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90 minutes pour 5 exercices notés sur 20.

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Oui : c'est un devoir surveillé complet de 90 minutes. Pour une interrogation courte, garde un ou deux exercices ; pour un DS ou un contrôle de fin de chapitre, fais le sujet entier en temps limité.

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Oui, il évalue les notions du chapitre « Énergie électrique : puissance, effet Joule et rendement » du programme officiel de spécialité physique-chimie en première.

Spécialité Physique-Chimie 1ʳᵉ

Ressources · 1ʳᵉ · Spécialité Physique-Chimie

Énergie électrique : puissance, effet Joule et rendement

Porteurs de charge et intensité comme débit de charges ; puissance et énergie électriques ; effet Joule dans un dipôle ohmique ; bilan de puissance et rendement d’un convertisseur ; modèle d’une source réelle de tension et sa caractéristique.

À propos de cette page

Un devoir surveillé d’une heure trente noté sur 20 points, en cinq exercices de 4 points : la batterie d’un casque audio, l’énergie et le coût d’un appareil, une résistance chauffante, le modèle d’une source réelle de tension et le rendement du moteur d’un portail, avec un corrigé détaillé et son barème.

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Devoir surveillé · ★★ et ★★★ · Durée 90 min · Noté sur 20

90:00

benprofparticulier.frSpécialité Physique-Chimie · 1ʳᵉ

Devoir surveillé – Énergie électrique : puissance, effet Joule et rendement

Durée : 90 min – Calculatrice interdite – Sur 20 points · Spécialité Physique-Chimie 1ʳᵉ

Nom : Date : Note : / 20

Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.

Exercice 1 – La batterie d’un casque audio ★★

(4 pts)

Donnée : $e = 1, 602 \times 10^{- 19}$ C. Toutes les réponses sont justifiées et données avec leur unité.

a)La batterie d’un casque audio sans fil porte l’indication 500 mAh. Calculer la charge qu’elle stocke, en coulombs.
b)En écoute, le casque consomme un courant moyen de 25 mA. Calculer la durée d’écoute possible avec une batterie pleine, en heures.
c)Calculer le nombre d’électrons qui traversent chaque seconde une section du fil d’alimentation du casque.
d)Préciser le sens de déplacement de ces électrons par rapport au sens conventionnel du courant, puis la nature des porteurs de charge dans l’électrolyte de la batterie.

Exercice 2 – Énergie et coût d’un appareil ★★

(4 pts)

Un appareil de puissance 850 W fonctionne pendant 25 min. Le kilowattheure est facturé 0,2276 €.

a)Calculer l’énergie électrique consommée, en joules.
b)Convertir cette énergie en kilowattheures.
c)Calculer le coût de ce fonctionnement.
d)Calculer la durée de fonctionnement nécessaire pour que cet appareil consomme 1,00 kWh. Donner le résultat en heures et minutes.

Exercice 3 – Effet Joule dans une résistance chauffante ★★

(4 pts)

Une résistance chauffante est un dipôle ohmique de résistance 38,0 Ω ; elle est parcourue par un courant de 2,60 A.

a)Calculer la puissance dissipée par effet Joule.
b)Calculer la tension entre ses bornes.
c)Calculer l’énergie thermique dégagée en 40 min de fonctionnement.
d)Un variateur réduit l’intensité de 10 %. Calculer la nouvelle puissance dissipée, puis la baisse de puissance en pourcentage. Expliquer pourquoi elle ne vaut pas 10 %.

Exercice 4 – Modèle d’une source réelle de tension ★★★

(4 pts)

La caractéristique d’une source réelle de tension passe par les points (0,150 A ; 8,76 V) et (0,600 A ; 8,40 V).

a)Déterminer sa résistance interne $r$ .
b)Déterminer sa force électromotrice $E$ et vérifier le résultat sur le second point.
c)La source débite 0,400 A. Calculer la tension entre ses bornes, puis la puissance qu’elle transfère au circuit extérieur.
d)Dans ces conditions, calculer la puissance dissipée dans la source et son rendement.

Exercice 5 – Le moteur d’un portail ★★★

(4 pts)

Toutes les réponses sont justifiées.

a)Un élève écrit : « Un appareil de 1,50 kW consomme 1,50 kWh par minute. » Expliquer l’erreur et donner l’énergie consommée en une minute, en kWh puis en joules.
b)Le moteur d’un portail coulissant est alimenté sous 48,0 V et absorbe 12,5 A ; il fournit une puissance mécanique de 510 W. Calculer la puissance absorbée, puis son rendement.
c)Le moteur entraîne le portail par un réducteur de rendement 0,90. Calculer le rendement global, la puissance utile finale et la puissance perdue.
d)Un camarade affirme : « Les fils de liaison dissipent très peu par effet Joule, donc le rendement de toute installation électrique vaut 100 %. » Discuter cette affirmation en citant deux sources de pertes de ce portail.

