Physique 3 - Livre-cahier - Chapitre 3

D o m i n i q u e Wa t e r l o o Denis Sculier Frédéric Baudoin

LIVRE-CAHIER

Sciences de base Sciences générales

Udiddit, la plateforme d’apprentissage en ligne pour les élèves et les enseignants La plateforme Udiddit te donne, par exemple*, accès à : - des exercices en ligne pour t’entrainer, - un aperçu de tes progrès et de tes résultats, - du matériel de cours, - des jeux captivants, - et bien plus encore... * En fonction de la méthode

Crée-toi un compte sur www.udiddit.be et accède à ton contenu à l’aide du code d’activation ci-dessous : CODE ÉLÈVE

Cette licence est valable pendant 1 an à partir de la date d’activation.

Tu présentes des difficultés d'apprentissage et tu dois utiliser une version numérique adaptée de ce manuel scolaire ? Contacte NUMABIB à l’adresse suivante : https://www.numabib.be/contact

Auteurs : Dominique Waterloo Denis Sculier Frédéric Baudoin Couverture : Primo&Primo Mise en pages : Nord Compo Dessins : Étienne Wilmet Crédits photographiques : © Shutterstock : Ansharphoto (p. 1), Tomoka M. (p. 2), Yuri Korchmar (p. 7), Natthawon Chaosakun (p. 8), Yuliyan Velchev (p. 16), Rudy Balasko (p. 19 ht), Jr images (p. 19 m), Slavun (p. 19 b), Renklerin Kafasi (p. 24), Photofex_AUT (p. 26), Tamas Kadar (p. 27), Demarcomedia (p. 39), Vectorpocket (p. 46), Viktor Gladkov (p. 47), Yeamake (p. 70), Shawn Hempel (p. 72 ht), Thichaa (p. 72 bas), Maxx-Studio (p. 73), Vinokurov Alexandr (p. 75), K.K.T Madhusanka (p. 79), Jag_cz (p. 94 ht), Andrii Vodolazhskyi (p. 94 b), De Visu (p. 92), MattLphotography (p. 96), Gorodenkoff (p. 97), Nasirkhan (p. 104-105), Jane0606 (p. 108 m), ayzek (p. 108 b), DisobeyArt (p. 109), Dzmitry Holub (p. 117), Imtmpfoto (p. 118), Rido (p. 119 ht), Herr. Stock (p. 132), Margarita Young (p. 133), AnEduard (p. 134), Patrick Foto (p. 138), Avigator Fortuner (p. 155), Kinek00 (p. 157 b), MeKaDesign (p. 162 ht), K3Star (p. 165 ht), Buquet Christophe (p. 165 m), CNRS Photothèque (p. 165 b), Fouad A. Saad (p. 170 b), fridas (p. 171 b), Colombo Nicola (p. 172 ht), Ralf Geithe (p. 172 m). ©Science Photo Library (p. 3), SafeRack (p. 8), ProBike Support (p. 157 ht) L’éditeur s’est efforcé d’identifier tous les détenteurs de droits. Si, malgré cela, quelqu’un estime entrer en ligne de compte en tant qu’ayant droit, il est invité à s’adresser à l’éditeur.

Les photocopieuses sont d’un usage très répandu et beaucoup y recourent de façon constante et machinale. Mais la production de livres ne se réalise pas aussi facilement qu’une simple photocopie. Elle demande bien plus d’énergie, de temps et d’argent.

La rémunération des auteurs, et de toutes les personnes impliquées dans le processus de création et de distribution des livres, provient exclusivement de la vente de ces ouvrages.

En Belgique, la loi sur le droit d’auteur protège l’activité de ces différentes personnes.

Lorsqu’il copie des livres, en entier ou en partie, en dehors des exceptions définies par la loi, l’usager prive ces différentes personnes d’une part de la rémunération qui leur est due.

C’est pourquoi les auteurs et les éditeurs demandent qu’aucun texte protégé ne soit copié sans une autorisation écrite préalable, en dehors des exceptions définies par la loi. © Éditions VAN IN, Mont-Saint-Guibert – Wommelgem, 2021, De Boeck publié par VAN IN Tous droits réservés.

En dehors des exceptions définies par la loi, cet ouvrage ne peut être reproduit, enregistré dans un fichier informatisé ou rendu public, même partiellement, par quelque moyen que ce soit, sans l’autorisation écrite de l’éditeur.

1re édition, 2021 ISBN 978-2-8041-9822-0 D/2021/0078/182 Art. 597842/01

Ce livre-cahier Physique 3e s’adresse aux élèves qui suivent le cours de Sciences de base (3 périodes/ semaine) ou de Sciences générales (5 périodes/semaine).

Il a été conçu en conformité avec les derniers référentiels. Ces derniers développent deux unités d’acquis d’apprentissage (UAA 1 et UAA 2). Chaque UAA précise les compétences à développer, les processus à mettre en œuvre (Connaître, Appliquer, Transférer) et les ressources à maîtriser (savoirs et savoir-faire disciplinaires).

Chaque chapitre débute par un tableau récapitulatif des processus, dont l’élève peut prendre connaissance afin de savoir ce qu’il devra connaître, appliquer et transférer en fin de chapitre.

Tant les élèves de Sciences générales que ceux de Sciences de base trouveront dans cet ouvrage le support idéal pour leur cours. Les deux enseignements présentent néanmoins des différences.

