Physique L’énergie électrique et l’effet Joule Chap.17

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NOM : ... Prénom : ... Classe : 1^ère S 1

1^ère S Thème : Défis du XXI^ème siècle TP n°21

Physique L’énergie électrique et l’effet Joule Chap.17

But du TP : Etudier l’effet Joule. Déterminer les caractéristiques d’une pile et d’une résistance électrique.

Matériel

 Ordinateur (Regressi)

 Générateur de tension 6V

 2 multimètres jaunes (voltmètre)

 1 multimètre gris (ampèremètre)

 Rhéostat gris 34 Ω

 Pile 4,5 V neuve

 Conducteur ohmique R = 10 Ω

 Fils de connexion

 Chronomètre

 1 éprouvette 200 mL (ou 100 mL)

 1 bécher 250 mL

 Calorimètre avec agitateur

 Thermomètre électronique

 Résistance chauffante 6 Ω à immerger

I. Étude de l’effet Joule Principe

 Le passage du courant électrique dans un circuit provoque un effet thermique bien connu : l’effet Joule (ex : grille-pain). Pour quantifier cet effet, étudions l’influence du passage du courant dans une résistance chauffante, placée dans de l’eau.

1. Protocole expérimental (Coefficient 3)

 Ouvrir le logiciel Regressi afin d’entrer les valeurs expérimentales suivantes : t (en s), I (en A) et θ (CTRL+G puis q) (en °C).

 Verser 150 mL d’eau dans le calorimètre.

 Immerger la résistance chauffante R = 6 Ω (repérer les bornes) et le thermomètre.

 Réaliser le circuit schématisé ci-dessous :

 Repérer le générateur (éteint) et brancher un fil sur chaque borne + et - ;

 Brancher les dipôles en suivant le sens du courant à partir de la borne + ;

 Le courant doit pénétrer par la borne A de l’ampèremètre gris pour que la valeur de l’intensité I du courant électrique soit positive.

 Mesurer la température initiale de l’eau notée θi.



 Simultanément, mettre en marche le générateur et déclencher le chronomètre.

 Mesurer la température θ de l’eau toutes les 30 s, et ce pendant 4 minutes environ (penser à homogénéiser l’eau). Noter aussi l’intensité I.

 Eteindre le générateur et débrancher le circuit.

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2. Exploitation (Coefficient 4)

2.1. L’intensité du courant varie-t-elle au cours du temps ? En déduire sa valeur moyenne.

2.2. Calculer l’énergie électrique notée Eélec consommée par la résistance chauffante pendant la durée Δt de fonctionnement

Donnée : Puissance électrique P = R × I²

2.3. Quel est l’effet du transfert d’énergie électrique vers l’eau ?

2.4. Calculer l’énergie thermique notée Q emmagasinée par l’eau lors de son augmentation de température.

Données : Energie thermique

Q = m × Ce × Δθ avec la masse m d’eau et sa capacité calorifique Ce = 4,18 J.g^-1.°C^-1 .

2.5. En comparant les valeurs précédentes, peut-on dire qu’il y ait conservation de l’énergie totale ? Justifier.

2.6. Dans le cas du grille-pain, sous quelle forme est convertie l’énergie électrique ? Et avec une lampe à incandescence ?

II. Étude d’un circuit électrique

1. Protocole expérimental (Coefficient 3)

 Sur Regressi, faire Fichier / Nouveau / Clavier pour entrer les valeurs expérimentales : I (en A), UPN (en V) et UR (en V).

 Réaliser le montage du circuit schématisé ci-dessous (sans les voltmètres au départ) avec une pile de 4,5 V, une résistance électrique de 10 Ω, un rhéostat gris (résistance variable avec curseur) et un ampèremètre (attention au sens des branchements des dipôles).

 Puis, placer un voltmètre jaune en dérivation par rapport à la pile, et un second en dérivation par rapport à la résistance (bien les repérer).



 Déplacer le curseur du rhéostat pour que l’intensité I soit la plus faible.

 Entrer les valeurs respectives des tensions UPN de la pile et UR de la résistance.

 Recommencer pour six autres valeurs de l’intensité (tous les 0,5 A par exemple).

2. Exploitation (Coefficient 4)

2.1. Sur le même graphique, visualiser les courbes UPN = f(I) et UR = g(I). Quelle est l’allure de chacune d’elles ? 2.2. Modéliser chaque courbe et donner l’équation de chaque droite.

Après accord du professeur, imprimer les courbes avec l’expression des modèles.

2.3. Retrouve-t-on la loi d’Ohm UR = R × I pour la résistance ? Justifier.

2.4. Une pile (ou générateur électrique) possède la caractéristique suivante : UPN = E – r × I

La force électromotrice (ou f.é.m.) E de la pile correspond à sa tension en circuit ouvert, et r est sa résistance interne.

Retrouve-t-on cette relation ? Justifier en donnant les valeurs respectives de E et de r.

2.5. Quelles sont les différences entre un générateur électrique et un récepteur électrique ?