Première spécialité · Physique · Chapitre 9

Exercices — Énergie électrique

10 exercices de difficulté croissante, du niveau 1 (application directe) au niveau 5 (défi type bac), avec corrections détaillées pas à pas.

Comment utiliser cette fiche

  1. Cherche chaque exercice seul, au brouillon ou dans la zone de réponse : la correction ne s'affiche que si tu la demandes.
  2. Bloqué ? Utilise d'abord le coup de pouce : il oriente sans donner la réponse.
  3. Compare ensuite ta démarche à la correction : formule littérale, conversions, calcul, résultat avec unité, interprétation.
  4. Coche « Exercice terminé » pour suivre ta progression (enregistrée sur cet appareil uniquement).
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Exercice 1 — Intensité et débit de charges

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Niveau 1 — application directeObjectif : Utiliser \(I = Q/\Delta t\) et connaître des ordres de grandeur

Une charge \(Q = 18\ \text{C}\) traverse une section d'un fil en 1,0 minute.

  1. Calculer l'intensité du courant.
  2. Associer chaque intensité à un appareil : 0,02 A ; 0,3 A ; 10 A ; 100 A. Appareils : démarreur de voiture, lampe LED de bureau, bouilloire, lampe de poche à incandescence.

Exercice 2 — Lire la caractéristique d'une pile

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Niveau 1 — application directeObjectif : Déterminer E et r à partir de deux points de la caractéristique

Une pile délivre une tension de 4,5 V lorsqu'elle ne débite aucun courant, et une tension de 3,9 V lorsqu'elle débite 0,60 A.

  1. Quelle est la force électromotrice \(E\) de la pile ?
  2. Calculer sa résistance interne \(r\).
  3. Calculer la tension à ses bornes lorsqu'elle débite 0,30 A.

Exercice 3 — Combien d'électrons pour recharger un téléphone ?

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Niveau 2 — plusieurs étapesObjectif : Relier intensité, charge et nombre de porteurs

Un téléphone se recharge sous une intensité constante de 2,0 A pendant 1 h 30 min.

Données
\(e = 1{,}60\times10^{-19}\ \text{C}\)
  1. Calculer la charge électrique \(Q\) qui a traversé le câble.
  2. En déduire le nombre d'électrons correspondant.
  3. La batterie indique « 3000 mAh ». En comparant avec \(Q\) exprimée en mA·h, la batterie était-elle presque vide au départ ?

Exercice 4 — Ce que coûte une bouilloire

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Niveau 2 — plusieurs étapesObjectif : Calculer une énergie électrique en joules et en kWh

Une bouilloire de puissance 2200 W, branchée sur le secteur (230 V), fonctionne pendant 3,0 minutes. Le kWh est facturé 0,25 €.

  1. Calculer l'intensité du courant qui la traverse.
  2. Calculer l'énergie électrique consommée, en joules puis en kWh.
  3. Combien coûte une utilisation ? Et 2 utilisations par jour pendant un an ?

Exercice 5 — Choisir une résistance qui ne brûle pas

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Niveau 3 — choisir une méthodeObjectif : Calculer une puissance dissipée par effet Joule et faire un choix technique

Un montage applique une tension \(U = 12\ \text{V}\) aux bornes d'une résistance \(R = 47\ \Omega\). Le magasin propose des résistances supportant au maximum 0,25 W, 1 W ou 5 W.

  1. Calculer l'intensité du courant dans la résistance.
  2. Calculer la puissance dissipée par effet Joule, de deux façons différentes.
  3. Quelle résistance faut-il acheter ? Que se passerait-il avec le modèle 0,25 W ?

Exercice 6 — Tracer et exploiter la caractéristique d'une pile

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Niveau 3 — choisir une méthodeObjectif : Modéliser des mesures par une droite et en déduire E et r

On fait débiter une pile dans différentes résistances et on mesure à chaque fois \(U\) et \(I\).

\(I\) (A)00,200,400,600,80
\(U\) (V)4,504,314,093,913,69
00,20,40,60,83,63,844,24,44,6I (A)U (V)
Caractéristique U = f(I) et droite modélisée.
  1. Justifier que la pile peut être modélisée par une source réelle de tension.
  2. Déterminer \(E\) et \(r\) à partir du graphique.
  3. Quelle intensité la pile débiterait-elle si on reliait directement ses bornes par un fil (court-circuit, \(U = 0\)) ? Pourquoi est-ce dangereux ?

