M. VERHILLE — Physique-Chimie · 3ème
Objectifs et competences
Objectifs du chapitre, en lien avec le programme de cycle 4 (BO n° 31 du 30 juillet 2020) :
- Calculer la puissance electrique (P = U × I)
- Calculer l'energie electrique (E = P × t)
- Comparer les modes de production d'electricite
Competences du socle :
- D1.3 : Utiliser les formules, convertir les unites (J, kWh, W, kW)
- D4 : Systemes naturels et techniques (circuits, protection)
- D5 : Enjeux energetiques (renouvelable vs fossile, facture EDF)
A la fin de ce chapitre, l'eleve sait :
I] La puissance électrique
Les conditions d’emploi de cette relation sont précisées ci-dessous.
Définition
La puissance, c'est l'énergie que l'on peut convertir en une seconde.
La puissance électrique mesure la quantité d'énergie reçue ou fournie par seconde par un appareil électrique.
Formule
Cette relation s’applique aux récepteurs étudiés en courant continu. Dans les exercices domestiques à 230 V, on utilise un modèle de charge résistive et les valeurs efficaces de U et I. Pour un moteur réel en alternatif, cette relation seule ne suffit pas toujours.
| Grandeur physique | Symbole | Unité | Symbole unité |
|---|---|---|---|
| Puissance électrique | P | Watt | W |
| Tension | U | Volt | V |
| Intensité du courant | I | Ampère | A |
Les 3 formes — méthode du triangle
P est en haut | U et I sont en bas, séparés par × Cache la grandeur cherchée → effectue l'opération restante.
| Je cherche | Formule |
|---|---|
| P | |
| U | |
| I |
Multiples
| Préfixe | Équivalence |
|---|---|
| 1 kW (kilowatt) | = 1 000 W |
| 1 MW (mégawatt) | = 1 000 000 W |
| 1 mW (milliwatt) | = 0,001 W |
Exemples d'appareils
| Appareil | Puissance nominale |
|---|---|
| Ampoule LED | 5 – 15 W |
| Ampoule incandescente | 60 – 100 W |
| Chargeur téléphone | ~5 W |
| Ordinateur portable | 45 – 90 W |
| Bouilloire | 1 500 – 2 000 W |
| Fer à repasser | 1 000 – 2 400 W |
| Four électrique | 1 500 – 3 000 W |
| Réacteur nucléaire (ordre de grandeur) | ~1 000 MW |
⚠️ La puissance nominale est indiquée sur la plaque signalétique de tout appareil.
II] L'énergie électrique
Choisir une paire cohérente d’unités : W avec s donne J ; kW avec h donne kWh. P est constante ou représente une moyenne.
Définition
L'énergie est une mesure du changement du monde.
L'énergie reçue par un appareil dépend de sa puissance et de la durée de fonctionnement.
Formule
On suppose P constante pendant la durée t ; sinon P représente la puissance moyenne sur cette durée.
| Grandeur | Symbole | Unité SI | Unité pratique (EDF) |
|---|---|---|---|
| Énergie | E | Joule (J) | Kilowattheure (kWh) |
| Puissance | P | Watt (W) | Kilowatt (kW) |
| Durée | t | Seconde (s) | Heure (h) |
Conversions
1 kWh = énergie consommée par un appareil de 1 kW pendant 1 heure. C'est l'unité de la facture EDF.
III] Exercices d'application
Méthode générale
- Identifier les données et l'inconnue
- Écrire la formule
- Remplacer les lettres par les valeurs (avec les unités)
- Calculer et encadrer le résultat avec l'unité
Exercice 1 — Chargeur smartphone
Un chargeur de voiture (prise allume-cigare) délivre U = 5 V sous I_max = 0,7 A. Calculer la puissance maximale fournie.
Données : U = 5 V | I = 0,7 A Inconnue : P = ?
Exercice 2 — Cafetière
Une cafetière de P = 1 500 W est parcourue par I = 6,5 A. Vérifier que la tension est bien de 230 V.
