Physique-chimie, Quatrième • Exercices corrigés à Montréal

Fiche de révision : tension, intensité et loi d'Ohm (Quatrième)

La loi d'Ohm tient en trois lettres, et pourtant ce chapitre se perd. La raison n'est pas le calcul, elle est dans la lecture du montage : appliquer la bonne loi demande d'abord de savoir si le dipôle est en série ou en dérivation, et si la loi d'Ohm a seulement le droit de s'appliquer.

Vous trouverez ici les huit erreurs qui reviennent en contrôle, avec la phrase exacte à écrire pour chacune, l'arbre qui choisit la loi selon le montage, la lecture d'une caractéristique, et la détermination d'une résistance inconnue traitée ligne par ligne.

Le fil du chapitre

En série, c'est l'INTENSITÉ qui est la même partout et la tension qui se partage; en dérivation, c'est exactement l'inverse. Tout le chapitre tient dans ce renversement.

Ce chapitre fait partie de Physique-chimie en Quatrième

Avant ce chapitre

Cette fiche suppose ces notions acquises. Si une méthode ci-dessous reste opaque, c'est presque toujours l'une d'elles qui manque, pas la fiche.

Remonter plus loin : la chaîne complète (2 chapitres) ↓

Le chemin de remédiation, du plus ancien au plus proche. Un élève qui reprend ce chapitre de zéro le reprend dans cet ordre.

  1. 1L'énergie au quotidienSixième
  2. 2Circuits électriques et sécuritéCinquième

L'essentiel

Deux grandeurs, deux appareils, deux branchements

  • L'INTENSITÉ II se mesure en ampères, avec un AMPÈREMÈTRE branché EN SÉRIE, car il doit être traversé par le courant qu'il mesure.
  • La TENSION UU se mesure en volts, avec un VOLTMÈTRE branché EN DÉRIVATION aux bornes du dipôle, car une tension est toujours une différence entre deux points.
  • Conversions : 1 A=1000 mA1\ \mathrm{A}=1000\ \mathrm{mA}, donc 250 mA=0,250 A250\ \mathrm{mA}=0{,}250\ \mathrm{A}.
  • Les deux appareils se branchent en respectant la borne COM, reliée du côté de la borne - du générateur : un branchement inversé affiche une valeur négative.
  • L'intensité est un DÉBIT, la tension est une DIFFÉRENCE : c'est pourquoi l'une se mesure dans le fil et l'autre entre deux points.
AVamperemetre : EN SERIEvoltmetre : EN DERIVATION
L'ampèremètre est DANS le fil, traversé par tout le courant. Le voltmètre est branché à côté, sur une dérivation qui relie les deux bornes de la lampe : il ne coupe jamais le circuit.

L'image qui tient : l'intensité est le débit d'une rivière, que l'on mesure en s'installant dans le courant; la tension est la dénivellation entre deux points, que l'on mesure en comparant deux altitudes.

Ce qui se partage, et ce qui ne se partage pas

  • EN SÉRIE : une SEULE intensité pour tout le circuit, la même en chaque point. La tension du générateur se PARTAGE entre les récepteurs.
  • Loi d'additivité des tensions : Ugenerateur=U1+U2+U_{generateur}=U_{1}+U_{2}+\dots pour les dipôles en série.
  • EN DÉRIVATION : une SEULE tension, commune à toutes les branches et égale à celle du générateur. L'intensité, elle, se PARTAGE.
  • Loi des noeuds : la somme des intensités qui ARRIVENT à un noeud est égale à la somme de celles qui en PARTENT.
  • Résistances en série : Req=R1+R2R_{eq}=R_{1}+R_{2}, donc plus GRANDE que chacune. En dérivation, la résistance équivalente est plus PETITE que la plus petite des deux.
U se partage : 2 V + 4 VEN SERIEmeme I : 0,25 AI se partage : 0,3 + 0,2EN DERIVATIONmeme U : 6 V dans les deux
À gauche une seule boucle : le même courant traverse les deux lampes et les tensions s'additionnent. À droite deux branches : la même tension partout, et les intensités s'additionnent.

