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Spécialité Physique-Chimie 1ʳᵉ

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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
Trente-six questions de QCM en trois niveaux, chacune corrigée : porteurs de charge, unités et définitions ; calculs de charge, de puissance, d’énergie, d’effet Joule, de rendement et de résistance interne ; puis pièges de raisonnement sur une résistance modifiée à tension ou à intensité fixée, le court-circuit, la haute tension et l’énergie d’une batterie.

Les 36 questions du QCM en version texte

Pour réviser sans écran ou imprimer : chaque question avec ses propositions ; la bonne réponse et son explication se déplient.

Niveau facile ★ — 12 questions

  1. Quelle est l’unité de la puissance électrique dans le Système international ?

    • A. le volt (V)
    • B. le coulomb (C)
    • C. le watt (W)
    • D. le joule (J)
    Réponse

    C. le watt (W) — La puissance se mesure en watts. Le joule est l’unité d’énergie, le volt celle de la tension et le coulomb celle de la charge.

  2. Dans un fil métallique, le courant électrique est dû au déplacement :

    • A. d’électrons libres
    • B. d’ions positifs
    • C. de protons
    • D. d’ions négatifs
    Réponse

    A. d’électrons libres — Dans un métal, les porteurs de charge mobiles sont les électrons libres ; les ions ne sont des porteurs mobiles que dans une solution.

  3. L’intensité d’un courant continu est égale :

    • A. au produit de la charge par la durée
    • B. au quotient de la durée par la charge
    • C. à la charge transportée en une heure
    • D. au quotient de la charge par la durée
    Réponse

    D. au quotient de la charge par la durée — L’intensité est un débit de charges : I = Q/Δt, et 1 A = 1 C·s⁻¹.

  4. L’indication « 5 000 mAh » portée par une batterie désigne :

    • A. une énergie électrique
    • B. une charge électrique
    • C. une puissance électrique
    • D. une tension électrique
    Réponse

    B. une charge électrique — Des ampères multipliés par des heures donnent une charge : 5 000 mAh = 5 000 × 3,6 C = 18 000 C.

  5. Un dipôle reçoit une puissance constante P pendant une durée Δt. L’énergie transférée vaut :

    • A. E = P/Δt
    • B. E = Δt/P
    • C. E = P × Δt
    • D. E = U × I²
    Réponse

    C. E = P × Δt — La puissance est un débit d’énergie : l’énergie s’obtient en la multipliant par la durée.

  6. À combien de joules correspond un kilowattheure ?

    • A. 1,0 kJ
    • B. 3,6 kJ
    • C. 1,0 MJ
    • D. 3,6 MJ
    Réponse

    D. 3,6 MJ — 1 kWh = 1 000 W × 3 600 s = 3,6 × 10⁶ J = 3,6 MJ.

  7. L’effet Joule désigne la conversion d’énergie électrique en énergie :

    • A. lumineuse, dans une diode électroluminescente
    • B. mécanique, dans un moteur à courant continu
    • C. chimique, dans une batterie en cours de charge
    • D. thermique, dans un conducteur parcouru par un courant
    Réponse

    D. thermique, dans un conducteur parcouru par un courant — Tout conducteur parcouru par un courant s’échauffe ; pour un dipôle ohmique, P = R × I².

  8. Dans le modèle U = E − r × I d’une source réelle, que désigne r ?

    • A. la force électromotrice de la source
    • B. la résistance interne de la source
    • C. la résistance du circuit extérieur
    • D. le rendement de la source
    Réponse

    B. la résistance interne de la source — r est la résistance interne : elle fait baisser la tension quand la source débite et dissipe r × I².

  9. Quel est l’ordre de grandeur de la puissance d’une bouilloire électrique ?

    • A. quelques watts
    • B. quelques dizaines de watts
    • C. environ 2 kW
    • D. environ 2 MW
    Réponse

    C. environ 2 kW — Bouilloires, fours et radiateurs ont une puissance de 1 à 3 kW ; quelques watts correspondent à une lampe à DEL.