Ainsi : • l’aspect expérimental est aussi important en Sciences de base qu’en Sciences générales ; toutefois, les élèves qui suivent le cours à 5 périodes pourront réaliser davantage d’expériences durant les heures de laboratoire ; • les élèves de Sciences générales auront l’occasion de développer des thèmes supplémentaires dans chaque UAA, comme les circuits avec capteurs (UAA 1) et la loi de Boyle-Mariotte (UAA 2) ; • la mise en œuvre d’exercices numériques sera davantage développée en Sciences générales.

La structure du livre repose sur l’expérimentation, conformément à la philosophie des derniers référentiels. Chaque notion peut être découverte à partir d’une démarche expérimentale. Celle-ci est suggérée ou explicitée selon le niveau de difficulté. Des photos des expériences à réaliser par les élèves sont souvent complétées par des vidéos disponibles via des QR Codes.

En fin d’ouvrage, un index reprend les principaux concepts et les pages où ils sont mentionnés.

Remerciements Nous tenons à remercier Philippe Godts et Claude Naime, ainsi que l’équipe des éditions Van In/De Boeck et plus particulièrement Olivier Ruol.

Les auteurs

V

Ce livre-cahier comporte 2 unités d’acquis d’apprentissage (UAA).

Chaque UAA est découpée en chapitres (voir table des matières en fin de ce livre-cahier) présentant chacun la même structure.

1

Électrostatique

En début de chapitre, une liste de savoirs, de savoir-faire et de processus (développements attendus) t’aide dans ton apprentissage.

À la fin de ce chapitre, tu seras capable de...

Connaître

• Charges électriques • Attraction et répulsion électriques 2

Mise en situation

Porteuse de sens et ancrée dans ton quotidien, la Mise en situation contient un questionnement à la base de l’étude du chapitre qui suit.

Si tu frottes un ballon de baudruche sur des cheveux longs et que tu l’éloignes lentement, que constates-tu ? Un autre phénomène apparaît lorsqu’il n’est plus en contact avec les cheveux, comment peux-tu l’expliquer ?

DÉVELOPPEMENTS 1 • Électrostatique

33

I. Attraction électrique Que se passe-t-il lorsque tu frottes le ballon sur tes cheveux et que tu l’éloignes lentement ? Réalise l’expérience suivante en vue de faire l’analogie avec la mise en situation.

EXPÉRIMENTATION

Les Développements vont te permettre de découvrir de nouvelles notions, en t’appuyant sur les résultats d’expérimentations, véritable cœur de ton livre-cahier.

C’est à travers ces expériences que tu vas acquérir une démarche scientifique expérimentale. Nous te proposons d’être acteur de ton apprentissage en te posant, à certains moments, des questions de réflexion ou en te demandant de réaliser une expérience. Ces actions et questions sont toujours précédées d’une flèche, comme illustré ci-dessous.

Fig. 1

2 Mode opératoire – Déposer deux pailles parallèlement, faisant ainsi office de rails.

– Avec le mouchoir, frotter la troisième paille au niveau de sa partie centrale.

– Déposer cette dernière perpendiculairement aux deux premières et approcher de celle-ci la partie frottée du mouchoir Fig. 1 .

– Déplacer la main tenant le mouchoir vers l’arrière.

3 Observation → Décris le mouvement de la paille électrisée quand on approche la partie frottée du mouchoir. ..........................................................................................................................................

4 Interprétation → À partir des documents suivants, interprète les résultats de l’expérience précédente.

Document 1 En utilisant un détecteur de charges et en approchant successivement la paille Fig. 2 et le mouchoir frottés Fig. 3 utilisés dans l’expérience précédente, on observe que les LED ne s’allument pas de la même couleur.

Fig. 2

44

VI

Pailles et mouchoir en papier.

1 Matériel – trois pailles – un mouchoir en papier

UAA1 Électricité

Détecteur de charges et paille frottée.

Fig. 3

Détecteur de charges et mouchoir frotté.

V. Implication dans notre vie quotidienne Dans ton quotidien, tu rencontres fréquemment des manifestations énergétiques liées à des phénomènes électrostatiques. Certains peuvent provoquer une sensation désagréable et d’autres peuvent devenir dangereux s’ils ne sont pas pris en compte.

Pour illustrer cette manifestation énergétique, tu peux réaliser l’expérience suivante.

EXPÉRIMENTATION

Fig. 12

Tube à décharge.

Fig. 13

Arc électrique dans le tube.

Des QR Codes permettent, grâce à l’application Sésame, de visionner et de télécharger des vidéos de contenu pour un apprentissage complet !

• Un objet électriquement neutre contient autant de protons (porteurs de charge +) que d’électrons (porteurs de charge -).

• Lorsque deux objets initialement neutres sont frottés l’un contre l’autre, cela peut leur conférer une nouvelle propriété que l’on appelle électrisation par frottement.

Lors du frottement, deux charges électriques opposées apparaissent, l’une sur l’objet frotté, l’autre sur l’objet qui frotte. Lors de ce phénomène, autant de charges positives que de charges négatives sont séparées et se disposent sur les deux objets Fig. 14 .

Fig. 14

Un tube à décharge Fig. 12 est approché d’un tube en PVC préalablement électrisé.