Le moyen de retenir : ce qui est commun, c'est ce que les dipôles PARTAGENT physiquement. En série ils partagent le fil, donc le débit; en dérivation ils partagent les deux mêmes points, donc la dénivellation.

La loi d'Ohm et sa caractéristique

  • Loi d'Ohm : U=R×IU=R\times I, avec UU en volts, RR en ohms et II en AMPÈRES. On en tire R=UIR=\dfrac{U}{I} et I=URI=\dfrac{U}{R}.
  • Elle ne vaut que pour un CONDUCTEUR OHMIQUE, jamais pour une lampe, une diode ou un moteur.
  • La CARACTÉRISTIQUE d'un dipôle est le graphique de UU en fonction de II, ou de II en fonction de UU.
  • Celle d'un conducteur ohmique est une DROITE passant par l'origine, dont la pente donne la résistance quand on trace UU en fonction de II.
  • Celle d'une lampe est une COURBE : sa résistance augmente quand le filament chauffe, donc le rapport UI\frac{U}{I} n'est pas constant.

Un conducteur ohmique se reconnaît à sa caractéristique linéaire, pas à sa forme. Un énoncé qui donne trois couples (U;I)(U;I) demande souvent de vérifier que le quotient UI\frac{U}{I} est constant avant d'appliquer la loi.

Les pièges qui coûtent des points

Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.

1. Brancher le voltmètre en série

toute la question de schéma, souvent 2 points

Ce qu'il ne faut pas écrire

« On coupe le fil et on intercale le voltmètre pour mesurer la tension aux bornes de la lampe. »

Ce qu'il faut écrire

« Le voltmètre se branche EN DÉRIVATION, en parallèle sur le dipôle, sans couper le circuit. Intercalé en série, il empêcherait le courant de passer et la lampe s'éteindrait. »

Pourquoi : Un voltmètre a une résistance énorme, précisément pour ne pas prélever de courant. Le placer en série, c'est ajouter un quasi-isolant dans la boucle : plus rien ne fonctionne.

2. Appliquer la loi d'Ohm à une lampe

2 points, et une extrapolation entièrement fausse

Ce qu'il ne faut pas écrire

« La lampe est traversée par 0,20 A0{,}20\ \mathrm{A} sous 6 V6\ \mathrm{V}, donc sa résistance vaut 30 Ω30\ \Omega et sous 12 V12\ \mathrm{V} elle sera traversée par 0,40 A0{,}40\ \mathrm{A}. »

Ce qu'il faut écrire

« La loi d'Ohm ne s'applique qu'aux CONDUCTEURS OHMIQUES. Une lampe n'en est pas un : sa résistance augmente avec la température du filament, donc doubler la tension ne double pas l'intensité. »

123450.10.20.30.40.5conducteur ohmique : droitelampe : courbe
La droite du conducteur ohmique garde le même rapport UI\frac{U}{I} partout. La courbe rouge de la lampe s'aplatit : son quotient UI\frac{U}{I} augmente, donc sa résistance aussi.

Pourquoi : La loi d'Ohm est une propriété de certains dipôles, pas une loi universelle. C'est la caractéristique qui dit si on a le droit de l'utiliser, et elle doit être une droite passant par l'origine.

3. Faire se partager le courant en série

2 points, et toutes les valeurs calculées ensuite

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le générateur débite 0,5 A0{,}5\ \mathrm{A}, il y a deux lampes en série, donc chacune reçoit 0,25 A0{,}25\ \mathrm{A}. »

Ce qu'il faut écrire

« En série, l'intensité est la MÊME en tout point : les deux lampes sont traversées par 0,5 A0{,}5\ \mathrm{A} chacune. C'est la TENSION qui se partage. »

Pourquoi : Le courant ne se divise que là où le fil se divise, c'est-à-dire à un noeud. Une boucle unique n'a aucun noeud, donc rien ne peut s'y partager.