Exercice 3 — Conducteur ohmique
Un conducteur ohmique supporte P_max = 1 W sous U = 12 V. Calculer l'intensité maximale.
Exercice 4 — Sèche-cheveux (énergie en joules)
P = 2 200 W | t = 100 s → E = ?
Exercice 5 — Éolienne domestique (énergie en kWh)
P = 4 000 W = 4 kW | t = 2 h → E = ?
Exercice 6 — Grille-pain
U = 230 V | I = 4,3 A → P = ?
Exercice 7 — Bouilloire (plaque signalétique : 230 V — 1 850 W)
a) Calculer I :
b) Calculer R :
c) Énergie pour faire bouillir (t = 3 min = 0,05 h) :
On peut arrondir la réponse finale à 0,093 kWh, mais on ne reconvertit pas cette valeur arrondie comme si elle était exacte.
Questions de révision — corrigé autonome
Les questions et réponses ci-dessous utilisent le modèle annoncé dans ce cours ; les lettres de réponse d’une ancienne fiche ne sont pas nécessaires.
| N° | Question | Réponse |
|---|---|---|
| 1 | Unité de la puissance | watt (W) |
| 2 | Lampe 12 V / 40 W | P = 40 W si U = 12 V |
| 3 | Relation P, U, I | P = U×I et I = P/U |
| 4 | Pour une résistance R constante, si U augmente → P | P augmente, car P = U²/R |
| 5 | Unité de l'énergie | wattheure (Wh) et joule (J) |
| 6 | Formule énergie | E = P × t si P est constante |
| 7 | P (W) × t (s) → unité de E | joule (J) |
Vidéos
🎬 Puissance électrique : https://www.youtube.com/watch?v=AYA7ZhmYezY 🎬 Énergie électrique : https://www.youtube.com/watch?v=88JSFDvhX94
TP / Simulation
🔗 Simulateur solaire : https://www.solaris-store.com/80-simulateur-solaire
Sources
→ sources/electricite/3C7-Puissance-Energie-annote.pdf → sources/electricite/formule-puissance-P-U-I.jpg → sources/electricite/triangles-puissance-energie.jpg → sources/electricite/TP-Loi-Puissance.pdf → sources/electricite/Exercices-p134.pdf → sources/electricite/Exercices-Formule1-energie-p174.pdf → sources/electricite/Devoir-Energie-p177.pdf → sources/electricite/formule-E-P-t-unites.jpg
III] Danger : les surintensités
Un fil parcouru par un courant trop intense chauffe et peut provoquer un incendie. Plus le diamètre du fil est petit, plus le risque est grand.
Protection dans une maison
Les appareils sont répartis en groupes montés en dérivation, chacun protégé par :
| Dispositif | Rôle | Seuil |
|---|---|---|
| Disjoncteur divisionnaire | Coupe le courant d'un groupe si I trop élevée | Calibre adapté au circuit (valeur donnée dans chaque exercice) |
| Disjoncteur principal | Coupe l'ensemble de l'installation | Calibre réglé selon l’installation et le contrat |
| Fusible (dans l'appareil) | Fil fin qui fond → ouvre le circuit | Variable |
⚠️ Ne pas brancher trop d'appareils de forte puissance sur une même prise — l'intensité totale augmente et risque de déclencher le disjoncteur (ou pire).
IV] Correction des exercices d'entraînement
S'entraîner sans regarder la correction, puis vérifier. Recommencer jusqu'à maîtrise.
Série A — Puissance P = U × I
A1. U = 6 V | I = 4 A → P = 6 × 4 = 24 W
A2. P = 0,7 W | U = 3,5 V → I = P/U = 0,7/3,5 = 0,2 A
Série B — Applications puissance + loi des nœuds
B1a. U = 230 V | P = 1 500 W → I = P/U = 1500/230 = 6,52 A
B1b. Un appareil de grande puissance demande plus d'intensité. Puissance et intensité sont proportionnelles.