  10. Le rendement d’un convertisseur est :

    • A. la puissance utile divisée par la puissance absorbée
    • B. la puissance absorbée divisée par la puissance utile
    • C. la puissance perdue divisée par la puissance utile
    • D. la puissance utile divisée par la puissance perdue
    Réponse

    A. la puissance utile divisée par la puissance absorbée — η = Pᵤ/Pₐ : un nombre sans unité, inférieur à 1.

  11. Pour une source idéale de tension, la tension entre ses bornes :

    • A. ne dépend pas de l’intensité débitée
    • B. diminue quand l’intensité débitée augmente
    • C. augmente quand l’intensité débitée augmente
    • D. s’annule quand l’intensité débitée est nulle
    Réponse

    A. ne dépend pas de l’intensité débitée — Une source idéale garde U = E quelle que soit l’intensité ; c’est la source réelle dont la tension diminue.

  12. La caractéristique U = f(I) d’une source réelle de tension est :

    • A. une droite croissante passant par l’origine
    • B. une droite décroissante d’ordonnée à l’origine E
    • C. une droite horizontale d’ordonnée E
    • D. une courbe qui passe par l’origine
    Réponse

    B. une droite décroissante d’ordonnée à l’origine E — U = E − r × I : droite de coefficient directeur −r, qui vaut E pour I = 0. Une droite horizontale serait celle d’une source idéale.

Niveau moyen ★★ — 12 questions

  1. Un dipôle soumis à une tension de 15,0 V est traversé par un courant de 0,400 A. Quelle puissance reçoit-il ?

    • A. 37,5 W
    • B. 6,00 W
    • C. 3,75 W
    • D. 60,0 W
    Réponse

    B. 6,00 W — P = U × I = 15,0 × 0,400 = 6,00 W. Diviser au lieu de multiplier conduit à 37,5 W.

  2. Un dipôle ohmique de résistance 68,0 Ω est traversé par un courant de 0,150 A. Quelle puissance dissipe-t-il ?

    • A. 10,2 W
    • B. 0,153 W
    • C. 15,3 W
    • D. 1,53 W
    Réponse

    D. 1,53 W — P = R × I² = 68,0 × 0,150² = 68,0 × 0,0225 = 1,53 W. Oublier le carré donne 10,2 W.

  3. Un moteur absorbe une puissance de 250 W et fournit 190 W de puissance mécanique. Son rendement vaut :

    • A. 76 %
    • B. 24 %
    • C. 132 %
    • D. 60 %
    Réponse

    A. 76 % — η = 190/250 = 0,76, soit 76 %. 24 % est la part perdue, 132 % le quotient inversé.

  4. Une pile de force électromotrice 4,50 V et de résistance interne 0,500 Ω débite 0,600 A. La tension entre ses bornes vaut :

    • A. 4,80 V
    • B. 3,90 V
    • C. 4,20 V
    • D. 4,50 V
    Réponse

    C. 4,20 V — U = E − r × I = 4,50 − 0,500 × 0,600 = 4,50 − 0,300 = 4,20 V. Ajouter la chute de tension donne 4,80 V.

  5. Une lampe de puissance 40,0 W reste allumée 3,0 h. Quelle énergie consomme-t-elle ?

    • A. 12 kWh
    • B. 1,2 kWh
    • C. 0,012 kWh
    • D. 0,12 kWh
    Réponse

    D. 0,12 kWh — E = P × Δt = 0,0400 kW × 3,0 h = 0,12 kWh, soit 120 Wh. Les autres valeurs viennent d’une conversion des watts en kilowatts mal faite.

  6. Un dipôle ohmique soumis à une tension de 7,50 V dissipe une puissance de 0,625 W. Sa résistance vaut :

    • A. 12,0 Ω
    • B. 0,0833 Ω
    • C. 90,0 Ω
    • D. 4,69 Ω
    Réponse

    C. 90,0 Ω — P = U²/R donc R = U²/P = 56,25/0,625 = 90,0 Ω. Oublier le carré de la tension donne 12,0 Ω.

  7. Un chargeur transfère une énergie de 54,0 kJ en 15 min. Sa puissance moyenne vaut :

    • A. 60,0 W
    • B. 3,60 W
    • C. 900 W
    • D. 3,6 kW
    Réponse

    A. 60,0 W — P = E/Δt = 54,0 × 10³/900 = 60,0 W. Diviser par 15 au lieu de 900 s donne 3,6 kW.

  8. Un courant de 0,25 A circule pendant 4,0 min. Quelle charge traverse une section du circuit ?

    • A. 1,0 C
    • B. 960 C
    • C. 60 C
    • D. 16 C
    Réponse

    C. 60 C — Q = I × Δt = 0,25 × 240 = 60 C. Garder la durée en minutes donne 1,0 C.

  9. Combien d’électrons portent une charge de 8,0 C ? (e = 1,602 × 10⁻¹⁹ C)

    • A. 1,3 × 10⁻¹⁸
    • B. 5,0 × 10¹⁹
    • C. 2,0 × 10⁻²⁰
    • D. 5,0 × 10¹⁸
    Réponse