On observe l’apparition d’un arc électrique dans le tube à décharge Fig. 13 . L’énergie électrique des charges créées sur le tube en PVC est transformée en énergie lumineuse.

• Cette décharge électrique peut également être ressentie lorsqu’on touche la carrosserie d’une voiture.

En effet, en roulant, la voiture exerce un frottement avec l’air, ce qui la charge progressivement. Lorsque l’air est sec, ces charges s’accumulent davantage sur la carrosserie.

Ainsi, lorsqu’on touche la voiture, nous la déchargeons et ressentons cette manifestation énergétique.

Connaître regroupe les notions théoriques que tu dois absolument savoir et comprendre. Cette rubrique synthétise ce qui a été vu lors des développements, sous formes textuelle et graphique.

• Il t’est probablement arrivé de ressentir une décharge électrique en faisant la bise à une personne ou en la touchant avec ta main. Dans ces cas, tu as probablement accumulé des charges : par exemple, en enlevant un pull, en caressant un animal ou en frottant malgré toi tes vêtements l’un contre l’autre en te déplaçant.

• Lorsqu’un camion de mazout est en train d’être rempli, il doit se brancher à un câble relié à la terre afin d’éliminer les charges électriques créées par le frottement du liquide s’écoulant dans les tuyaux, sans quoi, il risque d’y avoir une étincelle qui pourrait enflammer les gaz d’hydrocarbures et ainsi provoquer une grave explosion.

• Dans l’industrie, certaines cuves, dans lesquelles des produits sont déversés et ensuite mélangés, doivent être également reliées à la terre afin de décharger au fur et à mesure les charges créées lors des frottements, sous peine de provoquer des décharges aux personnes s’en approchant ou aux matériaux inflammables à proximité.

8

Transfert de charges par frottement.

• L’électrisation s’explique au niveau atomique par le transfert d’électrons de conduction d’un objet à l’autre lors du frottement. L’un possède un excès d’électrons, il est chargé négativement.

L’autre, qui a perdu des électrons, est chargé positivement. Dans aucun cas, le nombre de protons n’a été modifié.

Par convention, la charge portée par le PVC est appelée charge négative, et celle portée par le plexiglas, charge positive.

• Il existe deux types de charges électriques : – entre les charges de même signe, il y a répulsion ; – entre les charges de signes différents, il y a attraction.

La force électrique peut donc être attractive mais aussi répulsive.

• Un conducteur est une matière dans laquelle les charges électriques peuvent circuler librement.

Un isolant est une matière dans laquelle les charges électriques restent à l’endroit où elles ont été déposées.

• Il n’y a pas que par frottement qu’un objet initialement neutre peut être électrisé : on peut le mettre en contact avec un autre objet chargé. Après séparation, les deux objets possèdent alors des charges de même signe mais pas forcément en même quantité Fig. 15 .

F2/1

Fig. 15

UAA1 Électricité

F1/2

Électroscope et paille électrisée.

1 • Électrostatique

9

APPLIQUER ET TRANSFÉRER 1 Un élève montre à sa classe un électroscope de laboratoire comme celui photographié ci-dessous.

Il constate que les tiges métalliques de cet appareil sont légèrement écartées Fig. 16 car des charges électriques y ont été déposées.

Il dépose ensuite une paille électrisée sur le plateau de l’électroscope Fig. 17 .

Il constate que les tiges s’écartent d’avantage.

Fig. 16

Électroscope 1.

Fig. 17

Électroscope 2.

a) Indique quelle est la nature des charges qui se trouvaient initialement sur les tiges de l’électroscope. ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ...........................................................................................................................................

b) Explique pourquoi ces tiges s’écartent davantage. ........................................................................................................................................... ...........................................................................................................................................

La rubrique Appliquer et transférer te propose des exercices et des problèmes, nombreux et diversifiés, qui te permettront tant de consolider les ressources (savoirs et savoir-faire) que de mobiliser les développements attendus (processus). Tu verras que certains d’entre eux sont précédés d’une mention DIFR. Nous te proposons, pour faciliter leur résolution, d’utiliser un tableau « Données/ Inconnue(s)/Formule(s)/Résolution », comme ci-dessous, et d’insérer dans chaque colonne les éléments demandés.

........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ...........................................................................................................................................

c) Quelle est la variable qui a été modifiée dans cette expérience ?

Données

Inconnue(s)

Formule(s)

........................................................................................................................................... ...........................................................................................................................................

2 Cherche deux moyens pour que les tiges de l’électroscope de l’exercice 1 se rapprochent. ........................................................................................................................................... ........................................................................................................................................... ...........................................................................................................................................

10

UAA1 Électricité

Résolution

1. Télécharge l’application « Sésame » des Éditions Van In.

2. Scanne le QR code sur la page : tu auras directement accès à la vidéo !

VII

Élect

UAA1

ricité Chapitre 1 Électrostatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Chapitre 2 Circuit électrique de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Chapitre 3 Les grandeurs électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Chapitre 4 Les lois de l’électrocinétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Chapitre 5 La sécurité des installations électriques. . . . . 70 Chapitre 6 Les circuits avec capteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

1

3

Les grandeurs électriques

À la fin de ce chapitre, tu seras capable de...

