- enseignement Catholique

Document1
AUTEURS : Jean-Baptiste Schuermans et Philippe Godts
Fiche d’expérience 8
Puissance et énergie électriques
Objectifs d’apprentissage
Illustrer la loi de la puissance P = U.I à l’aide d’un circuit électrique.
Mesurer la consommation d’un appareil d’usage courant à l’aide d’un wattmètre.
Description générale
Tout d’abord, on justifie la loi P = U.I en mesurant le courant et la tension nécessaires pour faire briller
deux ampoules identiques (branchées en parallèle, puis en série) aussi fort qu’une seule. Ensuite, on
compare la puissance d’un récepteur mesurée à l’aide d’un wattmètre avec celle indiquée par le
constructeur.
Dans une deuxième partie, on estime la consommation d’un appareil fonctionnant sous 220 V pendant
une durée déterminée connaissant sa puissance, et on vérifie la valeur obtenue à l’aide d’un
wattmètre.
Matériel suggéré
 2 piles 4,5V*
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;
 2 ampoules sur soquet (6 V/0,1 A)* ;
 Générateur 6 V ;
 Cordons à pinces-crocos ;
 Voltmètre ;
 Ampèremètre (calibre 3 A) ;
 Récepteurs semblables et de puissances différentes fonctionnant sous 220 V (différents types
de lampe donnant une luminosité semblable) ;
 Wattmètre 220 V ;
Santé, sécurité, notes techniques
Voir remarques générales dans le document relatif à la boîte électrique de base (BEB).
Les récepteurs fonctionnant sous 220 V seront dans un état impeccable, et les élèves n’auront pas
accès aux parties démontables (ampoules…).
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(*) Ce matériel est inclus dans la boîte électrique de base (BEB). Deux boîtes sont nécessaires.
HPT
Formation scientifique
UAA5

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Procédure
A. Les élèves réalisent successivement les schémas ci-dessous
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, à l’aide des deux piles et des
deux ampoules (6 V/0,1 A). Ils mesurent à chaque fois les tensions (U) et les courants (I), et
calculeront en outre les produits U.I.
B. Les élèves branchent un récepteur (par exemple une ampoule à incandescence) de
puissance connue à un générateur dont la tension correspond à la tension nominale du
récepteur. Ils placent en outre un ampèremètre et un voltmètre dans le circuit de manière à
vérifier la puissance indiquée par le constructeur. Ils peuvent aussi utiliser directement un
wattmètre basse tension si le laboratoire en dispose.
C. Les élèves comparent les puissances indiquées (si disponibles) et les puissances réelles de
différents récepteurs semblables fonctionnant sous 220 V, à l’aide d’un wattmètre 220 V. Ils
déterminent en outre l’énergie consommée par les récepteurs au bout d’une heure (en kWh)
et l’extrapolent à une année en supposant que les récepteurs fonctionnent 2 heures par jour
en moyenne.
Note pour le professeur
La partie A de l’expérience permet aux élèves de se rendre compte que la puissance totale est
doublée
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, que l’on double le courant (deuxième schéma) ou la tension (troisième schéma, tout en
maintenant l’autre grandeur constante. Cela est donc en accord avec la loi de la puissance : P = U.I.
La partie B permet à l’élève de vérifier quantitativement la loi de la puissance, ou encore le rôle d’un
wattmètre. La puissance indiquée par le constructeur reste valable, que le récepteur soit alimenté en
continu ou en alternatif.
La partie C permet à l’élève de se familiariser avec l’unité la plus utilisée de l’énergie électrique
consommée : le kWh.
Prolongement possible
Mesurer la puissance et la durée requises pour obtenir une même élévation de la température d’une
certaine masse d’eau, et donc lui communiquer une même énergie thermique, sous deux tensions
différentes ou en utilisant un nombre différent de résistances chauffantes branchées en parallèle. A
partir de ces mesures, effectuer le produit de la puissance par la durée de deux manières différentes :
d’une part en calculant la puissance en watt et la durée en seconde, ce qui produit une énergie
transférée en joule, et d’autre part en calculant la puissance en kilowatt et la durée en heure, ce qui
produit une énergie transférée en kilowattheure. De cette manière, les élèves comprendront mieux la
justification du facteur de conversion des joules aux kilowattheures.
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On peut utiliser à cette fin l’éditeur de schéma « Dia » à télécharger sur http://live.gnome.org/Dia, page consultée le 31
octobre 2014 (voir le tutoriel sur le site sciences de la FESeC).
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En réalité, la puissance obtenue dans les deuxième et troisième montages n’est jamais tout-à-fait le double de la
puissance dans le premier montage : pour que ce soit le cas, il faudrait que les deux piles soient en parfait état et les
ampoules parfaitement semblables… De plus, l’ampèremètre influence aussi quelque peu la valeur du courant.
A
V
A
V
A
V

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Développements attendus principalement visés
Illustrer la notion de kWh dans une situation de la vie courante (C5).
L’élève calcule la quantité d’énergie électrique consommée en kWh, connaissant sa puissance et la
durée d’utilisation.
À l’aide d’un ohmmètre, comparer la résistance du corps humain dans différentes conditions (A4).
L’élève utilise de manière adéquate un ohmmètre pour mesurer :
 la résistance d’un appareil à usage domestique ;
 la résistance du corps humain en variant certains paramètres (par exemple : la peau
mouillée ou sèche, la présence ou non de vêtements).
Sur base documentaire, proposer des solutions pour diminuer la consommation d’énergie électrique
d’une habitation, dans une perspective de développement durable (T1).
À partir d’informations concernant les quantités d’énergie électrique consommées par les différents
récepteurs d’une habitation et les alternatives éventuelles, l’élève propose des changements
 de récepteurs,
 de forme d’énergie primaire,
 des modes d’utilisation.