3P5 L'ÉNERGIE ET L'ÉLECTRICITÉ

  

PHYSIQUE – CHIMIE

L'ÉNERGIE

ET L'ÉLECTRICITÉ

Cours complet — Cycle 4 (collège)

Sources, transferts et conversions d'énergie  •  Circuits électriques  •  Bilans et puissance

Sommaire
Chapitre 1	Sources, transferts, conversions et formes d'énergie
Chapitre 2	Les circuits électriques
Chapitre 3	Conservation, bilan d'énergie et puissance
	Exercices guidés
	Fiche de révision express
	Quiz de fin de chapitre (avec corrigé)

 

Chapitre 1 — Sources, transferts, conversions et formes d'énergie

I. Les formes d'énergie

L'énergie est une grandeur physique qui permet de mettre un système en mouvement, de le chauffer, de l'éclairer, de le déformer ou de le transformer. Elle s'exprime en joules, de symbole J. L'énergie existe sous plusieurs formes, présentées dans le tableau ci-dessous.

Forme d'énergie	Elle est liée à…	Exemple
Énergie cinétique (Ec)	au mouvement d'un objet	voiture qui roule, vent, rivière
Énergie potentielle de pesanteur	à l'altitude d'un objet dans le champ de pesanteur	objet en hauteur, eau retenue par un barrage
Énergie potentielle élastique	à la déformation d'un objet élastique	ressort comprimé, arc tendu
Énergie mécanique (Em)	au mouvement et à la position : Em = Ec + Epp	pendule, montagnes russes
Énergie thermique	à la température et à l'agitation des particules	eau chauffée, radiateur
Énergie chimique	aux réactions chimiques de la matière	aliments, piles, combustibles
Énergie électrique	au déplacement de charges électriques	courant dans un circuit
Énergie nucléaire	aux réactions nucléaires (fission)	centrale nucléaire
Énergie rayonnante (lumineuse)	à la lumière et aux rayonnements	Soleil, lampe
📘 À retenir L'énergie se mesure en joules (J). Pour de grandes quantités, on utilise aussi le kilowattheure (kWh) : 1 kWh = 3 600 000 J. Un système possède toujours de l'énergie sous une ou plusieurs formes en même temps.

II. Les transferts et conversions d'énergie

Sous-titre : les formes d'énergie, leurs transferts et leurs conversions.

Un transfert d'énergie correspond au déplacement de l'énergie d'un système à un autre, sans que sa forme ne change (ex. : transfert thermique par contact, transfert mécanique par une tige ou une courroie).

Une conversion d'énergie correspond au changement de forme de l'énergie au sein d'un convertisseur (ex. : un moteur convertit l'énergie électrique en énergie mécanique).

Exemple étudié : l'éolienne

L'énergie cinétique du vent est convertie par une éolienne en énergie électrique. Le vent fait tourner les pales de l'éolienne (transfert mécanique de l'énergie du vent vers les pales), qui entraînent l'axe d'une génératrice ; celle-ci convertit l'énergie mécanique de rotation en énergie électrique, ensuite distribuée dans le réseau.

Chaîne énergétique de l'éolienne : de l'énergie cinétique du vent à l'énergie électrique.

Autres chaînes énergétiques classiques

Panneau photovoltaïque : le panneau convertit directement l'énergie lumineuse du Soleil en énergie électrique.

Centrale thermique (charbon, gaz, fioul) : plusieurs conversions successives sont nécessaires avant d'obtenir de l'énergie électrique.

Dispositif	Chaîne énergétique
Barrage hydroélectrique	Énergie potentielle de l'eau → énergie cinétique (chute) → énergie électrique (turbine + alternateur)
Pile électrique	Énergie chimique → énergie électrique
Lampe à incandescence	Énergie électrique → énergie lumineuse + énergie thermique (dissipée)
Moteur électrique	Énergie électrique → énergie mécanique (cinétique)
Un cycliste qui pédale	Énergie chimique (aliments) → énergie mécanique
💡 Méthode Pour décrire une chaîne énergétique : 1) identifier la source d'énergie de départ, 2) repérer le ou les convertisseurs (dispositifs qui changent la forme de l'énergie), 3) indiquer la forme d'énergie finale utile, 4) ne pas oublier l'énergie dissipée (souvent sous forme de chaleur) à chaque conversion.

