3e prépa-métiers | Physique-Chimie | L'énergie et ses conversions
Dernière mise à jour : 21 octobre 2026
Matériel : un stylo, un crayon à papier et la calculatrice (autorisée). Lis chaque question jusqu'au bout avant de répondre. Écris toujours l'unité à côté du résultat.
C1 · Aide : l'objet bouge → cinétique ; il est en hauteur → de position ; il est chaud → thermique ; du courant → électrique ; une pile ou une matière qui brûle → chimique ; de la lumière → lumineuse.
1. Écris la forme d'énergie de chaque objet. Choisis dans la liste : cinétique, de position, thermique, électrique, chimique, lumineuse.
| Objet | Forme d'énergie |
|---|---|
| a) Un skateur qui roule | |
| b) La pile neuve d'une télécommande | |
| c) Un fer à repasser chaud | |
| d) Une valise posée en haut d'une armoire | |
| e) La lumière d'une lampe de poche | |
| f) Le courant dans le câble d'un chargeur |
2. Un camion et un vélo roulent à la même vitesse. Entoure celui qui a le plus d'énergie cinétique : le camion / le vélo
3. L'uranium d'une centrale contient de l'énergie… Entoure la bonne réponse : lumineuse / nucléaire / cinétique
1. 0,5 pt par ligne. a) Il bouge : cinétique. b) Une pile : chimique. c) Il est chaud : thermique. d) Elle est en hauteur : de position. e) La lumière : lumineuse. f) Le courant : électrique.
2. Le camion : à la même vitesse, l'objet qui a la plus grande masse a le plus d'énergie cinétique (1 pt).
3. Nucléaire : elle se trouve dans le noyau des atomes d'uranium (1 pt).
C2 · Aide : la nature la refait vite → renouvelable. Le stock s'épuise → non renouvelable. On la brûle → elle émet du CO₂.
1. Pour chaque source, coche la bonne case.
| Source d'énergie | Renouvelable | Non renouvelable |
|---|---|---|
| Le Soleil | ☐ | ☐ |
| Le pétrole | ☐ | ☐ |
| Le vent | ☐ | ☐ |
| Le charbon | ☐ | ☐ |
| L'eau d'un barrage | ☐ | ☐ |
| L'uranium | ☐ | ☐ |
2. Entoure les deux appareils qui émettent du CO₂ quand ils fonctionnent, parce qu'ils brûlent un combustible :
une éolienne / une voiture à essence / un panneau solaire / une chaudière au gaz
Le diagramme ci-dessous montre d'où vient l'électricité produite en France en 2024.
3. Quelle source a produit le plus d'électricité en France en 2024 ? Quel pourcentage ? %
1. 0,5 pt par ligne. Renouvelables : le Soleil, le vent, l'eau d'un barrage. Non renouvelables : le pétrole, le charbon, l'uranium.
2. La voiture à essence et la chaudière au gaz : elles brûlent de l'essence ou du gaz (0,5 pt chacune).
3. Le nucléaire (0,5 pt), avec 67,1 % (0,5 pt).
C3 · Un ventilateur est branché sur une prise. Son moteur fait tourner les pales : l'air bouge. Au bout d'un moment, le moteur est tiède.
1. Entoure le convertisseur : la prise / le ventilateur / l'air
2. Complète les trois flèches. Choisis dans la liste : électrique, cinétique, thermique.
Flèche (1) : énergie
Flèche (2) : énergie
Flèche (3) : énergie
3. Pourquoi dit-on que l'énergie de la flèche (3) est « perdue » ? Coche la bonne réponse.
☐ parce qu'elle disparaît pour toujours
☐ parce qu'elle ne sert pas : on veut de l'air qui bouge, pas un moteur chaud
1. Le ventilateur : c'est l'appareil qui change l'énergie (1 pt).
2. 1 pt par flèche. (1) énergie électrique (elle vient de la prise). (2) énergie cinétique (l'air bouge). (3) énergie thermique (le moteur chauffe).
3. La deuxième réponse (1 pt). L'énergie ne disparaît jamais : elle part dans l'air autour du moteur, là où elle ne sert à rien.
C4, C5 · Aide : énergie perdue = énergie reçue − énergie utile ; rendement = énergie utile ÷ énergie reçue × 100 (en %).