Exercice 7 — Bilan de puissance d'un circuit pile + lampe

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Niveau 4 — problème en autonomieObjectif : Établir un bilan de puissance complet

Une pile (f.é.m. \(E = 6{,}0\ \text{V}\), résistance interne \(r = 1{,}5\ \Omega\)) alimente une lampe assimilée à un conducteur ohmique de résistance \(R = 10{,}5\ \Omega\).

  1. En utilisant \(U = E - r\,I\) et \(U = R\,I\), montrer que \(I = \dfrac{E}{R + r}\), puis calculer \(I\) et \(U\).
  2. Calculer la puissance reçue par la lampe, la puissance perdue par effet Joule dans la pile et la puissance fournie par la source idéale. Vérifier le bilan.
  3. Calculer le « rendement » de la pile, \(\eta = P_{lampe}/P_{fournie}\). Comment évoluerait-il avec une pile de résistance interne plus grande ?

Exercice 8 — Recharger une voiture électrique

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Niveau 4 — problème en autonomieObjectif : Raisonner sur énergie, puissance et rendement dans un contexte réel

Une voiture électrique possède une batterie de 52 kWh. On la recharge de 20 % à 80 % avec une borne domestique qui prélève 7,4 kW sur le réseau. Le rendement de la charge (borne + chargeur embarqué + batterie) est de 90 %.

Données
Prix du kWh : 0,25 €.
  1. Quelle énergie faut-il stocker dans la batterie ?
  2. Quelle énergie faut-il prélever sur le réseau ? Combien d'énergie est perdue, et sous quelle forme principalement ?
  3. Calculer la durée de la recharge.
  4. Calculer le coût de la recharge.

Exercice 9 — Pourquoi les rallonges trop fines chauffent

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Niveau 4 — problème en autonomieObjectif : Transférer l'effet Joule au transport de l'électricité

Un radiateur électrique de 2000 W est branché sur le secteur (230 V) par une rallonge. Les deux fils de la rallonge ont une résistance totale de 0,40 Ω (rallonge épaisse) ou de 1,6 Ω (rallonge fine de même longueur). On suppose que l'intensité reste celle calculée pour le radiateur seul.

  1. Calculer l'intensité du courant dans le radiateur et dans la rallonge.
  2. Calculer la puissance dissipée par effet Joule dans chacune des deux rallonges. Commenter.
  3. Ici, l'effet Joule est-il utile ou nuisible dans le radiateur ? dans la rallonge ?
  4. Pour transporter une même puissance \(P = U\,I\) sur de longues distances, EDF utilise de très hautes tensions (400 000 V). Expliquer l'intérêt en vous appuyant sur l'expression \(P_J = R\,I^2\).

Exercice 10 — Défi : le treuil électrique

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Niveau 5 — défi type bacObjectif : Bilan énergétique complet d'une chaîne de conversion (type bac)

Un treuil électrique soulève une charge. Son moteur est alimenté par une batterie (f.é.m. \(E = 12{,}0\ \text{V}\), résistance interne \(r = 0{,}10\ \Omega\)) qui débite \(I = 20\ \text{A}\). Le moteur fournit une puissance mécanique utile \(P_{méca} = 150\ \text{W}\). La montée dure 20 s.

  1. Calculer la tension \(U\) aux bornes du moteur.
  2. Calculer la puissance fournie par la source idéale, la puissance perdue dans la batterie et la puissance électrique reçue par le moteur.
  3. Calculer le rendement du moteur, puis le rendement global de la chaîne batterie + moteur.
  4. Représenter la chaîne énergétique (batterie → moteur → charge) en indiquant les puissances transférées et perdues.
  5. Calculer l'énergie totale dissipée sous forme de chaleur pendant la montée.

Et maintenant ?

Quand tu réussis les exercices 1 à 8 sans aide, teste-toi dans les conditions d'un contrôle avec l'évaluation chronométrée. Pour revoir une notion, retourne au cours.