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1ère S
Thème : Défis du XXIème siècle
TP n°23
Physique
Lénergie électrique et leffet Joule
Chap.17
But du TP : Etudier leffet Joule. Déterminer les caractéristiques dune pile et dune résistance électrique.
I. Étude de leffet Joule
Principe
Le passage du courant électrique dans un circuit provoque un effet thermique bien connu : leffet Joule (ex:
grille-pain). Pour quantifier cet effet, étudions linfluence du passage du courant dans une résistance chauffante,
placée dans de leau.
Protocole expérimental
Ouvrir le logiciel Regressi afin dentrer les valeurs expérimentales suivantes : t (en s), i (en A) et θ (en °C).
Verser 150 mL deau dans le calorimètre.
Immerger la résistance chauffante R = 6 Ω (repérer les bornes) et le thermomètre.
Réaliser le circuit schématici-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 lampèremètre gris pour que la valeur de lintensité I du courant
électrique soit positive.
Mesurer la température initiale de leau notée θi .
Faire valider le montage par le professeur.
Simultanément, mettre en marche le générateur et déclencher le chronomètre.
Mesurer la température θ de leau toutes les 30 s, et ce pendant 4 minutes environ (penser à homogénéiser
leau).
Eteindre le générateur et débrancher le circuit.
Exploitation
1) Lintensité du courant varie-t-elle au cours du temps ? En déduire sa valeur moyenne.
2) Calculer lénergie électrique notée Eélec consommée par la résistance chauffante pendant la durée Δt de
fonctionnement
Donnée : Puissance électrique P = R × I2
3) Quel est leffet du transfert dénergie électrique vers leau ?
4) Calculer lénergie thermique notée Q emmagasinée par leau lors de son augmentation de température.
Données :
Energie thermique Q = m × Ce × Δθ avec la masse m deau et sa capacité calorifique Ce = 4,18 J.g-1.°C-1 .
5) En comparant les valeurs précédentes, peut-on dire quil y ait conservation de lénergie totale ? Justifier.
6) Dans le cas du grille-pain, sous quelle forme est convertie lénergie électrique ? Et avec une lampe à
incandescence ?
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II. Étude dun circuit électrique
Protocole expérimental
Sur Regressi, faire Fichier / Nouveau / Clavier pour entrer les valeurs
expérimentales : I (en A), UP (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).
Faire valider le montage par le professeur.
Déplacer le curseur du rhéostat pour que lintensii 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 lintensité (tous les 0,5 A par exemple).
Exploitation
1) Sur le même graphique, tracer les courbes UPN = f(I) et UR = g(I).Quelle est lallure de chacune delles ?
2) Modéliser chaque courbe et donner léquation de chaque droite.
Après accord du professeur, imprimer les courbes avec lexpression des modèles.
3) Retrouve-t-on la loi dOhm UR = R × I pour la résistance ? Justifier.
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.
5) Quelles sont les différences entre un générateur électrique et un récepteur électrique ?
Matériel Élèves
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
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