Pendant une semaine de trajets, le moteur de la trottinette électrique de Kenza reçoit 500 Wh d'énergie électrique. Il donne 400 Wh d'énergie cinétique à la trottinette.
1. Calcule l'énergie perdue.
Énergie perdue = − = Wh
2. Sous quelle forme cette énergie est-elle perdue ? Entoure : lumineuse / thermique / nucléaire
3. Calcule le rendement du moteur.
Rendement = ÷ × 100 = %
4. Le moteur d'une voiture à essence a un rendement de 40 % au mieux (IFP Énergies nouvelles). Entoure celui qui gaspille le moins d'énergie : le moteur de la trottinette / le moteur à essence
1. Énergie perdue = 500 − 400 = 100 Wh (0,5 pt pour les valeurs, 1 pt pour le résultat avec l'unité). Vérification : 400 + 100 = 500.
2. Thermique : le moteur chauffe (0,5 pt).
3. Rendement = 400 ÷ 500 × 100 = 80 % (0,5 pt pour les valeurs, 1,5 pt pour le résultat avec %).
4. Le moteur de la trottinette : 80 % est plus grand que 40 % (1 pt).
C1 · Reconnaître les formes d'énergie.
1. Écris la forme d'énergie de chaque objet.
a) L'eau d'un lac de montagne, derrière un barrage :
b) Le gaz de la gazinière :
c) Une trottinette qui roule :
d) La lumière de l'écran d'un téléphone :
e) Un radiateur allumé et chaud :
Inès est en haut d'une piste de ski, immobile. Puis elle descend la piste de plus en plus vite.
2. En haut de la piste, quelle forme d'énergie Inès possède-t-elle ? Quand elle descend, en quelle forme cette énergie se change-t-elle ?
3. Deux voitures identiques roulent : l'une à 50 km/h, l'autre à 90 km/h. Laquelle a le plus d'énergie cinétique ? Justifie.
1. 0,5 pt chacun. a) En hauteur : de position. b) Il brûle : chimique. c) Elle bouge : cinétique. d) Lumineuse. e) Thermique.
2. En haut, Inès est en hauteur : énergie de position (0,5 pt). En descendant, elle se change en énergie cinétique : Inès va de plus en plus vite (1 pt).
3. La voiture à 90 km/h (0,5 pt) : les deux ont la même masse, et l'énergie cinétique augmente avec la vitesse (0,5 pt).
C2 · Classer les sources et repérer le CO₂.
1. Range ces sources en deux groupes : renouvelables et non renouvelables.
gaz naturel ; Soleil ; charbon ; bois ; uranium ; vent ; pétrole ; eau des rivières
Le tableau donne la masse de CO₂ émise pour produire 1 kWh d'électricité.
| Moyen de production | centrale à charbon | centrale à gaz | panneaux solaires | barrage | centrale nucléaire | éolienne sur terre |
|---|---|---|---|---|---|---|
| CO₂ pour 1 kWh | 820 g | 490 g | 48 g | 24 g | 12 g | 11 g |
Source : GIEC, 5e rapport, groupe III, annexe III (valeurs médianes, en comptant la construction des installations).
2. Quel moyen de production émet le plus de CO₂ ? Explique pourquoi.
3. Combien de fois une centrale à gaz émet-elle plus de CO₂ qu'une centrale nucléaire ? Arrondis à l'unité.
4. Rania dit : « Le nucléaire est une énergie renouvelable, puisqu'il émet très peu de CO₂. » Corrige sa phrase.
1. Renouvelables : Soleil, bois, vent, eau des rivières. Non renouvelables : gaz naturel, charbon, uranium, pétrole (0,25 pt par source).
2. La centrale à charbon, 820 g (0,5 pt) : elle brûle du charbon, et une combustion produit du CO₂ (0,5 pt).
3. 490 ÷ 12 ≈ 40,8, soit environ 41 fois plus (1 pt).
4. Le nucléaire est non renouvelable : l'uranium s'épuise (0,5 pt). Il émet très peu de CO₂ parce qu'une centrale nucléaire ne brûle rien, mais cela ne le rend pas renouvelable (0,5 pt).
