
Voici le corrigé détaillé des exercices de conversion d’énergie et de rendement. Compare la méthode avec la tienne : formule, valeurs avec unités, résultat avec un nombre de chiffres significatifs cohérent avec les données.
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La correction détaillée : corrigé conversion rendement
Correction de l’exercice 1 : Questions de cours1. P = U × I : P en watts (W), U en volts (V), I en ampères (A).
2. C’est le transfert, sous forme thermique, de l’énergie électrique reçue par un conducteur ohmique parcouru par un courant ; PJ = R × I2 (R en ohms, I en ampères).
3. η = Putile ÷ Pabsorbée (ou Eutile ÷ Ereçue). Il est inférieur à 1 car une partie de l’énergie est toujours perdue (chaleur) et que l’énergie se conserve.
4. 1 kWh = 3,6 × 106 J.
a. Faux : η ≤ 1 puisque l’énergie utile ne peut excéder l’énergie reçue.
b. Vrai : 1 kWh = 1 000 W × 3 600 s = 3,6 × 106 J.
c. Vrai : P = U × I avec U = R × I donne P = R × I2.
d. Faux : le rendement est un nombre sans unité.
e. Faux : P est proportionnelle à I2, elle est multipliée par 4.
f. Faux : ce serait contraire à la conservation de l’énergie.
1. 3,6 × 106 J.
2. 250 × 3 600 = 9,0 × 105 J.
3. 7,2 × 106 ÷ 3,6 × 106 = 2,0 kWh.
4. 1 800 ÷ 1 000 = 1,8 kW.
5. 45 ÷ 60 = 0,75 h.
6. 0,30 × 1 000 = 300 Wh.
1. P = U × I = 12 × 0,50 = 6,0 W.
2. E = P × Δt = 6,0 × 4,0 = 24 Wh.
3. 24 × 3 600 = 86 400 J ≈ 8,6 × 104 J.
1. E = 2,0 kW × (5,0 × 30) h = 2,0 × 150 = 300 kWh.
2. Coût = 300 × 0,25 = 75 €.
3. 1 h de moins par jour : 2,0 × 1 × 30 = 60 kWh, soit 60 × 0,25 = 15 € d’économie.
1. PJ = R × I2 = 47 × (0,20)2 = 47 × 0,040 = 1,88 W ≈ 1,9 W.
2. U = R × I = 47 × 0,20 = 9,4 V ; P = U × I = 9,4 × 0,20 = 1,88 W : même résultat.
3. E = P × Δt = 1,88 × 600 = 1 128 J ≈ 1,1 × 103 J.
1. Non : la courbe n’est pas une droite, c’est une parabole ; P n’est pas proportionnelle à I.
2. Pour I = 1,5 A, on lit P = 45 W.
3. P ÷ I2 : 5 ÷ 0,25 = 20 ; 20 ÷ 1,0 = 20 ; 80 ÷ 4,0 = 20. Le rapport est constant, égal à R = 20 Ω (P = R × I2).
4. Graphiquement, P = 80 W pour I = 2,0 A. Par le calcul : I = √(P ÷ R) = √(80 ÷ 20) = √4,0 = 2,0 A.
1. Pa = 6,0 × 0,80 = 4,8 W.
2. η = 3,6 ÷ 4,8 = 0,75 (75 %).
3. Pperdue = 4,8 − 3,6 = 1,2 W ; Eperdue = 1,2 × 60 = 72 J.
1. Plum = 60 − 57 = 3 W.
2. η = 3 ÷ 60 = 0,050, soit 5,0 %.
3. ηLED = 3 ÷ 10 = 0,30, soit 30 %.
4. Énergies : incandescence 60 W × 1 000 h = 60 kWh ; LED 10 W × 1 000 h = 10 kWh. Économie : 50 kWh, soit 50 × 0,25 = 12,5 €.
1. Preçue = 800 × 2,0 = 1,6 × 103 W.
2. η = 256 ÷ 1 600 = 0,16 (16 %).
3. E = 256 × 5,0 = 1 280 Wh ≈ 1,3 kWh.
4. Preçue nécessaire = 1 000 ÷ 0,16 = 6 250 W ; S = 6 250 ÷ 800 ≈ 7,8 m2.
1. U = E − r × I = 9,0 − 2,0 × 0,50 = 8,0 V.
2. P = U × I = 8,0 × 0,50 = 4,0 W.
3. Ppile = r × I2 = 2,0 × 0,25 = 0,50 W ; Ptotale = E × I = 9,0 × 0,50 = 4,5 W. Bilan : 4,0 + 0,50 = 4,5 W ✓.
4. η = U ÷ E = 8,0 ÷ 9,0 ≈ 0,89 (89 %).
1. Une droite décroissante ne passant pas par l’origine : U = E − r × I.
2. Ordonnée à l’origine : E = 6,0 V.
3. Pente : (4,5 − 6,0) ÷ (1,0 − 0) = −1,5 V/A ; donc r = 1,5 Ω.
4. U = 6,0 − 1,5 × 0,50 = 5,25 V ; P = 5,25 × 0,50 = 2,625 W ≈ 2,6 W.
5. Court-circuit (U = 0) : I = E ÷ r = 6,0 ÷ 1,5 = 4,0 A. Toute l’énergie serait dissipée dans la pile (6,0 × 4,0 = 24 W) : échauffement dangereux.
