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niveau: "3eme"
discipline: "physique-chimie"
theme_bo: "L'énergie et ses conversions"
chapitre: 7
titre: "Puissance et Énergie Électrique"
duree_heures: 3.5
prerequis:
  - "3e-06 — La Loi d'Ohm"
competences_bo:
  - "Calculer une puissance électrique"
  - "Calculer une énergie électrique"
  - "Comparer les modes de production d'électricité (→ voir 3e-07b)"
competences_socle:
  - "D2 — Méthodes et outils"
  - "D1.3 — Langages scientifiques"
  - "D4 — Systèmes naturels et techniques"
  - "D5 — Représentations du monde"
mots_cles:
  - puissance
  - watt
  - énergie
  - joule
  - kWh
  - P=UI
  - E=Pt
  - disjoncteur
  - surintensités
eval_diagnostique: "QCM prérequis loi d'Ohm"
eval_formative: "Exercices calcul P=UI et E=Pt, conversions kWh/J"
eval_sommative: "Devoir + exercice DNB"
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# Chapitre 7 — Puissance et Énergie Électrique
> *M. VERHILLE — Physique-Chimie · 3ème*

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## Objectifs et compétences

**Objectifs du chapitre, en lien avec le programme de cycle 4 (BO n° 31 du 30 juillet 2020)** :
- Calculer la puissance électrique (P = U × I)
- Calculer l'énergie électrique (E = P × t)
- Comparer les modes de production d'électricité

**Compétences du socle** :
- D1.3 : Utiliser les formules, convertir les unités (J, kWh, W, kW)
- D4 : Systèmes naturels et techniques (circuits, protection)
- D5 : Enjeux énergétiques (renouvelable vs fossile, facture EDF)

**À la fin de ce chapitre, l'élève sait** :
- [ ] Calculer P = U × I et ses formes dérivées
- [ ] Calculer E = P × t en joules et en kWh
- [ ] Convertir entre J et kWh
- [ ] Distinguer énergies renouvelables et non renouvelables (→ [[3e-07b-Energie-Terre|Ch.7b]])
- [ ] Décrire une chaîne énergétique (→ [[3e-07b-Energie-Terre|Ch.7b]])

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## I] La puissance électrique

![Formule P=UI avec P en watts, U en volts et I en ampères](../sources/electricite/formule-puissance-P-U-I.jpg)

*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

$$\boxed{P = U \times I}$$

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** | $P = U \times I$ |
| **U** | $U = \dfrac{P}{I}$ |
| **I** | $I = \dfrac{P}{U}$ |

### 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.

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## II] L'énergie électrique

![Formule E=Pt et grandeurs énergie, puissance et durée](../sources/electricite/formule-E-P-t-unites.jpg)

*Choisir une paire cohérente d’unités : W avec s donne J ; kW avec h donne kWh. P est constante ou représente une moyenne.*

![Triangle E au-dessus de P et t : E=Pt, P=E/t, t=E/P](../sources/electricite/triangles-puissance-energie.jpg)

### 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

$$\boxed{E = P \times t}$$

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

$$1 \text{ kW} = 1\,000 \text{ W}$$
$$1 \text{ h} = 3\,600 \text{ s}$$
$$1 \text{ kWh} = 1\,000 \times 3\,600 = 3\,600\,000 \text{ J}$$

> **1 kWh** = énergie consommée par un appareil de **1 kW** pendant **1 heure**.
> C'est l'unité de la **facture EDF**.

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## III] Exercices d'application

### Méthode générale
1. **Identifier** les données et l'inconnue
2. **Écrire** la formule
3. **Remplacer** les lettres par les valeurs (avec les unités)
4. **Calculer** et **encadrer** le résultat avec l'unité

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### 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 = ?

$$P = U \times I = 5 \times 0{,}7 = \boxed{3{,}5 \text{ W}}$$

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### 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.

$$U = \frac{P}{I} = \frac{1\,500}{6{,}5} \approx \boxed{231 \text{ V} \approx 230 \text{ V}} \checkmark$$

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### Exercice 3 — Conducteur ohmique
Un conducteur ohmique supporte P_max = 1 W sous U = 12 V.
Calculer l'intensité maximale.