III. Les sources d'énergie

Une source d'énergie est un réservoir naturel dans lequel on peut puiser de l'énergie. On distingue deux grandes catégories de sources d'énergie.

📘 Définitions Sources renouvelables : elles se renouvellent aussi vite ou plus vite qu'elles ne sont consommées, à l'échelle humaine (Soleil, vent, eau, biomasse, géothermie). Sources non renouvelables : leur stock est limité et leur formation prend des millions d'années ; elles s'épuisent à l'échelle humaine (charbon, pétrole, gaz naturel, uranium).
Source	Type	Avantage	Inconvénient
Solaire	Renouvelable	Inépuisable, pas d'émission de CO2 en fonctionnement	Production intermittente (jour/nuit, météo)
Éolien	Renouvelable	Inépuisable, pas d'émission de CO2	Intermittent, impact paysager et sonore
Hydraulique	Renouvelable	Énergie stockable, forte puissance	Impact sur les écosystèmes, coût d'installation
Biomasse	Renouvelable	Valorise des déchets organiques	Émet du CO2 à la combustion
Géothermie	Renouvelable	Disponible en continu	Limitée à certaines zones géologiques
Charbon	Non renouvelable	Ressource abondante, peu coûteuse	Très polluant, fort émetteur de CO2
Pétrole	Non renouvelable	Forte densité énergétique	Pollution, épuisable, dépendance géopolitique
Gaz naturel	Non renouvelable	Moins polluant que le charbon	Épuisable, gaz à effet de serre
Uranium	Non renouvelable	Pas de CO2 en fonctionnement, forte puissance	Déchets radioactifs, risque d'accident

IV. Calculer une vitesse à partir de l'énergie cinétique

L'énergie cinétique d'un objet en mouvement dépend de sa masse m et de sa vitesse v :

🧮 Formule de l'énergie cinétique Ec = ½ × m × v² avec Ec en joules (J), m en kilogrammes (kg) et v en mètres par seconde (m/s).

Méthode : isoler la vitesse v

1.     On part de la formule : Ec = ½ × m × v²

2.     On multiplie les deux membres par 2 : 2 × Ec = m × v²

3.     On divise par la masse m : v² = (2 × Ec) / m

4.     On prend la racine carrée des deux membres : v = √(2 × Ec / m)

🧮 Formule finale pour calculer la vitesse v = √(2 × Ec / m)

💡 Méthode de résolution d'un exercice 1) Relever les données (Ec en J, m en kg) et vérifier les unités du système international. 2) Écrire la formule littérale v = √(2Ec / m). 3) Remplacer les lettres par les valeurs numériques (avec unités). 4) Calculer et donner le résultat en m/s, arrondi si besoin. 5) Convertir en km/h si nécessaire, en multipliant par 3,6.

Exemple résolu n°1

Une voiture de masse m = 1 000 kg possède une énergie cinétique Ec = 125 000 J. Calculer sa vitesse.

✏️ Résolution v = √(2 × Ec / m) = √(2 × 125 000 / 1 000) v = √(250 000 / 1 000) = √250 v ≈ 15,8 m/s Conversion : v = 15,8 × 3,6 ≈ 56,9 km/h

Exemple résolu n°2

Un cycliste et son vélo, de masse totale m = 70 kg, possèdent une énergie cinétique Ec = 875 J. Calculer leur vitesse.

✏️ Résolution v = √(2 × 875 / 70) = √(1 750 / 70) = √25 v = 5 m/s, soit 5 × 3,6 = 18 km/h

 

Chapitre 2 — Les circuits électriques

I. Les dipôles électriques

📘 Définition Un dipôle électrique est un composant possédant deux bornes, à travers lesquelles il peut être traversé par le courant électrique.