Bon courage !

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Corrigé et barème – Énergie électrique : puissance, effet Joule et rendement

Durée : 90 min – Calculatrice interdite – Sur 20 points · Spécialité Physique-Chimie 1ʳᵉ

Exercice 1 – La batterie d’un casque audio ★★

(4 pts)

a)500 mAh = 0,500 A·h et 1 A·h = 3 600 C : $Q = 0, 500 \times 3 600 =$ 1 800 C. (1)
b) $Δ t = \frac{Q}{I} = \frac{1 800}{25 \times 10^{- 3}} = 72 000$ s (0,5 pt), soit 20 h (0,5 pt). (1)
c)Chaque seconde passe la charge $25 \times 10^{- 3}$ C : $N = \frac{25 \times 10^{- 3}}{1, 602 \times 10^{- 19}} \approx$ 1,56 × 10¹⁷ électrons. (1)
d)Les électrons, chargés négativement, se déplacent en sens inverse du sens conventionnel (0,5 pt) ; dans l’électrolyte, ce sont des ions qui se déplacent (0,5 pt). (1)

À retenir — 1 mAh = 3,6 C : une indication en mAh est une charge, et la durée de fonctionnement vaut Q ÷ I.

Exercice 2 – Énergie et coût d’un appareil ★★

(4 pts)

a) $Δ t = 25 \times 60 = 1 500$ s ; $E = P \times Δ t = 850 \times 1 500 = 1, 275 \times 10^{6}$ J : 1,275 × 10⁶ J. (1)
b) $E = \frac{1, 275 \times 10^{6}}{3, 6 \times 10^{6}} \approx$ 0,354 kWh (ou $0, 850 \times \frac{25}{60}$ ). (1)
c)Coût $= 0, 354 \times 0, 2276 \approx$ 0,0806 €, environ 8 centimes. (1)
d) $Δ t = \frac{1, 00}{0, 850} \approx 1, 176$ h, soit 4 235 s (0,5 pt), environ 1 h 11 min (0,5 pt). (1)

Erreur fréquente — Des watts multipliés par des minutes ne donnent ni des joules ni des kWh : secondes pour les joules, heures pour les kWh.

Exercice 3 – Effet Joule dans une résistance chauffante ★★

(4 pts)

a) $P_{J} = R \times I^{2} = 38, 0 \times 2, 60^{2} = 38, 0 \times 6, 76 \approx$ 257 W. (1)
b)Loi d’Ohm : $U = R \times I = 38, 0 \times 2, 60 =$ 98,8 V. (1)
c) $Δ t = 2 400$ s : $E = 256, 88 \times 2 400 \approx$ 6,17 × 10⁵ J. (1)
d) $I^{'} = 0, 90 \times 2, 60 = 2, 34$ A ; $P^{'} = 38, 0 \times 2, 34^{2} \approx$ 208 W (0,5 pt) ; baisse de 19 %, car $P$ varie comme $I^{2}$ et $0, 90^{2} = 0, 81$ (0,5 pt). (1)

Le point clé — P = R × I² : une baisse de 10 % de l’intensité fait baisser la puissance dissipée de 19 %.

Exercice 4 – Modèle d’une source réelle de tension ★★★

(4 pts)

a) $r = \frac{8, 76 - 8, 40}{0, 600 - 0, 150} = \frac{0, 36}{0, 450} =$ 0,800 Ω. (1)
b) $E = U + r \times I = 8, 76 + 0, 800 \times 0, 150 =$ 8,88 V (0,5 pt) ; vérification : $8, 88 - 0, 800 \times 0, 600 = 8, 40$ V (0,5 pt). (1)
c) $U = 8, 88 - 0, 800 \times 0, 400 =$ 8,56 V (0,5 pt) ; $P = U \times I = 8, 56 \times 0, 400 \approx$ 3,42 W (0,5 pt). (1)
d) $P_{r} = r \times I^{2} = 0, 800 \times 0, 400^{2} =$ 0,128 W (0,5 pt) ; $η = \frac{U}{E} = \frac{8, 56}{8, 88} \approx$ 96,4 % (0,5 pt). (1)

Repère — E est l’ordonnée à l’origine de la caractéristique et r l’opposé de son coefficient directeur.

