Effet Joule et rendement : exercices corrigés de 1re

Publié le 7 novembre 2026 · Mis à jour le 7 novembre 2026 · Signaler une erreur

L'essentiel

L'effet Joule est la production de chaleur quand un courant traverse un conducteur résistif ