Exercices proposés par le groupe Sciences Physiques de l'Académie de Toulouse
Exercice n°1 : Quelques unités.
Cocher les cases ( pas sur l'écran...) correspondant à des unités d’énergie.
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kilowattheure |
becquerel |
joule |
watt |
térawattheure |
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tep |
ampère |
volt |
newton |
électronvolt |
Exercice n°2 : Besoins énergétiques d’un étudiant.
1. Evaluer les besoins énergétiques ( b.e.) journaliers d’un lycéen sachant qu’il:
- dort pendant 8 heures ( b.e. = 295 kJ.h-1) ;
- est assis pendant 8 heures ( b.e. = 420 kJ.h-1) ;
- marche pendant 4 heures ( b.e. = 925 kJ.h-1) ;
- court pendant 1 heure ( b.e. = 2520 kJ.h-1) ;
- est debout pendant 3 heures ( b.e. = 465 kJ.h-1).
2. Combien de biscottes doit-il consommer, au moins, sachant qu’une biscotte apporte 255 kJ ?
3. Sa course l’amène du pied de la butte de Montmartre au sommet. Pendant cet effort particulier, sous quelles formes est convertie l’énergie chimique fournie aux muscles au cours de la digestion ?
Exercice n°3 : Chute d'une pomme.
1. Une pomme dans un arbre se trouve à 5 m au dessus du sol.
- Possède-t-elle de l’énergie cinétique ?
- Calculer son énergie potentielle (Par convention l’énergie potentielle est nulle au niveau du sol).
2. La pomme se détache et arrive au sol avec une vitesse de 10 m.s-1.
- Calculer son énergie cinétique au niveau du sol.
- Quelle est son énergie potentielle à ce niveau ?
- Vérifier la conservation de l’énergie.
Exercice n°4 : Fusée et satellite.
Document :
[...] Un engin spatial sur son orbite autour de la Terre ou sur sa trajectoire vers d’autres planètes possède une énergie cinétique (mouvement) qui lui a été communiquée par le lanceur. Ce dernier l’a arraché à la force gravitationnelle terrestre (énergie potentielle) à l’aide de ces différents étages de propulsion, convertissant l’énergie chimique des combustibles en énergie cinétique. Tout en assurant sa mission, l’engin spatial doit être maintenu sur son orbite, à la bonne vitesse et dans l’attitude désirée. Ce maintien est assuré par un apport d’énergie cinétique fournie par des propulseurs d’appoint chimiques. Pour certains types de satellites, des propulseurs électriques les remplacerons dans l’avenir. [...]
Universalia 1991 J.G. Verniolle.
1. Quelles sont les différentes sortes d’énergie citées ou suggérées dans le texte ?
2. Parmi ces énergies, quelles sont celles qui sont utilisées :
- pour le lancement du satellite ?
- pour la maintenance sur l’orbite par apport d’énergie cinétique ?
3. Quelles sont les transformations énergétiques évoquées dans le texte ?
Exercice n°5 : Energie et consommation d’une petite automobile.
Lors d’essais sur circuit, le moteur de cette auto développe une puissance P = 40 000 W.
Elle parcourt 100 km en 40 minutes.
La consommation d’essence est de 9,5 litres au 100 km.
La combustion d’un litre d’essence libère une énergie de 3,4.107 J.
L’énergie mécanique fournie par le moteur a pour expression Em = P x t , dans laquelle Em est exprimée en joules, P en watts et t en secondes.
Cocher pour les questions 1et 2, la bonne réponse et justifier par un calcul. Répondre à la question 3.
1. L’énergie mécanique fournie, lors du parcours de 100 km, a pour valeur :
Em = 1,6.106 J Em = 4,0.106 J Em = 9,6.107 J.
2. Lors du parcours de 100 km, la combustion de l’essence libère une énergie Ee qui a pour valeur :
Ee = 3,58.106 J Ee = 3,23.108 J Ee = 3,40.109 J.
3. Calculer E = Ee - Em. Sous quelle forme cette énergie « perdue » E apparaît-elle ?
Exercice n°6 : Vitesse et freinage d’une voiture.
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Vitesse (en km.h-1) |
30 |
60 |
90 |
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Distance de freinage (en m) |
6 |
24 |
54 |
La distance de freinage d’une voiture est la distance que parcourt le véhicule avant de s’arrêter.
On donne les distances de freinage pour différentes vitesses (vitesse du véhicule juste au moment où on commence à freiner).
Cocher, pour chaque question, la case correspondant à la bonne réponse. Une justification est demandée pour les questions 1 et 3.
1. Lorsque la vitesse double, la distance de freinage :
double quadruple ne varie pas.
2. La relation entre la distance de freinage d et la vitesse v est de la forme (a est une constante) :
d = a.v2 d = a.v d = a/v.
3. A 120 km.h-1, quelle distance de freinage (en mètres) peut-on prévoir ?
48 60 96.
Exercice n°7 : De la centrale hydraulique à la cuisinière électrique.
Le schéma représente la chaîne permettant de fournir de l’énergie électrique au consommateur à partir de l’eau d’un lac de barrage.
