est alors transférée au réseau électrique.

1. Construis la chaine énergétique d'une éolienne.
Placeholder pour Photographie d'éolienne blanche tournant sur fond bleu. Énergie renouvelable et propre.Photographie d'éolienne blanche tournant sur fond bleu. Énergie renouvelable et propre.
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28
Un mauvais protocole ?

Compétence
Concevoir une expérience pour tester une hypothèse.

Dans
l'activité 3 p. 154
, Fabien propose ce protocole à ses camarades : « On peut mettre 1 L d'eau dans la bouilloire la plus puissante et 500 mL dans la moins puissante, l'eau devrait arriver à la même température en même temps ! »

1. Explique en quoi le protocole de Fabien n'est pas précis.
2. Réécris le protocole en y apportant les précisions que tu jugeras utiles.
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29
Un plat à réchauffer.

Les informations trouvées sur une préparation de lasagnes surgelées indiquent « À décongeler au four à microondes pendant 5 minutes à puissance 1 000 W ». La puissance maximale du four de Téa est de 800 W.

1. Calcule la durée nécessaire pour réchauffer le plat avec le four de Téa.
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30
Ampoules basse consommation.

Dans les magasins de bricolage ou les grandes surfaces, on trouve ce tableau au rayon des ampoules d'éclairage :

Puissance d'une lampe « classique » à incandescence en watts (W)Puissance d'une lampe basse consommation de même éclairage en watts (W)
409
6011
7515
10020

Données :
  • On utilise en moyenne une lampe 6 h par jour.
  • Un kilowatt-heure coute 0,15 €.
1. Comment expliques-tu qu'une lampe basse consommation puisse fournir le même éclairage qu'une lampe classique qui a une puissance bien supérieure ?
2. Calcule l'économie réalisée en un an si on remplace une lampe classique de 75 W par la lampe basse consommation équivalente.
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31
S'éclairer avec le vent ?

Imagine un dispositif permettant de s'éclairer avec le vent comme source d'énergie. Voici le matériel disponible : turbine - pales - alternateur - chaudière - bouilloire - lampe.

1. Construis la chaine énergétique du dispositif.
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32
Chauffer de l'eau grâce à une rivière ?

Imagine un dispositif permettant de chauffer de l'eau avec le courant d'une rivière comme source d'énergie. Voici le matériel disponible : turbine - pales - alternateur - chaudière - bouilloire - lampe.

1. Construis la chaine énergétique du dispositif.
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33
Une route solaire en France.

Un tronçon long de 1 km, sur une route de la petite commune normande de Tourouvre-au-Perche (3 400 habitants), a été recouvert de dalles photovoltaïques. La production d'électricité est de 790 kWh par jour. On estime que l'éclairage public d'une ville nécessite 85 kWh par an et par habitant.

1. Calcule la production d'électricité sur une année en kWh.
2. Cette route est-elle capable de produire suffisamment d'électricité pour l'éclairage du village ?
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34
Consommation électrique d'un foyer.

Un foyer consomme en une année 11 000 kWh.

1. Exprime cette valeur en joules.
2. À ton avis, pourquoi les factures d'électricité indiquent l'énergie livrée en kWh plutôt qu'en joules ?
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35
Télévision en veille.

Une famille regarde la télévision en moyenne 3 h 15 par jour. Sur la plaque signalétique de leur téléviseur, on lit les informations suivantes : 230 V, 50 Hz, 300 W, 1‑kWh est facturé 0,15 €.

1. Convertis 3 h 15 min en h.
2. Quelle est la durée d'utilisation de la télévision sur une année ?
3. Quelle est l'énergie électrique consommée par la télévision en une année ?
4. Combien coute à cette famille l'utilisation de leur téléviseur pendant une année ?
5. Le reste de la journée, la télévision est en veille et le voyant de veille (230 V, 50 Hz, 1 W) reste allumé. Reprends le raisonnement précédent pour calculer la durée de veille sur une journée, puis sur une année.
6. Déduis-en l'énergie consommée lorsque le téléviseur est en veille sur une année et le cout de cette veille.
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36
Ne rien faire... c'est déjà beaucoup !

L'énergie nécessaire au métabolisme de base du corps humain est l'énergie dont l'organisme a besoin pour remplir ses fonctions vitales (travail du cœur, poumons, reins, foie, etc.). Cette énergie représente la plus grande proportion de notre dépense énergétique quotidienne. Ainsi, 70 % de l'énergie dépensée dans une journée est liée au métabolisme de base. Ce besoin en énergie est estimé par les formules suivantes :

SexeMétabolisme de base (en kJ pour 24 h)
FemmeHomme
[(9,7 × M) + (172,9 × T) − (4,7× A) + 667] × 4,18[(13,7 × M) + (492,3 × T) − (6,6 × A) + 77,6] × 4,18

M = masse de l'individu en kilogrammes (kg).
T = taille de l'individu en mètres (m).
A = âge de l'individu en années (ans).