Exercice 5 – Le moteur d’un portail ★★★

(4 pts)

a)1,50 kW est une puissance : en 1 min $= \frac{1}{60}$ h, $E = 1, 50 \times \frac{1}{60} =$ 0,0250 kWh (0,5 pt), soit $E = 1 500 \times 60 = 9, 00 \times 10^{4}$ J : 9,00 × 10⁴ J (0,5 pt). (1)
b) $P_{a} = U \times I = 48, 0 \times 12, 5 =$ 600 W (0,5 pt) ; $η = \frac{510}{600} =$ 0,85, soit 85 % (0,5 pt). (1)
c) $η = 0, 85 \times 0, 90 =$ 0,765 ; $P_{u} = 0, 765 \times 600 =$ 459 W ; pertes $600 - 459 =$ 141 W. (1)
d)Faux : même avec des fils parfaits, le moteur dissipe de l’énergie par effet Joule dans ses bobinages (0,5 pt) et par frottements dans le moteur et le réducteur (0,5 pt) ; ici le rendement global n’est que de 76,5 %. (1)

Attention — Le rendement d’une chaîne est le produit des rendements : il est plus petit que chacun d’eux.

Ce contrôle de spécialité physique-chimie 1ʳᵉ en bref

Un devoir surveillé type contrôle en classe sur « Énergie électrique : puissance, effet Joule et rendement » : 5 exercices, 90 minutes, noté sur 20. Le sujet et le corrigé sont téléchargeables en PDF, prêts à imprimer, pour travailler comme en classe.

Exercice 1 — La batterie d’un casque audio ★★/ 4 pts
Exercice 2 — Énergie et coût d’un appareil ★★/ 4 pts
Exercice 3 — Effet Joule dans une résistance chauffante ★★/ 4 pts
Exercice 4 — Modèle d’une source réelle de tension ★★★/ 4 pts
Exercice 5 — Le moteur d’un portail ★★★/ 4 pts

Notions évaluées

Porteur de charge, électron libre, ion, sens conventionnel du courant, charge élémentaire e, coulomb, intensité I = Q/Δt, ampère-heure et milliampère-heure, puissance P = U × I, watt, énergie E = P × Δt, joule, kilowattheure, E = U × Q, ordres de grandeur de puissances, coût d’une consommation, effet Joule, dipôle ohmique, P = R × I² = U²/R, transport sous haute tension, bilan de puissance, convertisseur, puissance absorbée, puissance utile, pertes, rendement η = Pu/Pa, rendement d’une chaîne, source idéale de tension, source réelle, force électromotrice E, résistance interne r, U = E − r × I, caractéristique, convention générateur, I = E/(R + r), court-circuit I = E/r.

Pour préparer ce contrôle

Relire le cours et la fiche de révision.
Refaire les exercices corrigés.
Se tester avec le QCM (24 questions).
Faire ce sujet en conditions réelles — 90 min, sans le cours — puis se corriger et noter les points à revoir.

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Questions fréquentes sur ce sujet

Combien de temps dure ce contrôle sur « Énergie électrique : puissance, effet Joule et rendement » ?: 90 minutes pour 5 exercices notés sur 20. Prévois le double si tu enchaînes avec la correction.
Le corrigé est-il fourni ?: Oui : le corrigé complet est fourni en PDF (bouton « Télécharger le corrigé »), avec le barème exercice par exercice.
Ce sujet peut-il servir de DS, de contrôle ou d'interrogation ?: Oui : c'est un devoir surveillé complet de 90 minutes. Pour une interrogation courte, garde un ou deux exercices ; pour un DS ou un contrôle de fin de chapitre, fais le sujet entier en temps limité.
Ce sujet suit-il le programme de spécialité physique-chimie de première ?: Oui : il évalue uniquement les notions du chapitre « Énergie électrique : puissance, effet Joule et rendement » du programme officiel de spécialité physique-chimie en première, soit : porteurs de charge électrique ; lien entre intensité d’un courant continu et débit de charges ; puissance et énergie électriques, ordres de grandeur de puissances courantes ; bilan de puissance dans un circuit ; effet Joule, cas des dipôles ohmiques ; rendement d’un convertisseur ; modèle d’une source réelle de tension continue comme association d’une source idéale et d’une résistance, sa caractéristique et les conséquences pratiques de la résistance interne.

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