1. Compléter la chaîne énergétique ci-contre en utilisant les mots proposés : énergie électrique ; chaleur ; énergie potentielle ; énergie cinétique.
2. En bout de chaîne, pour faire bouillir 1 litre d’eau à l’aide de la cuisinière électrique, il faut fournir une énergie d’environ 350 kJ.
Quelle masse de propane faudrait-il faire brûler dans une cuisinière à gaz pour faire bouillir cette eau ?
Donnée : l’énergie libérée par la combustion d’un kilogramme de propane vaut 50 400 kJ.
Exercice n°8 : Production énergétique.
Le graphique ci-dessous représente les productions respectives d’énergie électrique des différents types de centrales en France.
1. Compléter le tableau suivant :
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production (en tW.h) |
en 1980 |
en 1988 |
en 1992 |
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énergie nucléaire |
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énergie hydraulique |
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énergie thermique |
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énergie totale |
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Donnée : 1 tW.h = 3,6.1015 J.
2. Calculer le pourcentage de la production des centrales nucléaires par rapport à la production totale.
Que constatez-vous ?
Exercice n°9 : A propos de repassage.
Sur un fer à repasser, on lit 1500 W, 220 V.
1. Que représentent ces nombres ?
2. Quelle est l’énergie l'électrique consommée au bout de deux heures de fonctionnement ?
3. Sous quelle forme cette énergie électrique a-t-elle été transférée ?
Exercice n°10 : Eolienne et centrale nucléaire.
Une éolienne de grande dimension fournit une énergie électrique E0 = 106 kW.h par an.
Une centrale nucléaire a une puissance électrique P = 900 MW. Elle fonctionne 300 jours par an.
Cocher, pour chaque question, la case correspondant à la bonne réponse.
Un calcul est demandé pour la question 2.
1. Une éolienne permet d’obtenir de l’énergie électrique à partir de l’énergie fournie par :
le vent la lumière l’eau
2. Combien d’éoliennes faudrait-il pour remplacer cette centrale nucléaire ?
270 6480 7884
Exercice n°11 : Rendement d'une centrale nucléaire.
Le tableau ci-dessous reproduit quelques caractéristiques d’une centrale nucléaire de 900 MW.
1. Dans ce tableau, encadrer les deux valeurs numériques qui prouvent le caractère limité de la transformation de la chaleur en énergie électrique.
2. Le rendement énergétique de cette centrale est de :
4% 33% 49% 87% 303%
(cocher la case correspondant à la valeur trouvée et justifier par un calcul).
Exercice n 12 : Les usines de pompage.
Document :
L’électricité ne peut être stockée. On a donc cherché un moyen d’utiliser l’électricité produite la nuit par des centrales nucléaires qu’il est difficile d’arrêter.
Les usines de pompage sont des centrales disposant de deux réservoirs, un supérieur et un inférieur. La nuit, des pompes, alimentées par l’électricité excédentaire, remontent l’eau du bassin inférieur au bassin supérieur. Le jour, aux heures de forte demande, l’eau en s’écoulant du bassin supérieur au bassin inférieur actionne des turbines qui entraînent un alternateur qui fournit de l’électricité au réseau.
Indications supplémentaires :
- Pour une masse d’eau (m) passant du bassin supérieur au bassin inférieur, l’énergie produite est E1 = 126 GJ.
- (1 GJ = 109 J).
- Pour remonter la même masse d’eau, il faut fournir une énergie E2 = 180 GJ.
- L’énergie électrique est vendue plus cher pendant les heures de forte demande du jour que pendant les heures de faible demande de la nuit.
1.
a) D’après le schéma, indiquer où se trouvent les pompes et les turbines.
b) Dans ce dispositif, on peut parler d’énergie potentielle et d’énergie électrique. Ces deux énergies s’échangent au cours des différentes phases du fonctionnement.
- Quelle est la transformation réalisée par les pompes ?
- Quelle est la transformation réalisée par l’ensemble turbine-alternateur ?
2.
a) Pour une masse d’eau (m) qui a fait l’aller et retour entre les deux bassins, l’installation a fourni de l’énergie électrique au réseau, et a consommé de l’énergie électrique prélevée sur le réseau.
Par rapport à l’énergie prélevée sur le réseau, l’énergie fournie au réseau, au cours de cet aller et retour par la masse d'eau (m), est :
plus grande
moins grande
égale.
Cocher la case correspondant à la bonne réponse. Justifier la réponse en quelques mots.
b) Le but de cette installation est principalement de stocker l’énergie. Sous quelle forme est-elle stockée ?
sous forme d’énergie électrique
sous forme d’énergie mécanique potentielle
sous forme d’énergie mécanique cinétique
sous forme d’énergie chimique.
Cocher la case correspondant à la bonne réponse.
3. On définit le rendement énergétique de l’installation comme le rapport de la quantité d’énergie fournie au réseau et de l’énergie dépensée pour un aller et retour d’une masse d’eau (m).
a) Calculer le rendement énergétique r de l’installation.
b) Si de telles installations ont été construites, c’est qu’elles sont rentables économiquement. A partir du document, expliquer et justifier cette affirmation.
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