4. Oublier de convertir les milliampères

1,5 point, et un résultat mille fois trop grand

Ce qu'il ne faut pas écrire

« U=R×I=30×250=7500 VU=R\times I=30\times 250=7500\ \mathrm{V}. »

Ce qu'il faut écrire

« I=250 mA=0,250 AI=250\ \mathrm{mA}=0{,}250\ \mathrm{A}, donc U=30×0,250=7,5 VU=30\times 0{,}250=7{,}5\ \mathrm{V}. La loi d'Ohm exige des ampères. »

Pourquoi : Une tension de 7500 V7500\ \mathrm{V} dans un circuit de laboratoire est absurde : c'est l'ordre de grandeur qui doit alerter avant même la relecture du calcul.

5. Croire que la résistance équivalente augmente toujours

2 points, et une conclusion inversée sur le fusible

Ce qu'il ne faut pas écrire

« On ajoute une deuxième résistance en dérivation, donc la résistance totale augmente et le courant diminue. »

Ce qu'il faut écrire

« En DÉRIVATION, la résistance équivalente est plus PETITE que la plus petite des deux : on offre un chemin supplémentaire au courant, donc l'intensité totale AUGMENTE. »

Pourquoi : Ajouter une branche, c'est élargir la route. C'est aussi pourquoi brancher trop d'appareils sur une même prise fait sauter le disjoncteur : l'intensité totale grimpe.

6. Lire la pente d'une caractéristique à l'envers

1,5 point, et une résistance mille fois trop petite

Ce qu'il ne faut pas écrire

« La caractéristique UU en fonction de II passe par le point (0,2;4)(0{,}2\,;4), donc R=0,24=0,05 ΩR=\frac{0{,}2}{4}=0{,}05\ \Omega. »

Ce qu'il faut écrire

« La pente se lit ORDONNÉE sur ABSCISSE : R=UI=40,2=20 ΩR=\frac{U}{I}=\frac{4}{0{,}2}=20\ \Omega. »

Pourquoi : Une résistance de laboratoire vaut des dizaines ou des centaines d'ohms. Un résultat inférieur à 1 Ω1\ \Omega signale presque toujours un quotient inversé.

7. Croire qu'un dipôle court-circuité reçoit plus de tension

2 points, et la question de sécurité

Ce qu'il ne faut pas écrire

« On relie les bornes de la lampe par un fil, elle reçoit donc toute la tension et brille plus fort. »

Ce qu'il faut écrire

« Un fil sans résistance impose une tension NULLE entre ses extrémités : Ulampe=0U_{lampe}=0 et la lampe s'éteint. Toute la tension du générateur se reporte sur les autres dipôles. »

Pourquoi : La loi d'Ohm appliquée au fil le dit directement : U=R×IU=R\times I avec RR pratiquement nulle donne UU pratiquement nulle, quelle que soit l'intensité.

8. Confondre la loi des noeuds et l'additivité des tensions

2 points, et souvent tout un exercice

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Les deux branches en dérivation portent 3 V3\ \mathrm{V} chacune, puisque le générateur en fournit 66. »

Ce qu'il faut écrire

« Ce sont les INTENSITÉS qui s'additionnent en dérivation, pas les tensions. Chaque branche reçoit la tension entière du générateur, soit 6 V6\ \mathrm{V}. »

Pourquoi : Les deux lois sont symétriques, et c'est ce qui les rend faciles à échanger. Le réflexe qui sauve : additivité des TENSIONS en SÉRIE, loi des NOEUDS pour les INTENSITÉS en dérivation.

Quelle méthode choisir

Quelle loi appliquer selon le montage

On repère d'abord si le dipôle étudié est en série avec les autres ou dans une branche en dérivation.

  • Si les dipôles sont EN SÉRIE et on cherche une intensité il n'y a rien à calculer : l'intensité est la même partout, on recopie la valeur connue

    Exemple : l'ampèremètre indique 0,20 A0{,}20\ \mathrm{A}, donc chaque dipôle de la boucle est traversé par 0,20 A0{,}20\ \mathrm{A}

  • Si les dipôles sont EN SÉRIE et on cherche une tension loi d'additivité : Ugenerateur=U1+U2U_{generateur}=U_{1}+U_{2}, donc la tension manquante s'obtient par soustraction