Connaître

� Tension, intensité du courant � Prix approximatif du kWh (SB) � Symboles des composants usuels du circuit � Efficacité énergétique d’un appareil électrique (SB)

Appliquer

� Mesurer une puissance ou une tension, une intensité de courant et une résistance dans un circuit (SB).

� Mesurer et vérifier par calcul la valeur de l’intensité du courant traversant

un élément de circuit ou de la tension appliquée à cet élément dans un circuit (SG). � À l’aide d’une expérience montrée, mettre en évidence et estimer la variation du courant électrique d’un circuit en fonction de paramètres (SG). � Réaliser un circuit simple à partir d’un schéma et vice-versa (SG).

Transférer

� Réaliser une tâche qui implique un montage à l’aide d’un ou de commutateur(s) (SB).

26

Mise en situation Arc électrique

Fig. 1

Générateur électrostatique relié à une sphère.

Fig. 2

Arcs électriques entre la sphère et une fiche chargée.

Dans l’expérience ci-dessus, tu observes que des éclairs se produisent entre une fiche et une sphère reliée à un générateur électrostatique Fig. 1 et Fig. 2 .

Ces éclairs sont la manifestation du passage des charges électriques à travers l’air, normalement isolant. L’importante énergie nécessaire leur a été communiquée par le générateur électrostatique.

Lors de chaque éclair, cette énergie est dispersée sous forme d’énergie lumineuse, sonore et thermique.

Plus l’énergie fournie par le générateur est grande, plus la quantité de charges transportées par les éclairs est grande.

C’est ce phénomène que l’on retrouve pendant un orage lorsqu’il y a des éclairs.

Est-ce la tension, l’intensité, la résistance ou la puissance qui rend l’éclair aussi dangereux ?

Voyons la différence entre ces quatre grandeurs électriques.

3 • Les grandeurs électriques

27

DÉVELOPPEMENTS

I. La tension électrique I.1. Expérience Expérience

Fig. 3

Faible luminosité de l’ampoule.

Fig. 4

Forte luminosité de l’ampoule.

Dans cette expérience, tu peux observer que plus on tourne rapidement la manivelle de la dynamo, plus l’ampoule brille. On peut donc conclure que la quantité d’énergie que l’on fournit au circuit influence la quantité d’énergie électrique transformée en énergie lumineuse par l’ampoule.

I.2. Analogie et grandeur physique Pour comprendre la tension électrique (U), également appelée différence de potentiel électrique, tu peux la comparer à la différence d’altitude entre le haut et le bas d’une piste de ski.

Les charges électriques (skieurs) ont plus d’énergie à la borne + d’une pile (départ du haut de la piste). En circulant, les charges vont perdre leur énergie, sans disparaître, jusqu’à la borne – (arrivée au bas de la piste).

Il faut un générateur (remonte-pente) pour leur donner à nouveau de l’énergie.

La tension électrique (U) correspond à l’énergie (E) que gagne une charge (q) dans le générateur et qu’elle perd ensuite en circulant dans le circuit.

Son unité est le volt (V).

Dans un récepteur, E correspond à l’énergie cédée dans le récepteur, et q à la charge transportée.

E Soit : U = q

28 28

UAA1 Électricité

I.3. Mesure de la tension Pour mesurer une tension électrique (U), il faut utiliser un voltmètre (symbole V ).

Comme on mesure la différence de hauteur entre le haut et le bas d’une piste de ski, on va mesurer la différence d’énergie qu’une charge électrique va subir entre le niveau le plus énergétique et le niveau le moins énergétique.

Pour ce faire, on doit obligatoirement brancher le voltmètre en dérivation dans le circuit.

Fig. 5

Fonction voltmètre du multimètre.

Pour t’exercer à relever des tensions électriques, réalise l’expérience suivante.

EXPÉRIMENTATION

Fig. 6

Tensions dans le circuit ouvert.

Fig. 7

Tensions dans le circuit fermé.

1 Matériel Un générateur, un interrupteur et une ampoule montés chacun sur un support possédant des bornes de connexion, trois multimètres en fonction voltmètre, des fils de connexion.

2 Mode opératoire Rédige le mode opératoire ( Fig. 6 et Fig. 7 ).

3 • Les grandeurs électriques

29

3 Observation → Relève les tensions aux bornes des générateurs, de l’interrupteur et de l’ampoule quand le circuit est ouvert puis fermé. Recopie ces relevés dans un tableau.

Tension générateur

Tension interrupteur

Tension ampoule

Circuit ouvert

Circuit fermé

4 Interprétation → Compare les tensions relevées dans les deux situations.

� La tension électrique aux bornes d’un générateur est la quantité d’énergie acquise par chaque charge qui le traverse. � La tension électrique aux bornes d’un récepteur est la quantité d’énergie cédée et transformée par chaque charge qui le traverse. � La tension électrique est aussi appelée différence de potentiel. Son symbole est U et son unité dans le SI est le volt (symbole V). � Elle se mesure au moyen d’un voltmètre, dont le symbole normalisé est V .

Pour réaliser une mesure, un voltmètre se branche en dérivation aux bornes du récepteur ou du générateur. � Dans un récepteur, E correspond à l’énergie cédée dans le récepteur, et q à la charge transportée.