C3 · Léo a mangé avant sa course. Ses muscles font tourner les pédales : le vélo avance. Pendant l'effort, Léo a chaud.
1. Complète la chaîne : écris ce qui remplace chaque lettre.
A (réservoir) :
C (énergie reçue) : énergie
D (énergie utile) : énergie
E (énergie perdue) : énergie
F (où part l'énergie perdue) :
2. Après la course, Léo a très chaud et transpire. Explique pourquoi, avec les mots « énergie perdue ».
3. Nina a écrit « vélo » à la place de la lettre D. Pourquoi est-ce faux ?
1. 0,5 pt par lettre. A : les aliments. C : énergie chimique. D : énergie cinétique. E : énergie thermique. F : l'air autour de Léo (on accepte « le corps et l'air autour »).
2. Les muscles ne changent pas toute l'énergie chimique en énergie cinétique : une partie est de l'énergie perdue sous forme thermique (1 pt). Elle chauffe le corps de Léo et l'air autour : il a chaud (0,5 pt).
3. Sur une flèche, on écrit une forme d'énergie, pas le nom d'un objet (0,5 pt). Il faut écrire « énergie cinétique » (0,5 pt).
C4, C5 · Écris la relation, remplace, calcule, puis écris l'unité.
Un jour de printemps, un panneau solaire posé sur le toit du collège reçoit 5 000 Wh d'énergie lumineuse. Il donne 1 000 Wh d'énergie électrique.
1. Calcule l'énergie perdue. Sous quelle forme est-elle perdue ?
2. Calcule le rendement du panneau solaire.
Deux lampes donnent la même lumière pendant 1 heure :
| Lampe | Énergie électrique reçue | Énergie lumineuse utile |
|---|---|---|
| Lampe A : à incandescence (filament) | 100 Wh | 5 Wh |
| Lampe B : LED | 10 Wh | 5 Wh |
3. Calcule le rendement de chaque lampe.
4. Quelle lampe faut-il choisir pour gaspiller le moins d'énergie ? Justifie avec les rendements.
1. Perdue = reçue − utile = 5 000 − 1 000 = 4 000 Wh (0,5 pt), sous forme thermique : le panneau chauffe (0,5 pt).
2. Rendement = utile ÷ reçue × 100 = 1 000 ÷ 5 000 × 100 = 20 % (0,5 pt la relation, 1 pt le résultat avec %). C'est la valeur habituelle d'un panneau au silicium.
3. Lampe A : 5 ÷ 100 × 100 = 5 %. Lampe B : 5 ÷ 10 × 100 = 50 % (0,75 pt chacun).
4. La lampe B (LED) : 50 % est plus grand que 5 % (0,5 pt). Pour la même lumière, elle reçoit 10 fois moins d'énergie et en perd beaucoup moins en chaleur (0,5 pt).
C1 · Dans la montagne, l'eau d'un lac est retenue par un barrage. Elle descend très vite dans une conduite et fait tourner une turbine. L'alternateur produit du courant. Le courant arrive dans une maison : il allume une lampe et fait chauffer un radiateur.
1. Donne la forme d'énergie à chaque étape.
| Étape | Forme d'énergie |
|---|---|
| a) L'eau du lac, en hauteur | |
| b) L'eau qui descend très vite dans la conduite | |
| c) Le courant dans les câbles | |
| d) La lumière de la lampe | |
| e) Le radiateur chaud |
2. Yanis dit : « Un camion garé en haut d'une côte n'a pas d'énergie, puisqu'il ne bouge pas. » Corrige sa phrase.
3. Range dans l'ordre, du plus grand au plus petit, l'énergie cinétique de : un vélo à 20 km/h ; un camion à 20 km/h ; le même camion à 50 km/h. Justifie.
1. 0,5 pt par ligne. a) de position. b) cinétique. c) électrique. d) lumineuse. e) thermique.
2. Le camion n'a pas d'énergie cinétique, car il ne bouge pas (0,5 pt). Mais il est en hauteur : il a de l'énergie de position (0,5 pt). S'il descend la côte, elle se change en énergie cinétique (0,5 pt).
3. Camion à 50 km/h > camion à 20 km/h > vélo à 20 km/h (0,5 pt). Le même camion plus rapide a plus d'énergie (vitesse) ; à la même vitesse, le camion a plus d'énergie que le vélo car sa masse est plus grande (0,5 pt).