1. Calcule l'énergie à apporter pour le métabolisme de base dun homme de 20 ans qui fait 1,70 m et pèse 65 kg.
2. Même question pour une femme du même âge, mesurant 1,65 m et pesant 55 kg.
3. Calcule pour ces deux personnes la quantité de riz nécessaire à leur métabolisme de base pour une journée.
100 g
riz cru		150 g
riz cru
Valeur énergétique1 460 kJ
(340 kcal)		870 kJ
(200 kcal)
Protéines7 g4 g
Glucides dont sucres76 g
2,9 g		46 g
traces
Lipides dont acides gras saturés1 g
0,2 g		traces
traces
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Je résous un problème

Compétence : Produire et transformer des tableaux ou des documents graphiques.
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Anna organise une fête et voudrait profiter de sa piscine. Il ne fait pas très beau et l'eau est, comme l'air, à 20 °C. Elle aimerait bien au moins 3 °C de plus ! Elle met en marche la pompe à chaleur.
Sera-t-elle prête à temps sachant que la fête est dans 12 h ?
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Doc. 1
La piscine d'Anna.

Placeholder pour Schéma 3D d'une piscine : 4m x 3m x 1,2mSchéma 3D d'une piscine : 4m x 3m x 1,2m
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Doc. 2
Descriptif de la pompe à chaleur.

Pour chauffer la piscine, une pompe à chaleur prélève de la chaleur dans le sol et la transfère à l'eau. La chaleur du sol est « gratuite » mais il faut de l'énergie électrique pour l'extraire.
  • Puissance convertie (pour faire tourner la pompe) : 790 W.
  • Puissance restituée (pour chauffer l'eau) : 4 500 W.
En une heure, la pompe à chaleur convertit 790 Wh et peut transférer 4 500 Wh à l'eau de la piscine.
L'énergie pour réchauffer 1 m3 d'eau d'un degré est de 1 200 Wh.
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Exercices supplémentaires

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37
Cherche l'intrus.

1. Trouve l'intrus dans la liste de mots suivants :






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38
Énergie ou puissance ?

1. Indiquez si ces valeurs représentent une puissance ou une quantité d'énergie :

a. 1 500 W



b. 30 kJ



c. 1,2 kW



d. 100 kWh



e. 3 450 Wh

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39
Grandeurs et unités.

1. Quelle relation mathématique existe-t-il entre l'énergie E, la puissance P et le temps t ?
2. Quelles sont les unités du système international des 3 grandeurs E, P et t ?
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40
L'efficacité énergétique d'un lave vaisselle.

L'efficacité énergétique est calculée pour 12 couverts, c'est donc la consommation énergétique du lave-vaisselle pour laver ces 12 couverts. Cet indice est exprimé en kWh par cycle de 12 couverts. On utilise en moyenne un lave-vaisselle 280 fois par an.

1. Quelle est la classe énergétique d'un lave vaisselle qui consomme 310 kWh par an ?
ABCDEFG
1,06 1,251,45 1,65 1,85 2,05 2,05
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41
Changer de système d'unité.

Données :
  • 1 Wh = 3 600 J et 1 calorie (cal) = 4,184 J
  • 1 kWh = 1 000 Wh et 1 kcal = 1 000 cal.
1. Exprime les quantités d'énergie suivantes en joules, puis en kilojoules.

a. 3 Wh =
J = 
 kJ.
b. 134 000 cal =
J = 
 kJ.
c. 1,2 kWh =
J = 
 kJ.
d. 450 kcal = 
 J = 
 kJ.
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Quelle quantité d'énergie va être convertie ?

Une plaque de cuisson, d'une puissance de 1,8 kW, est utilisée durant 5 minutes pour préparer des œufs sur le plat.

1. Donne la puissance de la plaque en watts.
2. Donne la durée d'utilisation en secondes.
3. Écris la relation permettant de trouver l'énergie convertie par la plaque connaissant la puissance de la plaque et la durée de transfert.
4. Calcule l'énergie convertie par la plaque en joules.
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Biscuits énergétiques.

Biscuit A : 5 biscuits (masse de 37,5 g) apportent 783 kJ d'énergie.
Biscuit B : 1 biscuit (masse de 12,5 g) apporte 58 kcal d'énergie.

Donnée : 1 kcal = 4,187 kJ.

1. Quel biscuit apporte le plus d'énergie ?
2. Quel paquet de 100 g de biscuits apporte le plus d'énergie ?
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Parcours de compétences

Compétence : Mener à bien un projet ayant une dimension citoyenne.
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Adam veut s'impliquer dans un projet citoyen. Il va à la maison des associations de son quartier et remarque quelques intitulés de rencontres thématiques programmées au cours de la semaine :
  • rencontres poétiques et ludiques ;
  • réunion d'information sur les risques sonores en discothèque ;
  • atelier de flyers d'information sur le cout énergétique du « mode veille » de nos appareils électriques ;
  • soirée déguisée.

Aide Adam à déterminer quels projets pourraient correspondre.
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Niveau 1
Je sais ce qu'est un projet citoyen.
Coup de pouce
Quelles réunions, dans cette liste, ont une dimension citoyenne ?
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Niveau 2
J'identifie un projet citoyen dans lequel je pourrais m'impliquer.
Coup de pouce
De quels autres projets citoyens as-tu déjà entendu parler ?
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Niveau 3
Je m'implique dans un projet citoyen.
Coup de pouce
As-tu déjà participé à un projet citoyen ? Si oui, décris ce que tu as fait.
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Niveau 4
Je m'engage activement dans un projet citoyen en justifiant mon choix.
Coup de pouce
Explique ce qui pourrait être assez important pour t'amener à t'impliquer dans un projet citoyen.

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