1. η = η1 × η2 × η3 = 0,90 × 0,95 × 0,98 = 0,8379 ≈ 0,84.
2. Eélec = 0,8379 × 500 ≈ 419 MWh ≈ 4,2 × 102 MWh.
3. Eperdue = 500 − 419 ≈ 81 MWh. Elle a été dissipée dans l’environnement sous forme d’énergie thermique (frottements, effet Joule dans l’alternateur et la ligne).
1. Q = m × c × Δθ = 1,5 × 4 180 × 80 = 501 600 J ≈ 5,0 × 105 J.
2. t = Q ÷ P = 501 600 ÷ 2 000 = 250,8 s ≈ 2,5 × 102 s.
3. Eélec = Q ÷ η = 501 600 ÷ 0,90 ≈ 5,6 × 105 J ; t = 557 333 ÷ 2 000 ≈ 279 s ≈ 2,8 × 102 s (4 min 39 s).
4. 557 333 ÷ 3,6 × 106 ≈ 0,155 kWh.
1. I2 : 0,010 ; 0,040 ; 0,090 ; 0,16 ; 0,25 (en A2).
2. Les points sont alignés avec l’origine : Q est proportionnelle à I2.
3. Coefficient directeur : 150 ÷ 0,25 = 600 J·A−2.
4. Q = R × Δt × I2 donc R × Δt = 600 et R = 600 ÷ 60 = 10 Ω.
5. Pour I = 0,30 A : Q = 10 × 0,090 × 60 = 54 J, valeur mesurée ✓.
1. I = P ÷ U = 100 000 ÷ 10 000 = 10 A ; PJ = R × I2 = 5,0 × 100 = 5,0 × 102 W, soit 0,50 % de P.
2. I = 100 000 ÷ 400 = 250 A ; PJ = 5,0 × 62 500 = 312 500 W ≈ 3,1 × 102 kW, plus que la puissance transportée : le transport est impossible.
3. À puissance transportée donnée, une tension élevée donne une intensité faible, et les pertes en R × I2 chutent fortement.
1. Q = 4,0 Ah ; E = U × Q = 3,7 × 4,0 = 14,8 Wh ; 14,8 × 3 600 = 53 280 J ≈ 5,3 × 104 J.
2. Eréseau = 14,8 ÷ 0,85 ≈ 17,4 Wh.
3. Δt = 17,4 ÷ 15 ≈ 1,2 h (environ 70 min).
4. Eperdue = 17,4 − 14,8 ≈ 2,6 Wh, dissipée en chaleur.
1. Autonomie = 60 ÷ 16 × 100 = 375 km.
2. Eréseau = 60 ÷ 0,90 ≈ 66,7 kWh.
3. Coût = 66,7 × 0,20 ≈ 13,3 €.
4. Énergie par 100 km : 16 ÷ 0,90 ≈ 17,8 kWh ; coût ≈ 17,8 × 0,20 ≈ 3,6 €.
1. PA = 24 × 3,0 = 72 W ; ηA = 54 ÷ 72 = 0,75. PB = 12 × 6,5 = 78 W ; ηB = 60 ÷ 78 ≈ 0,77.
2. Pertes A : 72 − 54 = 18 W ; pertes B : 78 − 60 = 18 W. Les pertes sont identiques.
3. Ebatterie = 12 × 7,0 = 84 Wh ; durée = 84 ÷ 78 ≈ 1,1 h.
4. Le moteur B est préférable : rendement légèrement meilleur, puissance mécanique plus grande (60 W contre 54 W) et tension de 12 V directement compatible avec la batterie, alors que A exigerait deux batteries en série. À pertes égales, B restitue plus de puissance utile.
Protocole possible. Fixer le moteur en hauteur, enrouler le fil sur son axe et suspendre la masse m = 0,20 kg. Brancher le voltmètre en dérivation et l’ampèremètre en série. Alimenter le moteur sous une tension constante, mesurer U et I pendant la montée, mesurer la hauteur h gagnée avec la règle et la durée Δt avec le chronomètre. Répéter trois fois.
Formules. Pabsorbée = U × I ; Putile = m × g × h ÷ Δt ; η = Putile ÷ Pabsorbée.
Exemple. U = 3,0 V, I = 0,25 A : Pa = 0,75 W. Pour h = 1,0 m en Δt = 8,0 s : Pu = 0,20 × 9,8 × 1,0 ÷ 8,0 = 0,245 W ; η = 0,245 ÷ 0,75 ≈ 0,33.
Sources d’erreur. Frottements du fil et de l’axe, oscillations de la masse, lecture du chronomètre, fluctuation de l’intensité, incertitude sur h.
Comment progresser après ce corrigé
Si tu as hésité, reprends les trois formules de base : P = U × I, E = P × Δt, η = Putile ÷ Pabsorbée. Écris toujours l’unité à côté de chaque valeur, convertis les durées en secondes avant de calculer des joules, et vérifie qu’un rendement reste compris entre 0 et 1. Refais sans corrigé les exercices 7, 11 et 16, puis le problème 19.
