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Exercices

Sommaire

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Exercice corrigé

8

Étude d’une bouilloire électrique.

Sur une bouilloire électrique, on trouve une plaque signalétique qui porte les indications suivantes : 1 300 W, 230 V.
1.
Calcule l’intensité qui traverse la résistance chauffante de la bouilloire.
2.
De quel fusible de protection est-elle équipée : 1 A, 6 A, 10 A ?
3.
Il faut environ 1 minute pour faire chauffer l’eau. Calcule en J puis en kWh l’énergie qu’elle convertit.
Doc. 1
Bouilloire électrique.

Étapes de la méthode

  • Pour déterminer une intensité, il faut reformuler la relation P = U × I pour obtenir I en fonction de P et U.
    Un fusible protège des surintensités, sa valeur nominale correspond donc à l’intensité maximale qu’il laissera passer.
  • Il faut faire attention aux unités lorsqu’on utilise la formule E = P × t.
  • Deux jeux d’unités sont utilisés:
    (J) = (W) × (s) ou (kWh) = (kW) × (h).

Corrigé :

  • On connait l’expression de la puissance P = U × I. Pour déterminer l’intensité qui parcourt la résistance, il faut écrire cette relation sous la forme
    I=PUI = \dfrac{P}{U}.
    Avec P = 1 300 W et U = 230 V, on obtient :
    I=PU=1 300230=5,65 A.I = \dfrac{P}{U} = \dfrac{1 \: 300}{230} = 5\text{,}65 \: \text{A}.
    L’intensité qui traverse la résistance chauffante vaut donc 5,65 A.
  • Le fusible qui protège la bouilloire doit permettre le passage de la plus petite intensité possible, qui soit tout de même supérieure à 5,65 A.
    C’est donc le fusible 6 A.
  • On connait l’expression de l’énergie : E = P × t.
    Pour trouver l’énergie en joules, il faut exprimer la puissance en watts et la durée en secondes:
    On a donc P = 1 300 W et t = 60 s (1 minute = 60 secondes).
    On trouve alors E=1 300×60=78 000E = 1 \:300 \times 60 = 78\:000 J.
    Pour trouver l’énergie en kilowattheures, il faut exprimer la puissance en kilowatts et le temps en heures :
    On a donc P=1,3P = 1\text{,}3 kW et t=0,01667t = 0\text{,}01667 h
    (1 minute = 160\dfrac{1}{60} heures)
    On trouve alors E=1,3×0,016667=0,021E = 1\text{,}3 \times 0\text{,}016667 = 0\text{,}021 kWh.
9

Étude d’un bec électrique.

Le bec électrique utilisé au laboratoire possède les indications : 230 V, 500 W.
1.
Calcule l’intensité qui traverse la résistance chauffante du bec électrique.
2.
De quel fusible de protection est-il équipé : 1 A, 3 A, 5 A ?
3.
Lors d’un TP, on l’utilise pendant un quart d’heure. Calcule en J puis en kWh l’énergie convertie.

Je m'entraine

10

Systèmes de sécurité en électricité.

1.
Cite les principaux systèmes de coupure de courant que l’on retrouve dans une maison.
2.
Quels sont leurs principaux points communs et leurs principales différences ?
11

Des mots pour une phrase.

Utilise les mots dans l’ordre que tu souhaites pour former des phrases correctes :
1.
appareil électrique - puissance - rapidité - watt - convertir de l’énergie.
2.
consommée - énergie électrique - convertie.
3.
perdue - utile - énergie - chaleur.
12

Grandeurs et unités de l’énergie électrique.

1.
Quelle relation mathématique existe-t-il entre l’énergie convertie par un appareil électrique, sa puissance et sa durée d’utilisation ?
2.
Donne les unités du Système International pour chacune de ces grandeurs.
3.
Donne l’unité qu’utilisent les compagnies de distribution d’électricité pour chacune de ces grandeurs.
13

Ordres de grandeur de puissances.

1.
Classe ces appareils électriques du plus puissant au moins puissant selon toi :
calculatrice - aspirateur - lampe de salon - console de jeu.
2.
Donne pour chacun une estimation de leur puissance.
3.
Confirme tes estimations en regardant les plaques signalétiques des appareils de ta maison ou en faisant des recherches sur internet.
Doc. 1
Appareils électriques.
14

Conversions de puissance.

1.
Convertis les puissances suivantes dans l’unité demandée :
15

Conversions d’énergie.