On distingue deux grandes catégories de dipôles :

•     les dipôles générateurs : ils transforment une autre forme d'énergie en énergie électrique et l'apportent au circuit (pile, batterie, générateur, alternateur, panneau solaire…) ;

•     les dipôles récepteurs : ils reçoivent de l'énergie électrique et la convertissent en une autre forme d'énergie (lampe, moteur, résistor, DEL, haut-parleur…).

Symboles normalisés

Symboles normalisés utilisés pour schématiser un circuit électrique.

II. Circuits en série et circuits en dérivation

Les dipôles d'un circuit peuvent être associés de deux façons différentes : en série ou en dérivation (en parallèle).

📘 Circuit en série Les dipôles sont branchés les uns à la suite des autres : il n'existe qu'un seul chemin pour le courant. L'intensité du courant I est la même en tout point du circuit. La tension totale aux bornes du générateur est égale à la somme des tensions aux bornes de chaque récepteur : U = U1 + U2 + … Si un dipôle est retiré ou grillé, le circuit est coupé et plus rien ne fonctionne.

📘 Circuit en dérivation (parallèle) Les dipôles sont branchés sur des branches différentes, entre les deux mêmes nœuds : il existe plusieurs chemins pour le courant. La tension U est la même aux bornes de chaque branche en dérivation. L'intensité totale débitée par le générateur est égale à la somme des intensités dans chaque branche : I = I1 + I2 + … Si une branche est coupée, les autres continuent de fonctionner normalement (ex. : installation électrique domestique).

III. Schématiser un circuit électrique

Un schéma électrique se dessine toujours à l'aide des symboles normalisés, reliés par des traits droits (les fils), avec les règles suivantes :

•     les fils sont représentés par des traits horizontaux ou verticaux (jamais de traits obliques ni de dessins réalistes) ;

•     chaque dipôle est représenté par son symbole normalisé, jamais dessiné de façon réaliste ;

•     un point noir (nœud) indique une jonction entre plusieurs fils ;

•     le sens conventionnel du courant électrique va de la borne + vers la borne − du générateur à l'extérieur de celui-ci ;

•     l'ampèremètre se branche toujours en série (dans le circuit lui-même) ; le voltmètre se branche toujours en dérivation (aux bornes du dipôle à étudier).

IV. Les lois de l'électricité — circuit à plusieurs mailles

📘 Vocabulaire Nœud : point du circuit où se rejoignent au moins trois fils. Branche : portion de circuit comprise entre deux nœuds consécutifs. Maille : boucle fermée que l'on peut parcourir dans un circuit, en partant d'un point et en y revenant sans repasser deux fois par le même fil.

🧮 Loi des nœuds La somme des intensités des courants qui arrivent à un nœud est égale à la somme des intensités des courants qui en repartent. Exemple ci-dessus : I = I1 + I2

🧮 Loi des mailles (loi d'additivité des tensions) Dans une maille, la somme des tensions, prises dans un sens de parcours donné, est égale à zéro (ou : la somme des tensions générées est égale à la somme des tensions consommées). Pour un circuit série simple : U = U1 + U2 + …

V. La loi d'Ohm

Dans un résistor (conducteur ohmique), la tension à ses bornes est proportionnelle à l'intensité du courant qui le traverse.

🧮 Loi d'Ohm U = R × I avec U en volts (V), R la résistance en ohms (Ω), et I l'intensité en ampères (A).

Exemple résolu

Un résistor de résistance R = 100 Ω est parcouru par un courant d'intensité I = 0,25 A. Calculer la tension à ses bornes.

✏️ Résolution U = R × I = 100 × 0,25 = 25 V

VI. Les règles de sécurité électrique

⚠️ À respecter absolument Ne jamais toucher un fil dénudé ou une prise avec les mains mouillées : l'eau est conductrice et augmente fortement le risque d'électrisation. Ne jamais démonter ou manipuler une installation électrique domestique (220 V) sans coupure du courant au disjoncteur : cette tension est dangereuse pour l'être humain, contrairement à la basse tension d'une pile (quelques volts). Ne jamais court-circuiter un générateur (relier directement le + et le − sans récepteur) : cela peut provoquer un échauffement, un incendie ou l'explosion de la pile. Toujours brancher l'ampèremètre en série et le voltmètre en dérivation, en respectant le bon calibre, pour ne pas endommager l'appareil de mesure. Utiliser du matériel isolé (gants, outils à manche isolant) lors de toute intervention sur une installation. Connaître le rôle des fusibles et des disjoncteurs : ils coupent automatiquement le circuit en cas d'intensité trop forte, ce qui évite l'incendie.