U= Où : � U représente la tension (V) � E représente l’énergie (J) � q représente la charge électrique (C) 30

UAA1 Électricité

E q

APPLIQUER ET TRANSFÉRER 1 Coche les réponses correctes.

a) Le symbole du volt est le…

❑v

❑T

❑V

b) Dans un circuit ouvert, la tension ❑ nulle aux bornes d’un interrupteur est…

❑ la même que celle ❑ la moitié de celle du générateur du générateur

c) Le voltmètre se branche en…

❑ série

❑ parallèle

d) Dans un circuit fermé, la tension ❑ nulle aux bornes d’un interrupteur est…

❑ décalage

❑ la même que celle ❑ la moitié de celle du générateur du générateur

e) Lorsque le commutateur central d’un multimètre dans la zone DCV est sur la position 20 : ❑ l’appareil ne peut mesurer que des tensions inférieures à 20 V ; ❑ l’appareil ne peut mesure que des différences de potentiel supérieures à 20 V. 2 Lorsqu’on mesure la tension aux bornes d’un récepteur, quelle notation (sigle) porte la borne par laquelle le courant sort du multimètre ?

3 a) Lequel des schémas normalisés suivants présente une tension nulle aux bornes de l’interrupteur ? +

–

+

–

G

G

6V

6V

b) Dans les circuits du point a) précédent, on mesure la tension UG aux bornes du générateur, UA aux bornes de l’ampoule et UI aux bornes de l’interrupteur. Complète le tableau ci-après.

UA

UI

UG

Interrupteur ouvert

Circuit fermé

4 Le montage représenté par le schéma ci-dessous comporte deux ampoules L1 et L2, un moteur M et des appareils de mesure notés : 1, 2, 3 et 4.

3

L2

1 2

L1

M

4

a) Placer les signes plus (+) et moins (−) aux bornes de la pile. b) Sur chaque portion du circuit, indiquer le sens du courant par une flèche. c) Inscrire A ou V pour chaque appareil de mesure, selon qu’il s’agit d’un ampèremètre (A) ou d’un voltmètre (V). d) Écrire la borne COM (borne négative) sur tous les appareils de mesure.

3 • Les grandeurs électriques

31

5 On te demande de concevoir le schéma normalisé d’un circuit électrique (simplifié) d’une voiture qui réponde aux conditions suivantes.

a) Les phares peuvent être allumés même si le moteur des essuie-glaces est éteint. b) Si un phare ne fonctionne plus, l’autre doit encore être allumé. c) On commande l’allumage et l’extinction des deux phares en même temps. d) On commande la mise en route et l’arrêt du moteur indépendamment des phares.

Dans ce circuit, tu devras placer un générateur, deux ampoules, deux interrupteurs, un moteur et des fils de connexion.

6 Manon a réalisé un circuit comprenant une pile, une ampoule et un interrupteur fermé. borne

borne V

.........

borne .........

Elle a ensuite placé un voltmètre en quatre positions différentes.

.........

borne – +

.........

V

V

borne

borne

.........

.........

a) À chaque position de cet instrument de mesure, indique sur le schéma normalisé la borne COM et la borne V. Hugo a ensuite mesuré les trois tensions et il a trouvé les valeurs suivantes : 12 V et 0 V.

b) Complète le tableau suivant.

Au générateur

32 32

Aux bornes de l’interrupteur Aux bornes de l’ampoule

Interrupteur fermé

Circuit ouvert

UAA1 Électricité

DÉVELOPPEMENTS

II. L’intensité électrique II.1. Analogie et grandeur physique Nous avons vu qu’un courant électrique correspond à un ensemble de charges qui se déplacent simultanément dans un conducteur.

Pour nous aider à comprendre la notion d’intensité électrique, nous pouvons la comparer à la quantité de skieurs descendant une piste.

Plus le nombre de skieurs passant à un endroit donné en un certain temps est grand, plus l’intensité est élevée. Par exemple, dix skieurs traversent un portail en cinq secondes.

L’intensité du courant électrique (I) est le nombre de charges électriques passant en un point du conducteur par unité de temps.

Si un certain nombre de charges (q) passe en un point en un certain temps (t), l’intensité électrique circulant dans le circuit est : q I= t Son unité, l’ampère (A), représente le passage d’une charge d’un coulomb (C) par seconde (s) en un point du circuit.

1C 1A = 1s N.B. : – un ampère correspond au passage de 6,25 . 1018 électrons à chaque seconde ; – une autre unité fréquemment utilisée est l’ampèreheure (Ah) qui correspond à la quantité de charge transportée par un courant d’un ampère pendant une heure. Elle vaut 3 600 C.

II.2. Mesure de l’intensité Pour mesurer l’intensité du courant électrique dans un circuit, on utilise la fonction ampèremètre (symbole A ) d’un multimètre.

Si l’on veut mesurer la quantité de skieurs qui passe à un endroit donné en un certain temps, il faut se placer sur la piste et compter le nombre de skieurs qui passent devant nous.

Dans un circuit électrique, il faut donc brancher l’ampèremètre en série.

Fig. 8

Fonction ampèremètre du multimètre.

N.B. : Si l’on inverse les bornes d’entrée (10 A) ou (mA) avec la borne COM, l’appareil indique une valeur négative.

Pour t’exercer à relever des intensités électriques, réalise l’expérience suivante.