    Exemple : 12=4+U212=4+U_{2} donne U2=8 VU_{2}=8\ \mathrm{V}

  • Si les dipôles sont EN DÉRIVATION et on cherche une tension il n'y a rien à calculer : la tension est la même dans toutes les branches

    Exemple : un générateur de 6 V6\ \mathrm{V} impose 6 V6\ \mathrm{V} à chacune des trois branches

  • Si les dipôles sont EN DÉRIVATION et on cherche une intensité loi des noeuds : l'intensité de la branche principale est la somme des intensités des branches

    Exemple : I=0,3+0,2=0,5 AI=0{,}3+0{,}2=0{,}5\ \mathrm{A} dans la branche principale

  • Si on connaît deux des trois grandeurs UU, RR, II sur un CONDUCTEUR OHMIQUE loi d'Ohm : U=R×IU=R\times I, R=UIR=\dfrac{U}{I} ou I=URI=\dfrac{U}{R}

    Vérifier d'abord que le dipôle est bien ohmique : une lampe, une diode ou un moteur ne le sont pas.

Si aucune branche ne s'applique, le montage est MIXTE : on traite d'abord la branche principale, puis chaque branche séparément. Et si le dipôle n'est pas ohmique, la seule ressource est la lecture graphique de sa caractéristique.

Lire une caractéristique

On regarde d'abord la forme du tracé, avant de lire le moindre nombre.

  • Si le tracé est une droite passant par l'origine le dipôle est OHMIQUE : la loi d'Ohm s'applique et RR se lit comme le quotient UI\frac{U}{I} d'un point quelconque

    Exemple : le point (0,2;4)(0{,}2\,;4) donne R=40,2=20 ΩR=\frac{4}{0{,}2}=20\ \Omega

  • Si le tracé est courbe le dipôle n'est PAS ohmique : on lit les valeurs point par point, sans jamais extrapoler

    Exemple : une lampe dont la résistance croît avec la température du filament

  • Si le tracé est une droite qui ne passe pas par l'origine ce n'est pas non plus un conducteur ohmique : la proportionnalité exige le passage par l'origine

  • Si l'énoncé donne un tableau de trois couples au lieu d'un graphique calculer les trois quotients UI\frac{U}{I} : constants, le dipôle est ohmique; variables, il ne l'est pas

    Exemple : 20,1=40,2=60,3=20 Ω\frac{2}{0{,}1}=\frac{4}{0{,}2}=\frac{6}{0{,}3}=20\ \Omega : c'est bien un conducteur ohmique

Attention à l'ordre des axes : certains sujets tracent UU en fonction de II, d'autres II en fonction de UU. La pente vaut RR dans le premier cas et 1R\frac{1}{R} dans le second, donc on lit toujours les légendes avant les nombres.

La rédaction attendue

Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.

Déterminer une grandeur dans un circuit en série

Quand l'utiliser : L'énoncé donne la tension du générateur, une résistance et une mesure, puis demande une grandeur manquante.

  1. 1 Dire le montage en une phrase : « les deux conducteurs ohmiques sont en série, donc ils sont traversés par la même intensité ».
  2. 2 Convertir toutes les intensités en ampères AVANT tout calcul, et l'écrire : « I=200 mA=0,200 AI=200\ \mathrm{mA}=0{,}200\ \mathrm{A} ».
  3. 3 Écrire la loi utilisée sous forme littérale, en la nommant : « loi d'Ohm : U1=R1×IU_{1}=R_{1}\times I ».
  4. 4 Remplacer, calculer, et donner l'unité : « U1=20×0,20=4,0 VU_{1}=20\times 0{,}20=4{,}0\ \mathrm{V} ».
  5. 5 Utiliser la loi d'additivité pour la grandeur manquante, puis conclure par une phrase complète.

Phrase de conclusion

Les deux conducteurs ohmiques étant en série, ils sont traversés par la même intensité I=0,20 AI=0{,}20\ \mathrm{A}; la loi d'Ohm donne U1=20×0,20=4,0 VU_{1}=20\times 0{,}20=4{,}0\ \mathrm{V}, et la loi d'additivité U2=124,0=8,0 VU_{2}=12-4{,}0=8{,}0\ \mathrm{V}.