$$I = \frac{P}{U} = \frac{1}{12} \approx \boxed{0{,}083 \text{ A} = 83 \text{ mA}}$$

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### Exercice 4 — Sèche-cheveux (énergie en joules)
P = 2 200 W | t = 100 s → E = ?

$$E = P \times t = 2\,200 \times 100 = \boxed{220\,000 \text{ J}}$$

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### Exercice 5 — Éolienne domestique (énergie en kWh)
P = 4 000 W = **4 kW** | t = 2 h → E = ?

$$E = P \times t = 4 \times 2 = \boxed{8 \text{ kWh}}$$

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### Exercice 6 — Grille-pain
U = 230 V | I = 4,3 A → P = ?

$$P = 230 \times 4{,}3 = \boxed{989 \text{ W} \approx 1 \text{ kW}}$$

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### Exercice 7 — Bouilloire (plaque signalétique : 230 V — 1 850 W)

**a)** Calculer I :
$$I = \frac{P}{U} = \frac{1\,850}{230} \approx \boxed{8{,}0 \text{ A}}$$

**b)** Calculer R :
$$R = \frac{U}{I} = \frac{230}{8{,}0} \approx \boxed{29 \text{ Ω}}$$

**c)** Énergie pour faire bouillir (t = 3 min = 0,05 h) :
$$E = 1{,}85 \times 0{,}05 = 0{,}0925 \text{ kWh} = 333\,000 \text{ J}$$

On peut arrondir la réponse finale à 0,093 kWh, mais on ne reconvertit pas cette valeur arrondie comme si elle était exacte.

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## 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)                    |

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## 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`

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## 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).


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## IV] Correction des exercices d'entraînement

> *S'entraîner sans regarder la correction, puis vérifier. Recommencer jusqu'à maîtrise.*

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### 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**

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### 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 :
$$I_{total} = 6{,}52 + 8{,}5 = 15{,}02 \text{ A} > 10 \text{ A}$$
→ **Le disjoncteur saute** (protège contre la surintensité). ✓

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### 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 €**

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## Bilan — Ce qu'il faut retenir

| Notion | Définition | Formule |
|--------|-----------|---------|
| Puissance électrique (P) | Énergie convertie par un appareil par seconde, exprimée en watts (W) | P = U × I |
| Énergie électrique (E) | Quantité totale d'énergie convertie par un appareil pendant une durée t | E = P × t |
| Kilowattheure (kWh) | Unité pratique d'énergie utilisée sur la facture EDF ; 1 kWh = 3 600 000 J | 1 kWh = 1 kW × 1 h |
| Disjoncteur | Dispositif de sécurité qui coupe le courant en cas de surintensité pour éviter un incendie | — |

> Voir aussi : [[3e-07b-Energie-Terre|Ch.7b — L'énergie sur Terre]] pour les sources d'énergie, chaînes énergétiques, énergie cinétique et conservation.

## Erreurs fréquentes à éviter
- **Confondre puissance (W) et énergie (J ou kWh)** : la puissance mesure la vitesse de conversion d'énergie (combien par seconde), l'énergie mesure la quantité 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 être en secondes (1 h = 3 600 s). Si on calcule E en kWh, le temps doit être en heures.
- **Confondre kW et kWh** : le kW est une unité de puissance (instantanée), le kWh est une unité d'énergie (puissance × durée). Sur la facture EDF, on paie des kWh, pas des kW.

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## Différenciation
- **Remédiation** : Proposer un tableau à remplir avec 5 appareils de la maison (puissance lue sur la plaque signalétique, durée d'utilisation quotidienne) et calculer l'énergie en kWh avec la formule E = P × t.
- **Approfondissement** : Calculer la facture d'électricité mensuelle d'une maison réunionnaise type (chauffe-eau solaire vs électrique, climatisation, éclairage) et comparer le coût avec/sans panneaux solaires.

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> Référence : [programme de physique-chimie du cycle 4 et ressources ministérielles](https://eduscol.education.gouv.fr/5739/ressources-d-accompagnement-du-programme-de-physique-chimie-au-cycle-4). Les objectifs et approfondissements de ce chapitre constituent une progression du professeur.

## Navigation

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