3 • Les grandeurs électriques

33

EXPÉRIMENTATION

0,13 A 0,13 A 0,13 A

Fig. 9

Mesure de l’intensité avant l’ampoule.

Fig. 10

Mesure de l’intensité entre l’ampoule et l’interrupteur.

Fig. 11

Mesure de l’intensité après l’interrupteur.

1 Matériel Un générateur, des fils de connexion, un interrupteur et une ampoule montés chacun sur un support avec bornes de connexion, un multimètre en fonction ampèremètre.

2 Mode opératoire Rédige le mode opératoire (voir Fig. 9 , Fig. 10 et Fig. 11 ).

3 Observation → Quelle est la valeur initiale de l’intensité du courant Fig. 9 ?

→ Dans les trois situations, la luminosité de l’ampoule varie-t-elle ?

→ Lorsqu’on déplace l’ampèremètre dans ce circuit en série ( Fig. 10 et Fig. 11 ), l’intensité du courant change-t-elle ?

4 Interprétation → Quelles sont les valeurs de l’intensité du courant en ces différents points du circuit électrique

( Fig. 9 , Fig. 10 et Fig. 11 ) ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . → Si tu compares les intensités relevées, celles-ci varient-elles ?

34

UAA1 Électricité

5 Conclusion → Rédige une conclusion qui réponde à la question suivante : l’intensité du courant est-elle la même en n’importe quel point d’un circuit en série ?

→ Représente le schéma normalisé d’un des trois circuits.

� Pour mesurer l’intensité du courant dans un circuit en série comprenant un générateur et des récepteurs, on utilise la fonction ampèremètre d’un multimètre (symbole A ). Celui-ci est branché en série. � L’intensité du courant en un point d’un circuit est la quantité de charge q (en C) qui y circule par unité de temps t (en s). q I= t Le symbole du courant électrique est I et son unité dans le SI est l’ampère (symbole A).

APPLIQUER ET TRANSFÉRER 1 Coche les réponses correctes.

a) Un ampèremètre se branche :

❑ en série ; ❑ en parallèle (ou dérivation).

b) Dans un circuit en série comportant un générateur, une ampoule et un moteur :

❑ l’ampoule brille plus si elle est placée juste après le générateur ; ❑ l’ampoule a le même éclat quelle que soit sa place dans le circuit.

c) Pour connaître l’intensité du courant ❑ autant d’ampèremètres que de dipôles ; dans un circuit en série, il faut : ❑ un seul ampèremètre.

3 • Les grandeurs électriques

35

d) Dans un circuit en série comportant un générateur, une ampoule, un moteur et un interrupteur :

❑ le moteur tourne moins vite si l’on permute l’interrupteur et le moteur ; ❑ la permutation des dipôles dans le circuit ne modifie pas l’intensité du courant dans le circuit.

e) Lorsque le commutateur central d’un multimètre (fonction ampèremètre) est sur la position 20 mA :

❑ l’appareil ne peut mesurer que des intensités inférieures à 20 mA ; ❑ l’appareil ne peut mesurer que des courants supérieurs à 20 mA.

2 Lorsqu’on mesure l’intensité du courant, quelle notation (sigle) porte la borne par laquelle le courant sort du multimètre ?

3 Complète.

Lorsque l’intensité du courant dans une ampoule augmente, alors son éclat

L’ampèremètre affiche – 190 mA. Cela signifie que

4 Décode le document suivant et réponds aux questions.

a) Dans cette expérience, quel est le matériel utilisé (le générateur n’est pas visible sur la photo) ?

111,6 mA

b) Donne les valeurs avec leurs unités dans le Système international relevées sur les ampèremètres.

c) Sur quels calibres sont réglés l’ampèremètre supérieur et l’ampèremètre inférieur ?

0,11 A

Fig. 12

Ampèremètres avant et après une ampoule.

d) Quelle est la mesure la plus précise ? Justifie ta réponse.

e) Représente le schéma normalisé de ce circuit et indique à l’aide d’une flèche le sens conventionnel du courant.

36 36

UAA1 Électricité

5 a) Sur le culot d’une ampoule placée dans un circuit sont indiquées les valeurs suivantes : 6 V, 250 mA. Parmi les trois calibres de l’ampèremètre analogique (20 mA, 200 mA, 2 000 mA), lequel faut-il choisir si tu veux effectuer la mesure du courant ?

b) Quelle est l’intensité du courant qui traverse l’ampoule si le circuit est ouvert ?

6 Complète.

mA

A

Calculatrice

0,0005

GSM en mode veille

2

PC portable en fonctionnement

2

Soudure à l’arc

150

Ampoule d’une lampe torche

0,20

7 a) Retrace, en dessous de la Fig. 13 , ce circuit électrique en série en y plaçant un ampèremètre.

Fig. 13

Un circuit électrique à compléter.

b) Représente les schémas normalisés des différentes alternatives de positionnement de l’ampèremètre.

3 • Les grandeurs électriques

37

DÉVELOPPEMENTS

III. La résistance électrique III.1. Expérience Expérience

Mine de crayon (en graphite) Fig. 14

Courant traversant une mine de graphite sur une petite longueur.

Fig. 15

Courant traversant une mine de graphite sur toute sa longueur.

Une pile est reliée à une ampoule placée en série avec une mine de crayon.