Le piège : Sauter la phrase sur le montage. Sans elle, rien ne justifie que la même intensité traverse les deux dipôles, et le correcteur retire le point de raisonnement même si les nombres sont bons.

Barème : 0,5 point pour la nature du montage, 0,5 point pour la conversion, 1 point pour la loi littérale, 1 point pour le calcul avec unité, 1 point pour la conclusion.

Vérifier avant de rendre

Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.

L'exercice type décortiqué

Déterminer une résistance inconnue

Un générateur de 12 V12\ \mathrm{V} alimente en série deux conducteurs ohmiques : R1=20 ΩR_{1}=20\ \Omega et R2R_{2}, inconnue. Un ampèremètre placé dans le circuit indique I=0,20 AI=0{,}20\ \mathrm{A}, et un voltmètre est branché aux bornes de R1R_{1}.

1. Quelle valeur indique le voltmètre ? 2. En déduire la tension aux bornes de R2R_{2}. 3. Calculer R2R_{2}. 4. Calculer la résistance équivalente du circuit et vérifier le résultat. 5. Que devient l'intensité si l'on court-circuite R2R_{2} ?

AVR1 = 20 ohmsR2 = ?generateur : 12 V0,20 A
L'ampèremètre est dans la boucle, donc il lit l'intensité commune aux deux conducteurs; le voltmètre est en dérivation aux bornes de R1R_{1} seul, donc il ne lit que la part de tension de ce dipôle.

Étape 1

Les deux conducteurs sont en série, donc traversés par la même intensité I=0,20 AI=0{,}20\ \mathrm{A}. Loi d'Ohm : U1=R1×I=20×0,20=4,0 VU_{1}=R_{1}\times I=20\times 0{,}20=4{,}0\ \mathrm{V}.

Pourquoi

La phrase sur le montage vient AVANT le calcul, parce que c'est elle qui autorise à utiliser la valeur lue par l'ampèremètre pour R1R_{1}. Sans elle, le nombre tombe du ciel.

Étape 2

Loi d'additivité des tensions : U=U1+U2U=U_{1}+U_{2}, donc U2=124,0=8,0 VU_{2}=12-4{,}0=8{,}0\ \mathrm{V}.

Pourquoi

On nomme la loi utilisée. C'est le seul moyen d'obtenir U2U_{2} ici : aucune mesure directe n'est donnée sur ce dipôle, et la loi d'Ohm ne peut pas servir puisque R2R_{2} est justement l'inconnue.

Étape 3

Loi d'Ohm appliquée à R2R_{2} : R2=U2I=8,00,20=40 ΩR_{2}=\dfrac{U_{2}}{I}=\dfrac{8{,}0}{0{,}20}=40\ \Omega.

Pourquoi

Le quotient se lit tension sur intensité, jamais l'inverse. Le résultat, quelques dizaines d'ohms, est l'ordre de grandeur attendu pour un composant de laboratoire.

Étape 4

Req=UI=120,20=60 ΩR_{eq}=\dfrac{U}{I}=\dfrac{12}{0{,}20}=60\ \Omega, et l'on retrouve bien R1+R2=20+40=60 ΩR_{1}+R_{2}=20+40=60\ \Omega.

Pourquoi

Ce double calcul est à la fois une question et une vérification. Deux chemins différents qui donnent le même nombre garantissent qu'aucune des trois valeurs précédentes n'est fausse.

Étape 5

Court-circuiter R2R_{2} annule sa tension : toute la tension se reporte sur R1R_{1}, et I=1220=0,60 AI=\dfrac{12}{20}=0{,}60\ \mathrm{A}, soit trois fois plus qu'avant.

Pourquoi

La question teste la compréhension du court-circuit, pas un calcul difficile. Le triplement de l'intensité est exactement ce qui rend l'opération dangereuse et fait fondre un fusible.

Étape 6

Vérification finale : U1+U2=4,0+8,0=12 VU_{1}+U_{2}=4{,}0+8{,}0=12\ \mathrm{V}, c'est bien la tension du générateur.

Pourquoi

Le rebouclage des tensions coûte cinq secondes et couvre les trois premières questions d'un coup. Il faut le poser même quand on est sûr de soi.

