Fiche de Travaux Dirigés (TD)
8 Exercices gradués sur l'énergie cinétique $E_c = \frac{1}{2}mv^2$, chaînes énergétiques et rendement $\eta$.
1 Exercice 1 : Classification des Sources d'Énergie
★☆☆ (Renouvelable vs Fossile)
Classer les sources d'énergie suivantes en deux catégories (Renouvelables ou Non Renouvelables) :
a) Rayonnement solaire • b) Pétrole brut • c) Vent • d) Uranium • e) Biomasse (bois) • f) Gaz naturel.
2 Exercice 2 : Calcul Direct d'Énergie Cinétique
★☆☆ (Formule Ec = 1/2 * m * v^2)
Une automobile de masse $m = 1200\text{ kg}$ roule sur une voie rapide à la vitesse $v = 20\text{ m/s}$ ($72\text{ km/h}$).
Calculer son énergie cinétique $E_c$ en Joules (J) puis en kiloJoules (kJ).
3 Exercice 3 : Vitesse Doublée & Énergie Cinétique
★☆☆ (Sécurité routière)
Un motard et sa moto ont une masse totale $m = 200\text{ kg}$.
3.1. Calculer son énergie cinétique $E_{c1}$ à la vitesse $v_1 = 15\text{ m/s}$ ($54\text{ km/h}$).
3.2. Calculer son énergie cinétique $E_{c2}$ si la vitesse double à $v_2 = 30\text{ m/s}$ ($108\text{ km/h}$).
3.3. Quel est le rapport $\frac{E_{c2}}{E_{c1}}$ ? Conclure.
4 Exercice 4 : Rendement d'un Moteur Électrique
★★☆ (Rendement eta)
Un moteur de treuil absorbe une puissance électrique $P_{\text{absorbée}} = 1500\text{ W}$ et fournit une puissance mécanique utile $P_{\text{utile}} = 1200\text{ W}$ pour soulever une charge.
4.1. Calculer le rendement $\eta$ de ce moteur en pourcentage.
4.2. Calculer la puissance $P_{\text{perdue}}$ dissipée sous forme de chaleur.
5 Exercice 5 : Chaîne d'une Centrale Hydraulique
★★☆ (Chaîne de conversion)
Dans un barrage hydroélectrique, l'eau stockée en hauteur chute dans une conduite forcée et entraîne une turbine couplée à un alternateur.
5.1. Quelles transformations d'énergie successives ont lieu ?
5.2. Quel est le rôle précis de l'alternateur ?
6 Exercice 6 : Énergie Potentielle d'un Château d'Eau
★★☆ (Formule Ep = m * g * h)
Une cuve de château d'eau contient une masse $m = 50\,000\text{ kg}$ d'eau à une hauteur $h = 40\text{ m}$ au-dessus du sol. On donne $g = 9{,}8\text{ N/kg}$.
Calculer l'énergie potentielle de pesanteur $E_p$ stockée en Joules puis en MégaJoules (MJ).
7 Exercice 7 : Capteurs Solaires Thermiques vs Photovoltaïques
★★☆ (Formes d'énergie)
7.1. Quelle forme d'énergie utile produit un panneau solaire thermique pour une maison ?
7.2. Quelle forme d'énergie utile produit un panneau solaire photovoltaïque ?
8 Exercice 8 : Récupération d'Énergie au Freinage d'un Bus (Type Brevet)
★★★ (Synthèse Brevet)
Un bus hybride urbain de masse $m = 10\,000\text{ kg}$ roule à $v = 15\text{ m/s}$ ($54\text{ km/h}$) à l'approche d'un arrêt.
8.1. Calculer son énergie cinétique $E_c$ avant le freinage en Joules et en kJ.
8.2. Le système de freinage régénératif récupère cette énergie avec un rendement $\eta = 70\%$ pour recharger les batteries. Calculer l'énergie électrique utile $E_{\text{stockée}}$ récupérée.
8.3. Quel avantage ce système apporte-t-il sur les lignes de transport urbain avec de nombreux arrêts ?