On remarque que l’éclat de l’ampoule est différent selon la longueur de la mine insérée dans le circuit : lumineux quand la mine est courte, plus faible quand elle est longue.

III.2. Analogie et grandeur physique Tu as vu au premier degré que certains matériaux laissent passer le courant plus facilement que d’autres. Pour comprendre ce qu’est la résistance (R) d’un conducteur électrique, on peut également faire l’analogie avec des pistes de ski.

Deux pistes de ski peuvent avoir une pente similaire mais avec différents niveaux de difficulté pour la descendre.

Les skieurs empruntant la piste avec le plus d’obstacles vont descendre celle-ci moins vite que ceux skiant sur la piste damée.

Si les charges ont des difficultés à traverser une résistance, elles seront ralenties, ainsi que toutes les autres charges du circuit.

Une résistance se mesure en ohm (Ω). ou par Dans les schémas électriques, les résistances se représentent par .

Tu aborderas les facteurs influençant la résistance électrique dans un prochain chapitre.

38 38

UAA1 Électricité

III.3. Mesure d’une résistance Pour mesurer la résistance d’un élément du circuit électrique, on utilise la fonction ohmmètre (Ω) d’un multimètre.

Pour ce faire, il faut retirer l’élément du circuit, il ne doit pas être sous tension.

Fig. 16

III.4. Diode électroluminescente (DEL) Une diode électroluminescente « DEL », que l’on appelle couramment en anglais LED (light-emitting diode), est un composant électronique capable d’émettre de la lumière lorsqu’elle est traversée par un courant électrique. On en rencontre de plus en plus dans notre quotidien, car elles ont beaucoup d’avantages : elles sont petites, elles ne consomment pas beaucoup d’énergie et regroupées, elles peuvent fournir suffisamment de lumière afin de remplacer nos anciennes ampoules. .

Son symbole est Une LED a la particularité d’émettre de la lumière lorsque le courant la traverse par un seul côté. De l’autre côté, le courant reste bloqué et elle ne s’allume pas. Elle doit donc se placer dans le circuit dans une certaine position.

Réalise l’expérience suivante pour comprendre son fonctionnement.

Fonction ohmmètre du multimètre.

Capsule en résine époxy Fil de liaison

Point de contact Cavité réfléchissante Dé de la LED Cathode (-)

Anode (+)

EXPÉRIMENTATION

Résistance de 100 Ω

LED

Pile de 4,5 V

Fig. 17

Résistance de protection d’une LED.

3 • Les grandeurs électriques

39

1 Matériel Une pile plate de 4,5 V, des fils de connexion terminés par des pinces crocodiles, une LED, une résistance de 100 Ω.

2 Mode opératoire – Relier en série la LED, la pile et la résistance – Veiller au sens de raccordement pour la LED Fig. 17 .

3 Observation La LED brille fortement.

4 Interprétation → Que se passerait-il au niveau de la LED si la résistance n’avait pas été placée dans le circuit ?

→ Justifie pourquoi cette résistance est considérée comme résistance de protection.

� La résistance électrique d’un composant (R) détermine sa capacité à limiter le passage du courant.

Elle est mesurée en ohm (Ω). ) a besoin d’être traversée par un courant de faible intensité. Il faut donc � Une LED (symbole toujours placer une résistance adaptée dans le circuit afin de la protéger.

De plus, il faut veiller à son sens de raccordement :

DÉVELOPPEMENTS

IV. La puissance électrique IV.1. Expérience Un circuit électrique simple est relié à un énergimètre. Celui-ci permet de mesurer la quantité d’énergie dépensée par le circuit, ainsi que le temps.

40 40

UAA1 Électricité

Connecteurs

Sélecteur de fonctions

Plaque enfichable Fig. 18

Circuit avec un énergimètre.

Énergimètre Affichage sur un énergimètre.

Fig. 19

→ Réalise un graphique de l’énergie (E) en fonction du temps (t) à l’aide des mesures expérimentales relevées par deux élèves. t (s)

E (J)

0

0

4

11,48

10

28,70

17

48,79

21

60,27

25

71,75

→ Quel type de proportion ce graphique induit-il ?

→ Quelle est la relation mathématique que tu peux établir entre E et t ?

3 • Les grandeurs électriques

41

IV.2. Analogie et grandeur physique Nous avons tous une idée de la notion de puissance. Prenons deux groupes de skieurs différents. L’un des deux groupes est capable de descendre une même piste deux fois plus vite que l’autre groupe ; il sera considéré comme plus puissant.

La notion de puissance correspond donc à un débit d’énergie : deux systèmes de puissances différentes pourront fournir la même énergie, mais le plus puissant le fera plus rapidement.

Tu aborderas les facteurs influençant la puissance électrique dans un prochain chapitre.

IV.3. Étiquetage énergétique européen Le nouvel étiquetage qui indique le niveau de consommation énergétique des appareils électriques et ménagers sont arrivés dans les magasins le 1er mars 2021. L’objectif de ce changement est d’être en phase avec les progrès en matière de performance énergétique et de stimuler la fabrication d’appareils toujours plus économes.

Cinq catégories d’appareils seront concernées dans un premier temps par cette nouvelle classification : � les lave-linge et lave-linge séchants ménagers (pas les sèche-linges !) ; � les téléviseurs et écrans d’ordinateurs ; � les appareils de réfrigération (réfrigérateurs, congélateurs et caves à vin) ; � les lave-vaisselles ménagers ; � les lampes électriques.