C2 · Le diagramme montre d'où vient l'électricité produite en France en 2024.
1. Calcule le pourcentage de l'électricité produite par les sources renouvelables.
2. Calcule le pourcentage produit par les centrales qui brûlent un combustible fossile.
Pour produire 1 kWh d'électricité, une centrale à charbon émet 820 g de CO₂ et une éolienne sur terre 11 g (GIEC, 5e rapport, valeurs médianes en comptant la construction). On rappelle : 1 kg = 1 000 g.
3. Calcule, en kg, la masse de CO₂ émise pour produire 1 000 kWh par chacun de ces deux moyens.
4. Élise dit : « Le nucléaire est parfait : il est renouvelable et il n'émet pas du tout de CO₂. » Relève ses deux erreurs.
1. Hydraulique + éolien + solaire + bioénergies : 13,9 + 8,6 + 4,6 + 1,9 = 29 % (0,5 pt pour la liste, 1 pt pour le calcul).
2. Gaz + fioul + charbon : 3,2 + 0,3 + 0,1 = 3,6 % (1 pt).
3. Charbon : 820 × 1 000 = 820 000 g = 820 kg (0,75 pt). Éolienne : 11 × 1 000 = 11 000 g = 11 kg (0,75 pt). Le charbon émet environ 75 fois plus.
4. Erreur 1 : le nucléaire est non renouvelable, l'uranium s'épuise (0,5 pt). Erreur 2 : il émet très peu de CO₂ (12 g par kWh, à cause de la construction), mais pas zéro (0,5 pt).
C3 · Sur un chantier sans électricité, on utilise un groupe électrogène. Son moteur brûle du gazole et fait tourner un alternateur, qui produit du courant pour les outils. L'appareil devient très chaud.
1. Construis la chaîne énergétique du groupe électrogène dans le cadre : réservoir, convertisseur, énergie reçue, énergie utile et énergie perdue.
2. Le groupe électrogène émet-il du CO₂ ? Justifie.
3. Malik a dessiné la chaîne d'un panneau solaire. Trouve ses deux erreurs.
1. 0,5 pt par élément : réservoir « gazole » dans un ovale ; convertisseur « groupe électrogène » dans un rectangle ; flèche reçue « énergie chimique » ; flèche utile « énergie électrique » ; flèche perdue « énergie thermique » ; formes (ovale, rectangle, flèches nommées) respectées.
2. Oui (0,5 pt) : son moteur brûle du gazole, un combustible fossile ; toute combustion produit du CO₂ (0,5 pt).
3. Erreur 1 : sur la flèche, il faut une forme d'énergie (« énergie lumineuse »), pas le nom « Soleil » (0,5 pt). Erreur 2 : il manque la flèche de l'énergie perdue (thermique : le panneau chauffe) (0,5 pt).
C4, C5 · Pendant un trajet, le moteur à essence d'une voiture reçoit 60 kWh d'énergie chimique. Il donne 18 kWh d'énergie cinétique.
1. Calcule l'énergie perdue par le moteur.
2. Calcule le rendement du moteur à essence.
3. Pour le même travail, un moteur électrique reçoit 20 kWh et donne 18 kWh. Quel moteur gaspille le moins ? Justifie par un calcul.
4. En une journée, un panneau solaire reçoit 2 000 Wh d'énergie lumineuse. Son rendement est de 20 %. Calcule l'énergie électrique qu'il donne, puis l'énergie qu'il perd.
1. Perdue = reçue − utile = 60 − 18 = 42 kWh, sous forme thermique (1 pt).
2. Rendement = 18 ÷ 60 × 100 = 30 % (1 pt).
3. Moteur électrique : 18 ÷ 20 × 100 = 90 % (0,5 pt). 90 % > 30 % : le moteur électrique gaspille le moins (0,5 pt).
4. Rendement 20 % : 20 Wh utiles pour 100 Wh reçus. Énergie utile = 2 000 × 20 ÷ 100 = 400 Wh d'énergie électrique (1 pt). Énergie perdue = 2 000 − 400 = 1 600 Wh (1 pt). Vérification : 400 + 1 600 = 2 000.