Soluce des tâches formatives en Physique 5P2

Voici les énoncés :

http://home.scarlet.be/ppire/exercices_de_compet_5p2.pdf

Rien que du dur


Qui propose une réponse ?

Le premier, par exemple :

Échauffement : contexte de l'effet Joule. W = R I ² t
On doit chercher t ... et on n'a rien : pas de W, pas de R, pas de I... Il faut tous les calculer !

La suite, puisque personne ne bouge...

• Recherche de W
  Il faut utiliser la formule Q (ici, c'est W) = m c Δt avec les masses qui sont données, les c qui sont données, l'écart de t°... qu'il faut calculer car faut pas exagérer ! soit : 190°.
  Donc pour l'isolant : W = 0,100 . 3000 . 190 = 57000 J
  Et pour le métal, qui doit aussi atteindre cette température : W = 0,130 . 380 . 190 soit 9386 J
  W va donc valoir 66386 J

• Recherche de R
  Il faut utiliser la loi de Pouillet R = ρ l /S,
  attention aux unités R = 1,7 10-8 . 10 / 1,5 10-6 soit 0,11 Ohm

• Recherche de I
  avec la puissance totale, qui est ici de 4150 W, sachant que P=UI,
  I vaut 18,8 Ampères

• Recherche de t
  t = W/R.I ² donc t = 1700 secondes, soit 28 minutes et quelques.

Le café sera fait avant la fonte du fil !!

Le second, très intéressant

• Branchement en parallèle : (schéma)
  chaque ampoule reçoit 220V, et l'intensité du courant qui les parcourt est différente. Ainsi, la plus puissante (75 W) est traversée par (P=UI) 0,34 A alors que dans la « petite » de 25 W ne passe que 0,11 A. La plus puissante chauffe plus (W = RI²t) et donc éclaire plus : normal, elle convertit l'énergie plus rapidement (P = W/t).

• Branchement en série : (schéma)
  Le même courant les traverse. Calcul de cette intensité :
  Pour connaître I, il faut connaître R total.
  lampe de 75 W : U=RI donc R = U/I soit en utilisation normale : R = 220/0,34 = 647 Ohm
  lampe de 25W : idem R = 220/0,113 = 1947 Ohm
  donc pour le calcul de R en série : la somme soit R tot = R1 + R2 = 2594 Ohm
  Le courant vaut ici U=RI soit I = 220/2594 = 0,084 A
  Donc chaque ampoule ne dispose que de 0,084 A, ce qui est moins que dans le cas de leur utilisation normale. Quelle conséquence sur l'éclairement, puisque la tension se partage entre les récepteurs en série ?
  Regardons quelle tension possède chacun :
  Lampe de 75 W : U = RI donc ici, elle dispose d'une tension de 647 . 0,084 soit 54 Volts. Trop peu d'énergie pour fonctionner (chauffage du fil de la lampe insuffisant pour briller)
  Lampe de 25 W : U = RI soit 1947 . 0,084 = 165 Volts. Elle a assez d'énergie pour fonctionner, mais moins bien que dans le montage en parallèle.

(amusant : ici, la moins puissante éclaire le plus !)

Vu au labo:

• Dans cette expérience, chaque fois que deux électrons bouclent le circuit, un ion cuivrique devient un atome de cuivre métallique, qui se dépose sur la cathode (là où sont les électrons), selon la réaction : Cu++ + 2 électrons -> Cu. Si on sait calculer le nombre d'électrons qui passent (réalisable avec les données électriques), on sait calculer le nombre d'atomes de cuivre qui se forme, et donc sa masse (avec la masse atomique).

• En pratique : quantité de charge traversant le circuit :
  on sait I = q/t donc q = I . t soit 1,2 . 900 = 1080 C.
  Charge de l'électron: -1,6 10-19 C, donc un C contient 6,25 1018 électrons, soit ici 6,75 1021 électr.
  Donc 3,375 1021 atomes formés (2 électrons par atome), soit 0,00561 mol
  et sachant que la masse molaire vaut 63,5 g/mol, 0,35 g de cuivre sont déposés

Bonjour Monsieur j'ai une question a vous poser: lors du calcul de la résistance du fil avec la loi de Pouillet comment faut-il considérer le câble: comme un seul fil ou comme deux fil car dans ma logique personnelle j'ai compté 2 fil par le fait que ce sont les deux fils qui chauffe (tension 220V alternative, changement de polarité par période de 50 Hz) ?

Bonjour,
malheureusement, je lis ton message seulement maintenant.
J'ai sans doute été abusé par l'absence de renouvellement automatique de cette page sur mon navigateur !
Flûte!

Ta question est super pertinente.
Avec tout ce que nous avons dit, tu as bien deviné que les deux fils devaient être parcourus par le même courant.
Donc, il faudrait logiquement multiplier l'échauffement par deux, et donc, pour le café, c'est râpé...

Aucun élève n'avait évoqué cette possibilité, à l'époque. Il faut dire aussi que très peu étaient arrivés quelque part, ce qui explique que cette question n'a plus été utilisée en dehors d'un contexte formatif.
Et le propre d'un contexte formatif, c'est de pouvoir discuter : chose faite !
Bravo L. !