 

Chapitre 3 — Conservation, bilan d'énergie et puissance

I. Conservation de l'énergie et bilan énergétique

📘 Principe de conservation de l'énergie L'énergie ne se crée pas et ne disparaît pas : elle se transforme d'une forme à une autre, ou se transfère d'un système à un autre. La quantité totale d'énergie se conserve.

Lors d'une conversion, une partie de l'énergie fournie sert à l'usage voulu (énergie utile), et une autre partie est dissipée, le plus souvent sous forme de chaleur (énergie dissipée). On dit que l'énergie n'est pas perdue mais dégradée : elle devient moins facilement récupérable.

🧮 Bilan énergétique Énergie reçue (ou consommée) = Énergie utile + Énergie dissipée

🧮 Rendement η = Eutile / Etotale × 100 Le rendement η, exprimé en %, indique la part d'énergie effectivement utilisée par rapport à l'énergie totale consommée. Il est toujours inférieur à 100 %.

II. Énergie et puissance électrique

La puissance électrique correspond à la quantité d'énergie électrique échangée par unité de temps.

🧮 Relation énergie – puissance – temps E = P × t     soit     P = E / t avec E l'énergie en joules (J), P la puissance en watts (W) et t la durée en secondes (s).

🧮 Puissance électrique d'un dipôle P = U × I avec P en watts (W), U la tension en volts (V) et I l'intensité en ampères (A).

📘 Unités usuelles Le watt (W) est l'unité de puissance : 1 kW = 1 000 W. Le kilowattheure (kWh) est une unité pratique d'énergie utilisée par les fournisseurs d'électricité : 1 kWh correspond à l'énergie consommée par un appareil de 1 kW fonctionnant pendant 1 heure. 1 kWh = 3 600 000 J.

III. Exercice résolu : calcul d'une consommation d'énergie électrique

✏️ Énoncé Un radiateur électrique de puissance P = 1 500 W fonctionne pendant 4 heures par jour, durant 30 jours. 1) Calculer l'énergie électrique consommée en kWh. 2) Sachant que le prix du kWh est de 0,25 €, calculer le coût de cette consommation.

✏️ Résolution 1) Durée totale de fonctionnement : t = 4 h × 30 = 120 h Puissance en kW : P = 1 500 W = 1,5 kW Énergie consommée : E = P × t = 1,5 × 120 = 180 kWh 2) Coût de la consommation : Coût = E × prix du kWh = 180 × 0,25 = 45 € Le radiateur consomme 180 kWh sur le mois, pour un coût de 45 €.

 

Exercices guidés

Ces exercices sont à faire au brouillon, en suivant pas à pas les questions. Le corrigé détaillé suit chaque énoncé.

Exercice 1 — Formes et conversions d'énergie

✏️ Énoncé On étudie une centrale hydroélectrique installée au pied d'un barrage. 1) Quelle est la forme d'énergie de l'eau retenue en hauteur par le barrage ? 2) Quand l'eau tombe et se met à couler dans les conduites, en quelle forme d'énergie se convertit-elle ? 3) La turbine puis l'alternateur convertissent cette énergie en une dernière forme : laquelle ? 4) Écrire la chaîne énergétique complète de ce dispositif.

✅ Corrigé

1) L'eau retenue en hauteur possède de l'énergie potentielle de pesanteur (liée à son altitude).

2) En tombant et en s'écoulant, l'eau prend de la vitesse : son énergie potentielle de pesanteur se convertit en énergie cinétique.

3) La turbine, entraînée par l'eau, fait tourner l'alternateur qui convertit l'énergie cinétique/mécanique en énergie électrique.

4) Chaîne énergétique : Énergie potentielle de pesanteur de l'eau → énergie cinétique de l'eau (chute) → énergie électrique (turbine + alternateur).