Les autres catégories d’appareil suivront ultérieurement.

Les catégories énergétiques s’échelonnent de la classe A, pour les appareils les plus performants, à la classe G, pour les moins performants.

Consommation d’énergie en kWh pour 100 cycles

Consommation d’eau en litre pour 1 cycle

Niveau sonore en décibels (dB)

Niveau sonore d’essorage (dB) Fig. 20

42

UAA1 Électricité

Étiquetage énergétique européen de deux lave-linge.

� La puissance électrique (symbole P) est l’énergie consommée ou fournie par unité de temps : P=

E t

La puissance d’un appareil s’exprime en watt (symbole W) : 1W =

1J 1s

APPLIQUER ET TRANSFÉRER 1 Coche la (ou les) réponse(s) correcte(s).

a) Ton fournisseur d’électricité te facture la puissance de ton installation.

❑ Vrai ; ❑ Faux.

b) Ton fournisseur d’électricité te facture l’énergie consommée.

❑ Vrai ; ❑ Faux.

c) On mesure une puissance électrique à l’aide d’un…

❑ voltmètre ; ❑ ohmmètre ; ❑ wattmètre.

d) On mesure une résistance électrique à l’aide d’un…

❑ voltmètre ; ❑ ohmmètre ; ❑ ampèremètre.

2 Sur cette fiche signalétique d’une barre de son, repère la puissance de cet appareil.

Fig. 21

Fiche signalétique.

3 • Les grandeurs électriques

43

3 Attribue chaque fiche signalétique à l’appareil correspondant, sachant qu’il s’agit d’une TV LED et du socle d’une bouilloire électrique. Justifie ton choix.

Fig. 22

Fiche signalétique A.

Fig. 23

Fiche signalétique B.

44

UAA1 Électricité

APPLIQUER ET TRANSFÉRER 4 L a Commission wallonne pour l’énergie indique que le prix moyen de l’électricité s’élève à 0,07714 €/kWh (hors cotisations, surcharges, redevances…).

Dans le tableau ci-après, tu trouveras différents récepteurs électriques ainsi que la puissance de ces appareils exprimée en watts (W), le nombre de jours d’utilisation par an et la fréquence d’utilisation de l’appareil.

Calcule la consommation annuelle ([nombre d’heures d’utilisation] × [nombre jours d’utilisation] × ([puissance appareil en watts] / 1 000) = nombre kWh), le coût annuel de cet usage ou la puissance de cet appareil.

Type d’appareil

Puissance (W)

Période d’utilisation

Ancienne TV plasma

325

330 jours

TV LED

60

330 jours

Fréquentation Consommation Coût annuel d’utilisation annuelle (kWh) (€) 6 h/jour

6 h/jour

6 h × 330 J × (325 W/1 000) = 643,5 kWh

7,714 c€ × 643,5 kWh = 49,40 €

������������������������������������������������

����������������������������������������

������������������������������������������������

����������������������������������������

������������������������������������������������

����������������������������������������

�����������������������������������

TV LED en veille

�����������������������������������

����������������������������������������

330 jours

18 h/jour

11,8 kWh

����������������������������������������

�����������������������������������

Lave-linge performant

Sèche-cheveux

Aspirateur

900

600

800

����������������������������������������

50 semaines

360 jours

50 semaines

3 cycles/ semaine 1 cycle = 2 h 10

20 minutes/jour

2 h/semaine

6,5 h × 50 sem. × (900 W/1 000) = 292,5 kWh

�����������������������������������

2 500

���������������������������������������� ����������������������������������������

������������������������������������������������

����������������������������������������

������������������������������������������������

����������������������������������������

2 h × 50 sem. × 800 W/1 000) = 80 kWh

7,714 c€ × 80 kWh = 6,17 € ����������������������������������������

365 jours

24 h/jour

52,56 kWh

�����������������������������������

Taque de cuisson induction

����������������������������������������

������������������������������������������������

�����������������������������������

Décodeur TV

����������������������������������������

���������������������������������������� ����������������������������������������

365 jours

2 taques/ 1 repas/jour 30 minutes/ taque

������������������������������������������������

����������������������������������������

������������������������������������������������

����������������������������������������

������������������������������������������������

����������������������������������������

3 • Les grandeurs électriques

45

Avant-propos ........................................................................................................................................................................................ V Comment utiliser ce livre-cahier ? ......................................................................................................................................... VI

UAA1 Chapitre 1 Chapitre 2 Chapitre 3 Chapitre 4 Chapitre 5 Chapitre 6

Électrostatique ......................................................................................................................................................2 Circuit électrique de base .............................................................................................................................13 Les grandeurs électriques .............................................................................................................................26 Les lois de l’électrocinétique........................................................................................................................46 La sécurité des installations électriques.................................................................................................70 Les circuits avec capteurs .............................................................................................................................79

UAA2 Chapitre 1 Chapitre 2 Chapitre 3 Chapitre 4

Relation entre poids et masse .....................................................................................................................96 Résultante de forces ..................................................................................................................................... 109 La poussée d’Archimède ............................................................................................................................. 118 La pression ........................................................................................................................................................ 138

Index ...................................................................................................................................................................................................... 175

176

Table des matières