TD de physique-chimie 1ère D sur les transferts d'énergie dans les récepteurs, générateurs et circuits en courant continu, programme du Burkina Faso et la sous région.
Lycée National de Bobo M. DIAKITE / PA
Travaux Dirigés — Physique 1 ère
TRAVAUX DIRIGÉS
Transferts d'énergie dans les récepteurs, les générateurs et les circuits électriques en courant continu
PHYSIQUE
10 exercices
Exercice 1
Un générateur $(E = 9 \text{ V} ;\ r = 2\ \Omega)$ produit un courant électrique d'intensité $2 \text{ A}$.
Questions
Calculer la puissance électrique produite, la puissance électrique dissipée par effet Joule à l'intérieur du générateur et la puissance électrique utilisable entre les bornes du générateur.
Calculer l'énergie thermique perdue et l'énergie que peut fournir le générateur au circuit extérieur pendant une heure de fonctionnement.
Exercice 2
L'équation de la caractéristique traduisant la loi d'Ohm aux bornes d'un générateur est :
$U_{PN} = 1,5 - 2I$
Questions
Déterminer la f.é.m. $E$ et la résistance interne $r$ de ce générateur.
On effectue ensuite une étude énergétique dans le cas où le générateur fonctionne durant 10 minutes. La tension à ses bornes est 1 V.
Calculer l'énergie dissipée par effet Joule.
Calculer l'énergie fournie par le générateur au reste du circuit.
Calculer l'énergie électrique générée.
Calculer le rendement de ce générateur, conclure.
Exercice 3
Le moteur M électrique d'un treuil est alimenté par une batterie d'accumulateurs. Cette dernière est considérée comme un générateur de f.é.m. 144 V et de résistance interne $0,1\ \Omega$.
Questions
Calculer l'énergie électrique transférée par la batterie au moteur M du treuil si ce dernier est traversé par un courant d'intensité 35 A durant 3 s.
En déduire le rendement de la batterie.
Le treuil soulève, à vitesse constante, un bloc de béton de 630 kg, d'une hauteur de 1,7 m en 3 s. Sachant que l'intensité du courant électrique qui traverse le moteur est 35 A.
Calculer la valeur de l'énergie convertie par le moteur en énergie mécanique.
Quel est le rendement du moteur ?
En déduire la f.é.m. $E'$ du moteur M.
La résistance interne du moteur est $r = 0,4\ \Omega$.
Calculer l'énergie dissipée par effet Joule.
Donnée
$g = 9,8 \text{ N/kg}$
Exercice 4
Le montage comporte :
Un générateur de f.é.m. $E = 36 \text{ V}$ et de résistance négligeable ;
Un moteur électrique de f.c.é.m. $E'$ et de résistance interne $r'$ ;
Un conducteur ohmique de résistance $R$ variable ;
Un ampèremètre de résistance interne négligeable.
Lorsque $R_1 = 30\ \Omega$, $I_1 = 0,40 \text{ A}$ et lorsque $R_2 = 90\ \Omega$, $I_2 = 0,16 \text{ A}$.
Questions
Trouver la valeur de $r'$ et de $E'$.
Déterminer dans chacun des deux cas le rendement du moteur. Conclure.
Exercice 5
On monte en série :
une batterie d'accumulateurs de f.é.m. $E = 24 \text{ V}$ et de résistance interne $r = 1,2\ \Omega$ ;
un moteur de f.c.é.m. $E'$ et de résistance interne $r'$ ;
un conducteur ohmique de résistance $R = 4,8\ \Omega$ ;
un ampèremètre de résistance négligeable.
Questions
Faire un schéma de montage.
On bloque le moteur, $I_1 = 2 \text{ A}$. Calculer $r'$.
On libère le moteur, $I_2 = 1,5 \text{ A}$.
Calculer $E'$.
Calculer la puissance reçue par chaque récepteur.
Faire le bilan de puissance dans le circuit.
Calculer le rendement du circuit.
Exercice 6
On dispose du circuit suivant (voir figure) :
Données
$E = 8 \text{ V}$ ; $r = 2\ \Omega$
$R_1 = 10\ \Omega$ ; $R_2 = 9\ \Omega$
$E' = 5 \text{ V}$ ; $r' = 4\ \Omega$
Questions
Déterminer l'intensité qui traverse ce circuit.
Déterminer les puissances électriques reçues par le moteur ainsi que par les deux conducteurs ohmiques.
Quel travail électrique est fourni par la pile au circuit en une heure de fonctionnement ?
Déterminer le travail utile effectué par le moteur pendant cette durée.
Sous quelle forme est effectué ce travail ?
Quelle énergie a été dissipée par effet Joule dans le moteur en une heure ?