Exercice 2 — Sources d'énergie

✏️ Énoncé Classer les sources d'énergie suivantes en deux catégories (renouvelable / non renouvelable) : pétrole, énergie solaire, gaz naturel, énergie éolienne, uranium, biomasse, charbon, énergie hydraulique. Justifier le classement en une phrase.

✅ Corrigé

Renouvelables : énergie solaire, énergie éolienne, biomasse, énergie hydraulique — car ces sources se renouvellent aussi vite ou plus vite qu'elles sont consommées, à l'échelle humaine.

Non renouvelables : pétrole, gaz naturel, uranium, charbon — car leur stock est limité et se forme sur des millions d'années, bien plus lentement qu'elles ne sont consommées.

Exercice 3 — Calcul de vitesse à partir de l'énergie cinétique

✏️ Énoncé Un skieur et son équipement, de masse totale m = 80 kg, possèdent en bas de piste une énergie cinétique Ec = 10 000 J. 1) Rappeler la formule de l'énergie cinétique et celle permettant de calculer la vitesse à partir de Ec et m. 2) Calculer la vitesse du skieur en m/s. 3) Convertir cette vitesse en km/h.

✅ Corrigé

1) Ec = ½ × m × v²  donc  v = √(2 × Ec / m)

2) v = √(2 × 10 000 / 80) = √(20 000 / 80) = √250 ≈ 15,8 m/s

3) v ≈ 15,8 × 3,6 ≈ 56,9 km/h

Exercice 4 — Circuits série et dérivation

✏️ Énoncé Un circuit comporte un générateur et deux lampes L1 et L2 branchées en dérivation. L'ampèremètre placé juste à la sortie du générateur indique I = 0,6 A. L'ampèremètre placé dans la branche de L1 indique I1 = 0,35 A. 1) Quelle loi permet de relier I, I1 et I2 ? 2) Calculer l'intensité I2 dans la branche de L2. 3) Que peut-on dire de la tension aux bornes de L1 et de L2 ?

✅ Corrigé

1) La loi des nœuds : I = I1 + I2.

2) I2 = I − I1 = 0,6 − 0,35 = 0,25 A

3) Les deux lampes étant en dérivation, elles ont la même tension à leurs bornes (U1 = U2), car elles sont branchées entre les deux mêmes nœuds.

Exercice 5 — Loi d'Ohm

✏️ Énoncé Un conducteur ohmique de résistance R = 220 Ω est branché aux bornes d'un générateur qui délivre une tension U = 11 V. 1) Rappeler la loi d'Ohm et l'écrire pour calculer l'intensité I. 2) Calculer l'intensité I qui traverse le résistor.

✅ Corrigé

1) U = R × I  donc  I = U / R

2) I = 11 / 220 = 0,05 A, soit 50 mA.

Exercice 6 — Puissance et énergie électrique

✏️ Énoncé Une bouilloire électrique porte l'indication « 230 V – 2 000 W ». Elle fonctionne pendant 6 minutes chaque jour, pendant 7 jours. 1) Calculer l'intensité du courant qui la traverse en fonctionnement normal. 2) Calculer l'énergie électrique consommée sur la semaine, en kWh. 3) Le prix du kWh étant de 0,25 €, calculer le coût de cette consommation hebdomadaire.

✅ Corrigé

1) P = U × I donc I = P / U = 2 000 / 230 ≈ 8,7 A

2) Durée totale : t = 6 min × 7 = 42 min = 0,7 h. Puissance : P = 2 000 W = 2 kW.

E = P × t = 2 × 0,7 = 1,4 kWh

3) Coût = 1,4 × 0,25 = 0,35 €

 

Fiche de révision express

Énergie : formes, transferts, conversions

•     Formes d'énergie : cinétique, potentielle (pesanteur/élastique), mécanique, thermique, chimique, électrique, nucléaire, rayonnante.

•     Transfert : l'énergie change de système, pas de forme. Conversion : l'énergie change de forme.

•     Éolienne : énergie cinétique du vent → énergie électrique (via rotation des pales + génératrice).

•     Sources renouvelables : Soleil, vent, eau, biomasse, géothermie. Sources non renouvelables : charbon, pétrole, gaz, uranium.