1.
Convertis les énergies suivantes dans l’unité demandée :
16

Joue avec l’expression de la puissance.

1.
La formule P = U × I peut aussi s’écrire :
17

Joue avec l’expression de l’énergie.

1.
La formule E = P × t peut aussi s’écrire :
18

Propose une expérience.

1.
À l’aide du matériel suivant, propose un protocole et schématise l’expérience permettant de déterminer la puissance et l’énergie converties par un moteur électrique :
Matériel

▸ Un générateur.______▸ Un moteur.
▸ Un multimètres._____▸ Un interrupteur.
▸ Un chronomètre.
Doc. 2
Matériel.
19

Mesurer la puissance d’une DEL.

1.
Reproduis le circuit ci-contre.
2.
Ajoute les appareils de mesure nécessaires pour mesurer la puissance de la DEL, en précisant les bornes de ces appareils.
Doc. 3
Circuit.
20

Four ou four microondes ?

Pour faire réchauffer un plat, Diane a le choix entre un four classique et un four microondes. Ces deux appareils ont une puissance environ égale.
1.
Rappelle de quoi dépend l’énergie convertie par un four électrique.
2.
En utilisant tes connaissances, aide Diane à choisir le type de four qu’elle doit utiliser si elle veut consommer un minimum d’énergie.

Une notion, trois exercices

21

Un grille-pain

Un grille-pain est composé d’une résistance de pour faire griller le pain. Orianne se demande combien lui seront facturées les 3 minutes qu’il lui faut tous les matins pour faire griller des tartines en sachant qu’un kilowattheure est facturé  centimes et que son grillepain est branché sur une prise classique qui fournit 230 V.
1.
Grâce à la loi d’Ohm (U = R x I), détermine l’intensité qui passe à travers la résistance chauffante.
2.
Grâce à la formule P = U x I, détermine la puissance de la résistance chauffante.
3.
Convertis la puissance de la résistance en kilowatt (kW).
4.
Convertis les 3 minutes en heures (1 h = 60 min).
5.
Grâce à la formule E = P x t, détermine l’énergie électrique correspondant aux minutes d’utilisation du grille-pain.
6.
Calcule le prix facturé (1 kWh = 0,15 €).
21

Un four électrique

Un four est composé d’une résistance de 20 Ω. Noah se demande combien lui seront facturées les 30 minutes qu’il lui faut pour faire cuire sa tarte en sachant qu’un kilowattheure est facturé 15 centimes et que son four est branché sur une prise classique qui fournit 230 V.
1.
En utilisant la loi d’Ohm, détermine l’intensité qui traverse la résistance.
2.
Détermine la puissance de cette résistance.
3.
Calcule l’énergie électrique correspondant aux minutes d’utilisation du four (attention aux unités).
4.
Calcule le prix facturé.
21

Un sèche-cheveu

Un sèche-cheveu est composé d’une résistance de 50 Ω pour chauffer l’air et d’un moteur de 800 W pour propulser l’air réchauffé. Laura se demande combien lui seront facturées les 5 minutes qu’il lui faut tous les matins pour se sécher les cheveux en sachant qu’un kilowattheure est facturé 15 centimes et que son sèche-cheveu est branché sur une prise classique qui fournit 230 V.
1.
En utilisant la loi d’Ohm et la formule de la puissance, détermine la puissance de la résistance électrique puis la puissance totale du sèche-cheveu.
2.
Calcule l’énergie nécessaire à Laura pour se sécher les cheveux et déduis-en le prix facturé.
Doc. 1
Sèche-cheveu.

J'approfondis

22

Puissance d’une lampe.

On mesure qu’une lampe est traversée par une intensité de 150 mA quand on lui applique une tension de 12 V.
1.
Détermine la puissance de cette lampe.
2.
Est-elle plus ou moins puissante qu’une lampe soumise à une tension de 6 V et traversée par 400 mA ?
23

Intensité traversant les feux de croisement d’une voiture.

Les feux de croisement d’une voiture sont des lampes de 18 W alimentées par la batterie de la voiture (12 V).
1.
Quelle est l’intensité qui traverse ces lampes ?
24

Choisis la bonne pile.