    B. 5,0 × 10¹⁹ — N = Q/e = 8,0/(1,602 × 10⁻¹⁹) ≈ 5,0 × 10¹⁹. Multiplier par e donne 1,3 × 10⁻¹⁸, qui n’est pas un nombre d’électrons.

  10. Une pile (E = 9,0 V ; r = 2,0 Ω) alimente un dipôle ohmique de 16 Ω. L’intensité vaut :

    • A. 0,56 A
    • B. 4,5 A
    • C. 0,64 A
    • D. 0,50 A
    Réponse

    D. 0,50 A — I = E/(R + r) = 9,0/18 = 0,50 A. Oublier r donne 0,56 A ; 4,5 A est l’intensité de court-circuit.

  11. Deux mesures sur une source réelle : (0,20 A ; 4,46 V) et (0,70 A ; 4,16 V). Sa résistance interne vaut :

    • A. 0,43 Ω
    • B. 0,60 Ω
    • C. 1,7 Ω
    • D. 5,9 Ω
    Réponse

    B. 0,60 Ω — r = (4,46 − 4,16)/(0,70 − 0,20) = 0,30/0,50 = 0,60 Ω. Le quotient U/I d’un seul point (5,9 Ω) n’est pas la résistance interne.

  12. Une batterie de 3,7 V stocke une charge de 2 000 mAh. L’énergie qu’elle stocke vaut :

    • A. 7,4 Wh
    • B. 7 400 Wh
    • C. 0,54 Wh
    • D. 5,7 Wh
    Réponse

    A. 7,4 Wh — E = U × Q = 3,7 × 2,0 = 7,4 Wh (2 000 mAh = 2,0 A·h). 7 400 Wh vient de mAh pris pour des A·h.

Niveau difficile ★★★ — 12 questions

  1. Sous une tension imposée, on remplace un dipôle ohmique par un autre de résistance trois fois plus petite. La puissance dissipée :

    • A. est multipliée par neuf
    • B. est divisée par trois
    • C. reste inchangée
    • D. est multipliée par trois
    Réponse

    D. est multipliée par trois — À tension imposée, P = U²/R : la résistance est au dénominateur, diviser R par trois multiplie la puissance par trois. Le carré porte sur la tension, pas sur la résistance : pas de facteur neuf.

  2. À intensité imposée, doubler la résistance d’un dipôle ohmique :

    • A. divise la puissance dissipée par deux
    • B. multiplie la puissance dissipée par deux
    • C. laisse la puissance dissipée inchangée
    • D. divise la puissance dissipée par quatre
    Réponse

    B. multiplie la puissance dissipée par deux — À intensité imposée, P = R × I² est proportionnelle à R : elle double. Tout dépend de la grandeur maintenue fixe.

  3. Une source (E ; r) alimente un dipôle ohmique de résistance R. Son rendement :

    • A. vaut toujours exactement 1
    • B. est égal au quotient r/(R + r)
    • C. est égal au quotient R/(R + r)
    • D. augmente lorsque R diminue
    Réponse

    C. est égal au quotient R/(R + r) — η = U/E = R × I/((R + r) × I) = R/(R + r) : il est d’autant meilleur que R est grande devant r.

  4. La tension mesurée entre les bornes d’une pile en circuit ouvert :

    • A. est égale à sa force électromotrice
    • B. est nulle, car aucun courant ne circule
    • C. vaut E diminuée de la chute interne
    • D. dépend de la résistance du circuit
    Réponse

    A. est égale à sa force électromotrice — En circuit ouvert, I = 0 donc U = E − r × 0 = E : c’est la façon la plus simple de mesurer une force électromotrice.