Calculer le rendement du moteur.
Circuit électrique — référence : cir1.png
Exercice 7
On considère le circuit électrique suivant (voir figure) :
Données
$E = 15,0 \text{ V}$ ; $r = 2,0\ \Omega$
$E' = 6 \text{ V}$ ; $r' = 4\ \Omega$
$R_1 = 20\ \Omega$ ; $R_2 = 40\ \Omega$
Questions
Calculer la résistance équivalente $R_{AC}$ du dipôle AC.
Déterminer l'intensité du courant $I$ qui traverse l'électrolyseur.
Déterminer la tension $U_{CN}$.
L'électrolyse dure 1 heure. Quelle énergie électrique a été reçue par l'électrolyseur ?
Sous quelle forme cette énergie a été transformée ?
Calculer l'énergie dissipée par effet Joule par cet électrolyseur en 1 heure de fonctionnement.
Circuit électrique — référence : cir2.png
Exercice 8
Le circuit électrique en série comprend :
Un générateur de tension $U_{PN} = 24 \text{ V}$
Un moteur de f.c.é.m. $E'$ et de résistance interne $r'$
Un conducteur ohmique de résistance $R$
Un ampèremètre de résistance négligeable
Un voltmètre branché aux bornes du moteur.
Questions
Lorsque le moteur tourne librement, le voltmètre indique 6 V et l'ampèremètre indique $I_1 = 1 \text{ A}$. Lorsque le moteur est bloqué, le voltmètre indique 8 V et l'ampèremètre indique $I_2 = 2 \text{ A}$.
Représenter le schéma du circuit et déterminer la résistance $r'$ et la f.c.é.m. $E'$ du moteur.
Calculer la puissance mécanique $P_m$ développée par le moteur.
Calculer la puissance dissipée par effet Joule $P_j$ dans le moteur.
Définir puis calculer le rendement $\eta$ du moteur.
Déterminer la tension $U_{PA}$ et en déduire la résistance $R$.
Pendant une durée de fonctionnement $\Delta t = 5 \text{ min}$.
Déterminer l'énergie utile fournie par le générateur.
Déterminer l'énergie thermique dissipée dans le conducteur ohmique.
Exercice 9
Un circuit série comprend :
un générateur de f.é.m. $E = 24 \text{ V}$ et de résistance interne $r = 0,5\ \Omega$
un résistor de résistance $R = 8\ \Omega$
un ampèremètre de résistance négligeable
un moteur de f.c.é.m. $E'$ et de résistance interne $r' = 1,5\ \Omega$
un voltmètre monté aux bornes du moteur
Questions
Représenter le schéma du circuit.
On empêche le moteur de tourner, préciser les valeurs de l'intensité du courant et de la tension indiquées respectivement par l'ampèremètre et le voltmètre.
Le moteur tourne, l'ampèremètre indique $I_1 = 1,8 \text{ A}$, déterminer
la valeur de l'intensité indiquée par le voltmètre,
la f.c.é.m. $E'$ du moteur,
le rendement du moteur.
Calculer les énergies mises en jeu dans chaque élément du circuit pendant $\Delta t = 10 \text{ min}$.
Exercice 10
On associe en série :
une batterie d'accumulateurs de f.é.m. $E = 24 \text{ V}$ et de résistance interne $r = 1,2\ \Omega$
un conducteur ohmique de résistance $R = 4,8\ \Omega$
un moteur de f.é.m. $E'$ et de résistance interne $r'$
un ampèremètre de résistance négligeable
La f.é.m. $E'$ du moteur est proportionnelle à sa vitesse de rotation ; sa résistance interne $r'$ est constante.
Questions
On empêche le moteur de tourner : sa f.é.m. $E'$ est nulle, le moteur est alors équivalent à une résistance $r'$. Le courant dans le circuit a une intensité $I_1 = 2,1 \text{ A}$.
Écrire la relation entre $E$, $r$, $R$, $r'$ et $I_1$.
Exprimer $r'$ en fonction de $E$, $r$, $R$ et $I_1$.
Calculer $r'$.
Le moteur tourne à la vitesse de $250 \text{ trs.min}^{-1}$ en fournissant une puissance utile $P_u = 8,6 \text{ W}$. L'intensité du courant est alors $I_2 = 1,2 \text{ A}$.
Exprimer $E'$ en fonction de $E$, $r$, $R$, $r'$ et $I_2$.
Calculer $E'$.
Calculer la puissance consommée par chaque récepteur lorsque le moteur tourne.
Faire un bilan énergétique de ce circuit.
Calculer le rendement global de ce circuit.
Travaux Dirigés — Transferts d'énergie dans les circuits électriques — 1 ère — Lycée National de Bobo — M. DIAKITE / PA