Exercices Physique Chimie

Conversion d’Énergie Mécanique à Électrique

Conversion d’Énergie Mécanique à Électrique : La Dynamo de Vélo

De l'Effort à la Lumière : La Dynamo de Vélo en Action

Pédaler pour éclairer : comment ça marche ?

L'énergie ne se perd pas, elle se transforme ! C'est un principe fondamental en physique. Lorsque tu pédales sur ton vélo et que ta dynamo allume ta lampe, tu es en train de réaliser une conversion d'énergie. L'énergie musculaire que tu fournis en pédalant (énergie mécanique) est transformée par la dynamo en énergie électrique, qui est ensuite transformée par la lampe en énergie lumineuse (et un peu de chaleur). Dans cet exercice, nous allons calculer les énergies mises en jeu et comprendre la notion de rendement (ou efficacité) de cette conversion.

Mission : Analyser l'énergie produite par une dynamo de vélo

Un cycliste utilise une dynamo pour alimenter le phare de son vélo lors d'une balade nocturne.

Informations et données :

  • La lampe du vélo a une puissance électrique nominale \(P_{\text{lampe}} = 3 \text{ Watts (W)}\).
  • Le cycliste pédale pendant une durée \(t = 30 \text{ minutes}\).
  • La dynamo a un rendement (\(\eta\)) de \(60\%\). Cela signifie que \(60\%\) de l'énergie mécanique fournie par le cycliste à la dynamo est convertie en énergie électrique utile. Le reste est "perdu" (principalement en chaleur à cause des frottements dans la dynamo).

Formules utiles :

  • Énergie électrique (\(E_{\text{elec}}\)) consommée par la lampe : \(E_{\text{elec}} = P_{\text{lampe}} \times t\) (avec \(E\) en Joules (J), \(P\) en Watts (W), \(t\) en secondes (s)).
  • Rendement (\(\eta\)) : \(\eta = \frac{E_{\text{utile}}}{E_{\text{fournie}}}\). Ici, \(E_{\text{utile}} = E_{\text{elec}}\) et \(E_{\text{fournie}} = E_{\text{meca}}\) (énergie mécanique fournie par le cycliste à la dynamo).
  • Puissance mécanique (\(P_{\text{meca}}\)) : \(P_{\text{meca}} = \frac{E_{\text{meca}}}{t}\)
  • Conversion : \(1 \text{ minute} = 60 \text{ secondes}\).
Schéma : Conversion d'énergie par la dynamo de vélo
Cycliste (Effort) Dynamo Rotation Eméca Eélec Lampe (3W) Conversion d'Énergie Chaleur (Pertes)

L'énergie mécanique du cycliste est transformée en énergie électrique par la dynamo, qui alimente la lampe.

Questions à résoudre

  1. Qu'est-ce qu'une conversion d'énergie ? Cite les principales formes d'énergie impliquées dans le fonctionnement de la dynamo de vélo et de la lampe.
  2. Le cycliste pédale pendant \(30 \text{ minutes}\). Convertis cette durée en secondes.
  3. Calcule l'énergie électrique \(E_{\text{elec}}\) consommée par la lampe de \(3 \text{ W}\) pendant les \(30 \text{ minutes}\) de trajet. Donne ton résultat en Joules (J).
  4. La dynamo a un rendement \(\eta = 60\%\).
    1. Que signifie ce rendement de \(60\%\) ?
    2. Calcule l'énergie mécanique \(E_{\text{meca}}\) que le cycliste a dû fournir à la dynamo pour produire l'énergie électrique \(E_{\text{elec}}\) calculée à la question 3.
  5. Calcule la puissance mécanique moyenne \(P_{\text{meca}}\) développée par le cycliste pour faire fonctionner la dynamo pendant les \(30 \text{ minutes}\). Donne ton résultat en Watts (W).
  6. Sachant que le rendement est de \(60\%\), que deviennent les \(40\%\) restants de l'énergie mécanique fournie par le cycliste ?

Correction : De l'Effort à la Lumière

Question 1 : Conversion d'énergie et formes d'énergie

Réponse :

Une conversion d'énergie est la transformation de l'énergie d'une forme en une autre. L'énergie totale se conserve, mais elle peut changer de nature.