🧮 Formules à connaître — Chapitre 1 Ec = ½ × m × v²        v = √(2 × Ec / m) Em = Ec + Epp

Circuits électriques

•     Dipôle = composant à 2 bornes. Générateur (fournit l'énergie) / récepteur (la consomme).

•     Série : un seul chemin, I identique partout, U = U1 + U2 + …

•     Dérivation : plusieurs branches, U identique par branche, I = I1 + I2 + …

•     Ampèremètre → toujours en série. Voltmètre → toujours en dérivation.

•     Loi des nœuds : la somme des intensités entrantes = somme des intensités sortantes.

•     Sécurité : jamais de mains mouillées, jamais de court-circuit, couper le disjoncteur avant toute intervention.

🧮 Formules à connaître — Chapitre 2 Loi d'Ohm : U = R × I

Bilan et puissance énergétique

•     L'énergie ne se crée pas et ne disparaît pas : elle se transforme et se transfère (elle peut se dégrader, jamais se perdre).

•     Bilan : énergie reçue = énergie utile + énergie dissipée.

•     Rendement η = Eutile / Etotale × 100 (toujours < 100 %).

🧮 Formules à connaître — Chapitre 3 E = P × t          P = U × I 1 kWh = 3 600 000 J

 

Quiz — L'énergie et l'électricité

Entoure la ou les bonne(s) réponse(s) pour chaque QCM, puis réponds aux questions courtes.

QCM

1. L'unité de l'énergie dans le Système international est :

•     a) le watt

•     b) le joule

•     c) le volt

2. Une énergie qui change de forme, c'est :

•     a) un transfert

•     b) une conversion

•     c) une source

3. Laquelle de ces sources n'est PAS renouvelable ?

•     a) l'énergie éolienne

•     b) le gaz naturel

•     c) l'énergie solaire

4. Dans un circuit en série, l'intensité du courant :

•     a) est différente à chaque point

•     b) est identique en tout point

•     c) n'existe qu'aux bornes du générateur

5. Dans un circuit en dérivation, la tension aux bornes des branches est :

•     a) toujours différente

•     b) la même pour chaque branche

•     c) impossible à mesurer

6. La loi d'Ohm s'écrit :

•     a) U = R × I

•     b) I = R × U

•     c) P = U × I

7. L'ampèremètre se branche :

•     a) en dérivation

•     b) en série

•     c) hors du circuit

8. La relation entre énergie, puissance et durée est :

•     a) E = P × t

•     b) E = P / t

•     c) P = E × t

9. Le rendement d'une conversion d'énergie est :

•     a) toujours égal à 100 %

•     b) toujours supérieur à 100 %

•     c) toujours inférieur à 100 %

10. v = √(2Ec/m) permet de calculer :

•     a) l'énergie cinétique

•     b) la masse

•     c) la vitesse

Questions courtes

5.     Donne un exemple de dispositif qui convertit l'énergie chimique en énergie électrique.

6.     Cite deux règles de sécurité électrique indispensables.

7.     Un appareil de 800 W fonctionne pendant 2 heures. Calcule l'énergie consommée en Wh puis en kWh.

8.     Une balle de masse 0,5 kg a une énergie cinétique de 4 J. Calcule sa vitesse.

 

Corrigé du quiz

QCM

1 : b — 2 : b — 3 : b — 4 : b — 5 : b — 6 : a — 7 : b — 8 : a — 9 : c — 10 : c

Questions courtes

1) Exemple : une pile électrique (ou une batterie) convertit l'énergie chimique en énergie électrique.

2) Exemples : ne jamais toucher un fil dénudé avec les mains mouillées ; ne jamais court-circuiter un générateur ; couper le courant au disjoncteur avant une intervention (toute règle citée dans le cours et correctement justifiée est acceptée).

3) E = P × t = 800 × 2 = 1 600 Wh, soit 1,6 kWh.

4) Ec = ½ × m × v²  →  v = √(2 × Ec / m) = √(2 × 4 / 0,5) = √(8 / 0,5) = √16 = 4 m/s.