Une lampe porte les indications 3 W ; 650 mA.
1.
Quelle est la tension aux bornes de la lampe lorsqu’elle est utilisée dans de bonnes conditions ?
2.
On a le choix entre les piles suivantes: une pile ronde de 1,5 V, une pile plate de 4,5 V et une pile carrée de 9 V. Laquelle devra-t-on choisir pour faire fonctionner cette lampe ?
25

Puissance d’un appareil électro-ménager.

Avant de faire tourner une machine de linge, Idriss a noté la valeur de l’index du compteur d’énergie d’EDF : Indi = 534,50 kWh. Il constate qu’à la fin du cycle de lavage 90 minutes plus tard, l’index est passé à la valeur Indf = 535,55 kWh. Dans ce laps de temps, le lave-linge a été le seul appareil de la maison mis sous tension.
1.
Détermine la puissance moyenne de ce lave-linge sur son cycle de fonctionnement.
26

Réchauffer son repas au microondes.

Un four microondes de 1 200 W convertit 0,06 kWh d'énergie électrique pour faire réchauffer un plat.
1.
Détermine pendant combien de temps il a été utilisé.
27

Sécurité sur une multiprise.

Une multiprise branchée sur la tension de secteur (230 V) est protégée par un fusible de 5 A. On a déjà branché sur cette multiprise un téléviseur de 150 W, une console de jeu de 40 W, une lampe halogène de 200 W et une box de 25 W.
1.
Calcule l’intensité totale qui traverse cette multiprise.
2.
On se propose de brancher en plus un ventilateur de 1 000 W. Le fusible de la multiprise le supportera-t-il ?
3.
Que se passerait-il si on voulait brancher sur cette même multiprise un aspirateur de 1 000 W ?
Doc. 1
Multiprise.
28

Installation électrique d’une buanderie.

Un fusible de 20 A protège la buanderie de la maison de Mathieu. Le tableau suivant représente l’intensité qui traverse chaque appareil en fonctionnement :
1.
Recherche toutes les combinaisons des appareils électriques que l’installation permet de faire fonctionner en même temps.
2.
Quels appareils ne doit-on pas faire fonctionner en même temps ?
AppareilIntensité (A)
Fer à repasser4
Lave-linge11
Sèche-linge8
Aspirateur5,2
Compresseur10
Doc. 2
Installation électrique.
29

Calcul d’une énergie.

Une plaque électrique de 1 200 W est utilisée durant 1 h 30.
1.
Détermine en joules l’énergie électrique que convertit cette plaque.
2.
Convertis cette énergie électrique en kilowattheures.
30

Étude d’un ventilateur.

La plaque signalétique du moteur électrique d’un ventilateur indique 80 W mais sa puissance utile n’est que de 60 W.
1.
Que signifie le terme puissance utile ?
2.
Calcule l’énergie (en joules) convertie par le moteur durant 30 minutes.
3.
Quelle quantité d’énergie est réellement utilisée pour faire tourner les pales ?
4.
Qu’est devenu le reste de l’énergie convertie par le moteur ? Est-ce une bonne chose pour l’utilisateur ?
5.
Recopie et complète le schéma ci-dessous.
Doc. 3
Ventilateur.
31

Consommation électrique d’un mixeur.

Sur la plaque signalétique d’un mixeur on trouve les indications 230 V / 4 A. On utilise ce mixeur durant 2 minutes pour faire une soupe.
1.
Quelle est la puissance de ce mixeur ?
2.
Quelle énergie aura-t-il consommée pour faire la soupe ? (Donne le résultat en J et en kWh).
32

Comparaison de différentes lampes.

Deux lampes « ancienne génération » portent les indications 60 W et 100 W.
1.
Quelle est la différence entre ces deux lampes pour l’utilisateur ?
2.
En combien de temps la lampe de 60 W convertira-t-elle 1 kWh ?
3.
En combien de temps la lampe de 100 W convertira-t-elle 1 kWh ?
4.
L’emballage d’une lampe à économie d’énergie porte l’indication suivante : 15 W = 60 W.
a. Qu’est-ce que cela signifie ?
b. Combien de temps cette lampe doit-elle fonctionner pour convertir 1 kWh ?
33

Puissance à souscrire.

L’installation électrique d’une maison comprend les appareils suivants : un lave-vaisselle de 1,7 kW, des radiateurs pour une puissance totale de 4 kW, un four d’une puissance de 2 200 W, des lampes pour une puissance totale de 900 W, et des appareils électroniques pour lesquels les puissances sont chacune de l’ordre de quelques dizaines de watts.
1.
Quel abonnement pouvez-vous choisir parmi les abonnements suivants : 6 kW, 9 kW, 12 kW, 15 kW ?
2.
En tenant compte de vos réponses précédentes, quel sera l’abonnement le plus adapté ?
3.
Que risque-t-il de se passer si l’on choisit l’abonnement à 9 kW ?
34

Sèche-cheveu et intensité.