  5. On ajoute à une chaîne de conversion un convertisseur de rendement 0,98. Le rendement global :

    • A. augmente légèrement
    • B. diminue légèrement
    • C. reste inchangé
    • D. devient égal à 0,98
    Réponse

    B. diminue légèrement — Le rendement global est multiplié par 0,98 < 1 : il baisse de 2 % de sa valeur, même avec un excellent convertisseur.

  6. On court-circuite une pile de force électromotrice E et de résistance interne r. Alors :

    • A. l’intensité s’annule dans le circuit
    • B. la tension entre ses bornes reste égale à E
    • C. la puissance dissipée dans r devient nulle
    • D. l’intensité vaut E/r et la pile s’échauffe
    Réponse

    D. l’intensité vaut E/r et la pile s’échauffe — La tension entre les bornes devient nulle, donc E = r × I : l’intensité est maximale et toute la puissance est dissipée dans la pile.

  7. Une ligne transporte une puissance P fixée sous une tension U. Multiplier U par dix :

    • A. divise les pertes par effet Joule par cent
    • B. divise les pertes par effet Joule par dix
    • C. multiplie les pertes par effet Joule par dix
    • D. ne change pas les pertes par effet Joule
    Réponse

    A. divise les pertes par effet Joule par cent — les pertes valent R × P²/U² : elles varient comme l’inverse du carré de la tension et sont divisées par 10² = 100.

  8. Dans le bilan E × I = U × I + r × I² d’une pile, le terme r × I² représente :

    • A. la puissance transférée au circuit extérieur
    • B. la puissance électrique totale engendrée
    • C. la puissance dissipée à l’intérieur de la pile
    • D. l’énergie chimique stockée dans la pile
    Réponse

    C. la puissance dissipée à l’intérieur de la pile — r × I² est perdu par effet Joule dans la résistance interne ; U × I est transféré au circuit et E × I est la puissance totale engendrée.

  9. Dans une solution de chlorure de sodium traversée par un courant :

    • A. les ions Na⁺ et Cl⁻ se déplacent tous dans le sens du courant
    • B. les ions Cl⁻ vont dans le sens du courant, les ions Na⁺ en sens inverse
    • C. les électrons libres traversent la solution en sens inverse du courant
    • D. les ions Na⁺ vont dans le sens du courant, les ions Cl⁻ en sens inverse
    Réponse

    D. les ions Na⁺ vont dans le sens du courant, les ions Cl⁻ en sens inverse — Dans une solution, les porteurs de charge sont les ions : les cations (Na⁺) se déplacent dans le sens conventionnel du courant, les anions (Cl⁻) en sens inverse. Il n’y a pas d’électrons libres dans l’eau.

  10. Deux batteries portent la même indication « 3 000 mAh », l’une sous 3,7 V, l’autre sous 12 V. Laquelle stocke le plus d’énergie ?

    • A. celle de 12 V, car l’énergie stockée vaut U × Q
    • B. aucune : même charge, donc même énergie
    • C. celle de 3,7 V, car elle peut débiter plus longtemps
    • D. on ne peut pas conclure sans leur puissance
    Réponse

    A. celle de 12 V, car l’énergie stockée vaut U × Q — Même charge Q, mais E = U × Q : 36 Wh sous 12 V contre 11,1 Wh sous 3,7 V. Le mAh n’est pas une énergie.

  11. Un générateur délivre 0,40 A sous 12 V à une lampe et un moteur montés en série. La lampe reçoit 3,2 W. Le moteur reçoit :

    • A. 4,8 W
    • B. 8,0 W
    • C. 1,6 W
    • D. 3,2 W
    Réponse

    C. 1,6 W — Le générateur fournit 12 × 0,40 = 4,8 W, partagés entre les récepteurs : le moteur reçoit 4,8 − 3,2 = 1,6 W.

  12. Le rendement η = U/E d’une source réelle de tension :

    • A. augmente quand l’intensité débitée augmente
    • B. est meilleur quand l’intensité débitée est faible
    • C. ne dépend pas de l’intensité débitée
    • D. vaut toujours 50 % en fonctionnement normal
    Réponse

    B. est meilleur quand l’intensité débitée est faible — η = (E − r × I)/E = 1 − r × I/E : plus la source débite, plus la part perdue dans r est grande.

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