Les principales formes d'énergie impliquées ici sont :

  • Énergie musculaire (ou chimique) : Fournie par le cycliste.
  • Énergie mécanique : L'énergie du mouvement de pédalage et de rotation de la roue, transmise à la dynamo.
  • Énergie électrique : Produite par la dynamo.
  • Énergie lumineuse : Émise par la lampe.
  • Énergie thermique (chaleur) : Dégagée par la lampe et par les frottements dans la dynamo (pertes).

Question 2 : Conversion du temps en secondes

Réponse :

Durée \(t = 30 \text{ minutes}\).

Comme \(1 \text{ minute} = 60 \text{ secondes}\) :

\[t = 30 \text{ minutes} \times 60 \text{ secondes/minute} = 1800 \text{ secondes (s)}\]

La durée est de \(1800 \text{ s}\).

Question 3 : Calcul de l'énergie électrique \(E_{\text{elec}}\)

Réponse :

On utilise la formule \(E_{\text{elec}} = P_{\text{lampe}} \times t\).

Données : \(P_{\text{lampe}} = 3 \text{ W}\), \(t = 1800 \text{ s}\) (calculé à la question 2).

\[\begin{aligned} E_{\text{elec}} &= 3 \text{ W} \times 1800 \text{ s} \\ &= 5400 \text{ J} \end{aligned}\]

L'énergie électrique consommée par la lampe est de \(5400 \text{ Joules (J)}\).

Question 4 : Rendement et énergie mécanique

Réponse a) Signification du rendement :

Un rendement \(\eta = 60\%\) signifie que \(60\%\) de l'énergie mécanique fournie à la dynamo par le cycliste est convertie en énergie électrique utilisable par la lampe. Les \(40\%\) restants sont "perdus", c'est-à-dire transformés en d'autres formes d'énergie non souhaitées (principalement de la chaleur due aux frottements internes de la dynamo).

Réponse b) Calcul de l'énergie mécanique \(E_{\text{meca}}\) :

On a \(\eta = \frac{E_{\text{elec}}}{E_{\text{meca}}}\). On cherche \(E_{\text{meca}}\), donc \(E_{\text{meca}} = \frac{E_{\text{elec}}}{\eta}\).

Données : \(E_{\text{elec}} = 5400 \text{ J}\), \(\eta = 60\% = 0,60\).

\[\begin{aligned} E_{\text{meca}} &= \frac{5400 \text{ J}}{0,60} \\ &= 9000 \text{ J} \end{aligned}\]

Le cycliste a dû fournir une énergie mécanique de \(9000 \text{ Joules (J)}\) à la dynamo.

Quiz Intermédiaire 1 : Si le rendement de la dynamo était de \(100\%\) (parfait, sans pertes), l'énergie mécanique fournie par le cycliste pour obtenir \(5400 \text{ J}\) d'énergie électrique serait de :

Question 5 : Puissance mécanique moyenne \(P_{\text{meca}}\)

Réponse :

On utilise la formule \(P_{\text{meca}} = \frac{E_{\text{meca}}}{t}\).

Données : \(E_{\text{meca}} = 9000 \text{ J}\) (calculé à la question 4b), \(t = 1800 \text{ s}\) (calculé à la question 2).

\[\begin{aligned} P_{\text{meca}} &= \frac{9000 \text{ J}}{1800 \text{ s}} \\ &= 5 \text{ W} \end{aligned}\]

La puissance mécanique moyenne développée par le cycliste pour la dynamo est de \(5 \text{ Watts (W)}\).

(Note : C'est une puissance faible, correspondant uniquement à l'effort pour la dynamo, pas l'effort total pour faire avancer le vélo).

Question 6 : Énergie "perdue"

Réponse :

Si le rendement est de \(60\%\), cela signifie que \(100\% - 60\% = 40\%\) de l'énergie mécanique fournie par le cycliste n'est pas convertie en énergie électrique utile.

Cette énergie "perdue" est principalement transformée en énergie thermique (chaleur) à cause des frottements mécaniques à l'intérieur de la dynamo (roulements, contact du galet sur le pneu) et des pertes électriques internes (effet Joule dans les bobinages de la dynamo).

Calcul de l'énergie perdue : \(E_{\text{perdue}} = E_{\text{meca}} - E_{\text{elec}} = 9000 \text{ J} - 5400 \text{ J} = 3600 \text{ J}\). (Ou \(40\%\) de \(9000 \text{ J} = 0,40 \times 9000 = 3600 \text{ J}\)).

