L'énergie et ses conversions (thème du cycle 4)
Physique-chimie · 4e
L’essentiel
AVERTISSEMENT HONNÊTE : thème du cycle 4 entier, réparti par chaque collège entre la 5e, la 4e et la 3e. Pas de découpage annuel officiel.
FORMES ET SOURCES D'ÉNERGIE. L'ÉNERGIE est ce qui permet de produire un mouvement, de la chaleur, de la lumière, de faire fonctionner un appareil. Elle se mesure en JOULES (J) ; pour l'électricité domestique, on utilise aussi le kilowattheure (kWh). Elle existe sous plusieurs FORMES : énergie cinétique (celle d'un objet en mouvement), énergie de position (celle d'un objet en hauteur, prêt à tomber), énergie thermique (la chaleur), énergie chimique (stockée dans les aliments, le bois, le pétrole, une pile), énergie électrique, énergie lumineuse, énergie nucléaire. Les SOURCES d'énergie sont dites RENOUVELABLES quand elles se reconstituent à l'échelle humaine (soleil, vent, eau des rivières, chaleur du sol, bois) et NON RENOUVELABLES quand leurs réserves s'épuisent (charbon, pétrole, gaz, uranium). Les énergies fossiles, en brûlant, rejettent du dioxyde de carbone qui renforce l'effet de serre.
CONVERSIONS ET CONSERVATION. L'énergie ne se crée pas et ne disparaît pas : elle se CONVERTIT d'une forme en une autre et se TRANSFÈRE d'un objet à un autre. Un barrage convertit l'énergie de position de l'eau en énergie cinétique, puis la turbine et l'alternateur la convertissent en énergie électrique. Une lampe convertit l'énergie électrique en lumière et en chaleur. Une CHAÎNE ÉNERGÉTIQUE représente ces conversions par des flèches entre réservoirs et convertisseurs. À chaque étape, une partie de l'énergie part en chaleur dans l'environnement : elle n'est pas perdue, mais elle n'est plus utilisable. C'est le principe de CONSERVATION DE L'ÉNERGIE.
PUISSANCE ET ÉNERGIE ÉLECTRIQUE. La PUISSANCE d'un appareil, en WATTS (W), dit à quelle vitesse il consomme ou fournit de l'énergie. L'énergie consommée se calcule par E = P × t : un radiateur de 2 000 W (2 kW) qui fonctionne 3 heures consomme 6 kWh. C'est ce que mesure le compteur et que facture le fournisseur d'électricité. Les étiquettes énergie des appareils comparent leurs consommations.
CIRCUITS ÉLECTRIQUES. Un circuit est une boucle fermée faite d'un générateur (pile, secteur), de récepteurs (lampe, moteur, résistance) et de fils conducteurs. Dans un circuit EN SÉRIE, les récepteurs sont à la suite : si l'un grille, tout s'éteint. Dans un circuit EN DÉRIVATION, chaque récepteur a sa propre branche : les autres continuent de fonctionner, c'est le montage des installations domestiques. La TENSION, en VOLTS (V), se mesure avec un voltmètre branché en dérivation aux bornes d'un élément ; l'INTENSITÉ du courant, en AMPÈRES (A), se mesure avec un ampèremètre branché en série. Dans un circuit en série, l'intensité est la même partout et les tensions s'ajoutent ; en dérivation, c'est la tension qui est la même sur chaque branche et les intensités qui s'ajoutent (loi des nœuds). Pour une RÉSISTANCE, la LOI D'OHM relie tension et intensité : U = R × I, où R est la résistance en OHMS (Ω). Plus la résistance est grande, plus elle freine le courant. Une résistance parcourue par un courant chauffe : c'est l'effet Joule, utile dans un grille-pain, dangereux dans un fil surchargé. SÉCURITÉ : le secteur délivre 230 V, mortel ; un court-circuit (les deux bornes d'un générateur reliées directement) fait chauffer les fils et déclenche le disjoncteur ; on ne touche jamais une prise avec les mains mouillées.
Repères
| Date | Événement |
|---|---|
| Programme | écrit pour tout le cycle 4 : l’ordre des notions dépend du collège |
| Joule (J), kilowattheure (kWh) | unités d’énergie ; le watt (W) est l’unité de puissance |
| E = P × t | énergie consommée = puissance × durée (2 kW pendant 3 h = 6 kWh) |
| Volt (V), ampère (A), ohm (Ω) | tension, intensité, résistance |
| U = R × I | loi d’Ohm pour une résistance |
| 230 V | tension du secteur domestique en France : mortelle |
Questions corrigées
1. Qu'est-ce qu'une source d'énergie renouvelable ?
Réponse : Une source qui se reconstitue à l'échelle humaine : soleil, vent, eau des rivières, chaleur du sol, bois
Le soleil brillera demain, le vent soufflera encore : ces sources ne s'épuisent pas à notre échelle. Le pétrole, formé en millions d'années, s'épuise : non renouvelable.
2. Que devient l'énergie quand une lampe est allumée ?
Réponse : L'énergie électrique est convertie en énergie lumineuse et en énergie thermique
La lampe est un convertisseur. Une partie devient lumière (utile), une partie chaleur (perdue pour l'éclairage, mais pas disparue). Au total, rien ne se perd : conservation de l'énergie.
3. Un four de 2 000 W fonctionne pendant 2 heures. Quelle énergie consomme-t-il ?
Réponse : 4 kWh
E = P × t = 2 kW × 2 h = 4 kWh. On convertit d'abord les watts en kilowatts (2 000 W = 2 kW). C'est cette quantité que facture le fournisseur d'électricité.
4. Dans un circuit en série, une lampe grille. Que se passe-t-il pour les autres lampes ?
Réponse : Elles s'éteignent toutes : le circuit est ouvert
En série, il n'y a qu'un seul chemin pour le courant : une coupure l'interrompt partout. En dérivation, chaque lampe a sa propre branche et les autres restent allumées. C'est pour cela que les maisons sont câblées en dérivation.
5. Avec quel appareil et quel branchement mesure-t-on une intensité ?
Réponse : Un ampèremètre branché en série dans le circuit
L'intensité est le débit de courant qui traverse un point : l'ampèremètre doit être traversé par ce courant, donc inséré en série. La tension se mesure entre deux points : voltmètre en dérivation.
6. Que dit la loi d'Ohm ?
Réponse : U = R × I : la tension aux bornes d'une résistance est proportionnelle à l'intensité qui la traverse
Pour une résistance donnée, doubler l'intensité double la tension. R, en ohms, est le coefficient de proportionnalité. Une résistance de 100 Ω traversée par 0,2 A a une tension de 20 V à ses bornes.
7. Qu'est-ce qu'un court-circuit ?
Réponse : Une liaison directe entre les deux bornes d'un générateur, sans récepteur : les fils chauffent, risque d'incendie
Sans récepteur pour freiner le courant, l'intensité devient très grande et les fils chauffent (effet Joule). Le disjoncteur coupe alors le courant. Dans une installation ancienne sans protection, c'est une cause classique d'incendie.
S’entraîner
Des exercices neufs à chaque séance, avec correction, sur l’application du 4e (elle fonctionne sans connexion).
Ouvrir cette notion dans le cahier de 4e