B2. I = 8,5 A | U = 230 V → P = 230 × 8,5 = 1 955 W
B3. Cafetière (6,52 A) + Radiateur (8,5 A) branchés en dérivation :
Série C — Énergie E = P × t
Données fictives de calcul : 0,0777 €/kWh hors taxe et une taxe unique de 26 %. Ce ne sont pas des tarifs actuels. Aucun abonnement n’est inclus. Conserver les valeurs non arrondies dans les calculs et arrondir seulement chaque résultat final demandé au centime.
C1a. P = 500 W | t = 1 h 42 min
En Joules : t = 3600 + (42 × 60) = 6 120 s → E = 500 × 6 120 = 3 060 000 J
En kWh : P = 0,5 kW | t = 1 + 42/60 = 1,7 h → E = 0,5 × 1,7 = 0,85 kWh
C1b. E = 0,3 kWh | P = 2 kW → t = E/P = 0,3/2 = 0,15 h = 9 minutes
C1c. t = 30 min = 0,5 h | E = 0,35 kWh → P = E/t = 0,35/0,5 = 0,7 kW = 700 W
C2a. Radiateur P = 1 500 W = 1,5 kW | t = 24 h → E = 1,5 × 24 = 36 kWh
C2b. Prix HT = 36 × 0,0777 = 2,7972 €, soit 2,80 € après arrondi.
C2c. Taxe = 0,26 × 2,7972 = 0,727272 €, soit 0,73 € après arrondi.
Prix TTC = 2,7972 × 1,26 = 3,524472 €, soit 3,52 €. Le TTC se calcule avec les valeurs non arrondies, pas en additionnant les deux montants affichés arrondis.
C3. Relevé compteur : 25 278 − 24 155 = 1 123 kWh
- Prix HT = 1 123 × 0,0777 = 87,2571 €, soit 87,26 €
- Taxe = 0,26 × 87,2571 = 22,686846 €, soit 22,69 €
- Total TTC ≈ 109,94 €
Bilan — Ce qu'il faut retenir
| Notion | Definition | Formule |
|---|---|---|
| Puissance electrique (P) | Energie convertie par un appareil par seconde, exprimee en watts (W) | P = U × I |
| Energie electrique (E) | Quantite totale d'energie convertie par un appareil pendant une duree t | E = P × t |
| Kilowattheure (kWh) | Unite pratique d'energie utilisee sur la facture EDF ; 1 kWh = 3 600 000 J | 1 kWh = 1 kW × 1 h |
| Disjoncteur | Dispositif de securite qui coupe le courant en cas de surintensite pour eviter un incendie | — |
Voir aussi : Ch.7b — L'energie sur Terre pour les sources d'energie, chaines energetiques, energie cinetique et conservation.
Erreurs frequentes a eviter
- Confondre puissance (W) et energie (J ou kWh) : la puissance mesure la vitesse de conversion d'energie (combien par seconde), l'energie mesure la quantite totale convertie. Un four de 2 000 W consomme peu s'il fonctionne 1 minute, beaucoup s'il fonctionne 2 heures.
- Oublier de convertir les heures en secondes : si on calcule E en joules, le temps doit etre en secondes (1 h = 3 600 s). Si on calcule E en kWh, le temps doit etre en heures.
- Confondre kW et kWh : le kW est une unite de puissance (instantanee), le kWh est une unite d'energie (puissance × duree). Sur la facture EDF, on paie des kWh, pas des kW.
Differenciation
- Remediation : Proposer un tableau a remplir avec 5 appareils de la maison (puissance lue sur la plaque signaletique, duree d'utilisation quotidienne) et calculer l'energie en kWh avec la formule E = P × t.
- Approfondissement : Calculer la facture d'electricite mensuelle d'une maison reunionnaise type (chauffe-eau solaire vs electrique, climatisation, eclairage) et comparer le cout avec/sans panneaux solaires.
Référence : programme de physique-chimie du cycle 4 et ressources ministérielles. Les objectifs et approfondissements de ce chapitre constituent une progression du professeur.
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