Un sèche-cheveu possède quatre positions : il peut souffler de l’air chaud ou froid, à vitesse rapide ou normale. On peut lire sur ce sèche-cheveu les indications 230 V / 150 W - 300 W - 700 W - 1 000 W.
1.
Attribue à chaque puissance la vitesse et la chaleur de l’air.
2.
Calcule pour chaque puissance l’intensité électrique nécessaire.
35

Remplacer une lampe.

Une lampe 230 V / 60 W vient de griller dans la chambre de Mathilde. Elle ne trouve pas exactement la même lampe de rechange dans le placard mais elle trouve deux lampes : L1 (230 V / 40 W) et L2 (110 V / 60 W).
1.
Quelle lampe Mathilde devra-t-elle choisir ? Justifie ta réponse.
2.
Quelle différence Mathilde verra-t-elle lorsqu’elle aura installé la nouvelle lampe ?
36

Enceintes portatives.

Sur l’alimentation d’une enceinte portative, on peut lire les indications suivantes :
Entrée : 230 V / 5 W.
Sortie : 6 V / 500 mA.
1.
Calcule la puissance maximale que peut fournir la sortie son de l’enceinte.
2.
Compare ce résultat à la puissance d’entrée. Comment peux-tu expliquer cet écart ?

Je résous un problème

Problématique

1.
Pedro a fait installer un nouveau cumulus (appareil pour chauffer l’eau du robinet). Quel est le cout de l’énergie nécessaire pour obtenir 250 L d’eau chaude avec le cumulus ?
Doc. 1
Cumulus.
Le cumulus de Pedro se branche sur la tension du secteur (230 V) et chauffe 100 L d'eau en 2 h 30 grâce à une résistance chauffante 60 Ω.
Option base (TTC)
Puissance souscrite (kW)Abonnement annuel (€ TTC/an)Prix du kWh (cts TTC/kWh)
3
6
9
12
15		54,45
88,42
117,20
180,11
206,57		15,03
15,03
15,03
15,03
15,03
Doc. 2
Prix de l'énergie.
Chaque kilowattheure consommé est facturé 15 centimes.

Parcours de compétences

Parcours de compétences

Une lampe basse consommation de 35 Watts a fonctionné pendant 1 800 secondes.
1.
On souhaite connaitre le prix de l’éclairage qu’a fourni la lampe. Calcule l’énergie qu’elle a utilisée dans l’unité qui permettra l'utilisation de la grille des tarifs d’EDF.

Niveau 1 - Je sais ce qu’est une unité de mesure.

Coup de pouce : Deux unités de mesures sont utilisées dans l’énoncé. Retrouve lesquelles et précise les grandeurs physiques dont elles sont les références.

Niveau 3 - J’exprime mon résultat avec une unité.

Coup de pouce : L’énergie que reçoit la lampe peut aussi se calculer avec la puissance et la durée exprimée en heure et en kilowatt. Quelle valeur obtient-on alors ?

Niveau 2 - J’exprime l’unité de mon résultat avec de l’aide.

Coup de pouce : L’énergie reçue par la lampe peut s’obtenir par la formule E = P × t, avec t en seconde (s), P en Watt (W), et E en Joule (J). Calcule puis écris la valeur de cette énergie.

Niveau 4 - J’exprime mon résultat dans l’unité la plus adaptée.

Coup de pouce : Lequel des résultats obtenus est le plus facile à lire ? Lequel permet d’utiliser la grille des tarifs EDF pour calculer le prix de l’éclairage qu’a fourni la lampe ?

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DYS

Exercice 9 : Étude d’un bec électrique.

Le bec électrique utilisé au laboratoire possède les indications : 230 V, 500 W.

Question 1

Énoncé
Calcule l’intensité qui traverse la résistance chauffante du bec électrique.

Question 2

Énoncé
De quel fusible de protection est-il équipé : 1 A, 3 A, 5 A ?

Question 3

Énoncé
Lors d’un TP, on l’utilise pendant un quart d’heure. Calcule en J puis en kWh l’énergie convertie.
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