Conclusion rédigée

Le voltmètre indique 4,0 V4{,}0\ \mathrm{V}, la tension aux bornes de R2R_{2} vaut 8,0 V8{,}0\ \mathrm{V}, d'où R2=40 ΩR_{2}=40\ \Omega; la résistance équivalente vaut 60 Ω60\ \Omega, ce que confirme la somme 20+4020+40, et un court-circuit de R2R_{2} ferait passer l'intensité à 0,60 A0{,}60\ \mathrm{A}.

L'erreur classique sur cet exercice : Calculer R2=UI=120,20=60 ΩR_{2}=\frac{U}{I}=\frac{12}{0{,}20}=60\ \Omega en utilisant la tension du GÉNÉRATEUR au lieu de celle du dipôle. On obtient alors la résistance équivalente du circuit entier, pas celle de R2R_{2}.

À savoir par cœur

  • Ampèremètre EN SÉRIE, voltmètre EN DÉRIVATION. 1 A=1000 mA1\ \mathrm{A}=1000\ \mathrm{mA}.
  • EN SÉRIE : une seule intensité, la tension se partage. U=U1+U2U=U_{1}+U_{2}.
  • EN DÉRIVATION : une seule tension, l'intensité se partage. Loi des noeuds : I=I1+I2I=I_{1}+I_{2}.
  • U=R×IU=R\times I avec II en AMPÈRES, et seulement pour un conducteur OHMIQUE.
  • Caractéristique d'un conducteur ohmique : une droite qui passe par l'origine. Celle d'une lampe : une courbe.
  • Req=R1+R2R_{eq}=R_{1}+R_{2} en série. En dérivation, la résistance équivalente est plus PETITE que chacune.
  • Un dipôle court-circuité voit sa tension tomber à zéro, et l'intensité totale augmente fortement.

Questions fréquentes

Comment brancher un ampèremètre et un voltmètre ?

L'ampèremètre se branche en série, dans le fil, car il doit être traversé par le courant qu'il mesure. Le voltmètre se branche en dérivation, aux bornes du dipôle, sans couper le circuit, car une tension est une différence entre deux points. Un voltmètre placé en série arrêterait le courant.

Est-ce que la loi d'Ohm marche pour une lampe ?

Non. La loi d'Ohm ne vaut que pour les conducteurs ohmiques, dont la caractéristique est une droite passant par l'origine. La résistance d'une lampe augmente quand son filament chauffe, donc le rapport de la tension sur l'intensité n'est pas constant. Pour une lampe, on lit les valeurs sur sa caractéristique, point par point.

Qu'est-ce qui est identique en série et en dérivation ?

En série, c'est l'intensité qui est la même en tout point du circuit, et la tension du générateur qui se partage entre les récepteurs. En dérivation, c'est l'inverse : la tension est la même dans toutes les branches, et l'intensité se partage entre elles. Retenir ce renversement suffit pour la moitié du chapitre.

Comment trouver une résistance à partir d'un graphique ?

Sur une caractéristique donnant la tension en fonction de l'intensité, on choisit un point du tracé, on lit ses deux coordonnées, et on divise la tension par l'intensité. Le résultat est en ohms si la tension est en volts et l'intensité en ampères. Cette méthode n'est valable que si le tracé est une droite passant par l'origine.

Pourquoi la résistance diminue quand on branche en dérivation ?

Parce qu'ajouter une branche revient à offrir un chemin supplémentaire au courant. La route est plus large, donc le courant total augmente pour une même tension, ce qui signifie que la résistance équivalente a diminué. Elle est toujours plus petite que la plus petite des résistances branchées.

Passer à la pratique

Exercices corrigés : Tension, intensité et loi d'Ohm

Une méthode se prouve sur une copie, pas sur une fiche. La série du même chapitre reprend chacun de ces pièges dans un exercice, avec le corrigé rédigé étape par étape.

  • 15 exercices corrigés
  • 150 points
  • 195 minutes
Faire les exercices
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Ce chapitre resservira dans

Les chapitres qui le réclament en amont, plus tard dans l'année ou dans les années suivantes.

Voir aussi

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