Quiz Intermédiaire 2 : Une éolienne transforme principalement :

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. L'énergie se mesure en :

2. Une dynamo de vélo est un exemple de convertisseur qui transforme principalement :

3. Si un appareil a une puissance de \(10 \text{ W}\) et fonctionne pendant \(100 \text{ secondes}\), l'énergie consommée est de :

Glossaire

Énergie
Capacité à effectuer un travail ou à produire un changement. Unité SI : Joule (J).
Énergie Mécanique (\(E_{\text{meca}}\))
Énergie liée au mouvement (énergie cinétique) et/ou à la position dans un champ de force (énergie potentielle).
Énergie Électrique (\(E_{\text{elec}}\))
Énergie associée au courant électrique.
Énergie Lumineuse
Énergie transportée par la lumière.
Énergie Thermique (Chaleur)
Énergie liée à l'agitation désordonnée des particules (atomes, molécules) d'un corps.
Conversion d'Énergie
Transformation de l'énergie d'une forme en une autre (ex: mécanique en électrique).
Puissance (\(P\))
Vitesse à laquelle l'énergie est transférée ou convertie. Unité SI : Watt (W). \(P = E/t\).
Watt (W)
Unité de puissance. \(1 \text{ Watt} = 1 \text{ Joule par seconde}\) (\(1 \text{ W} = 1 \text{ J/s}\)).
Joule (J)
Unité d'énergie.
Dynamo (ou Générateur)
Appareil qui convertit l'énergie mécanique en énergie électrique.
Rendement (\(\eta\))
Rapport entre l'énergie utile obtenue et l'énergie fournie lors d'une conversion d'énergie. Il est souvent exprimé en pourcentage. \(\eta = (E_{\text{utile}} / E_{\text{fournie}}) \times 100\%\). Il est toujours inférieur à 100% à cause des pertes.
Conversion d’Énergie Mécanique à Électrique - Exercice d'Application

D’autres exercices de physique 3 ème:

Caractéristiques d’une tension alternative
Caractéristiques d’une tension alternative

Physique : Caractéristiques d'une Tension Alternative Périodique Caractéristiques d'une tension alternative Contexte : Visualiser l'Invisible La tension électrique délivrée par les prises de courant n'est pas constante : elle varie au cours du temps. C'est une tension...

Production de l’électricité
Production de l’électricité

Physique : Production de l'électricité, Alternateurs et Centrales Électriques Production de l'électricité : alternateurs et centrales électriques Contexte : D'où Vient l'Électricité ? L'électricité qui arrive jusqu'à nos prises n'apparaît pas par magie. Elle est...

L’énergie électrique consommée
L’énergie électrique consommée

Physique : L'Énergie Électrique Consommée, Lecture d'une Facture L'énergie électrique consommée : lecture d'une facture Contexte : Décrypter sa Facture d'Électricité Chaque mois ou chaque bimestre, nous recevons une facture d'électricité. Ce document, parfois...

Sources d’énergie et leurs impacts
Sources d’énergie et leurs impacts

Physique : Les Sources d'Énergie et Leurs Impacts Environnementaux Les différentes sources d'énergie et leurs impacts environnementaux Contexte : Nos Besoins en Énergie et l'Avenir de la Planète Toutes nos activités quotidiennes, de l'éclairage de nos maisons au...

Conservation et conversion de l’énergie
Conservation et conversion de l’énergie

Physique : Conservation et Conversion de l'Énergie Mécanique (Chute Libre) Conservation et conversion de l'énergie mécanique (chute libre simple) Contexte : L'Énergie ne se Perd pas, Elle se Transforme Lorsqu'un objet tombe, sa vitesse augmente. Il gagne donc de...

L’Énergie Potentielle de Position
L’Énergie Potentielle de Position

Exercice : Énergie Potentielle de Position L'Énergie Potentielle de Position Contexte : L'Énergie stockée grâce à l'Altitude En physique, l'énergie potentielle de positionÉnergie qu'un objet possède en raison de sa position dans un champ de gravité. Elle dépend de sa...

L’énergie du mouvement
L’énergie du mouvement

Exercice : L'Énergie Cinétique L'énergie cinétique : l'énergie du mouvement Comprendre : L'énergie du Mouvement Tout objet en mouvement possède une forme d'énergie appelée énergie cinétiqueÉnergie que possède un corps du fait de son mouvement. Elle dépend de sa masse...

0 commentaires
Soumettre un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *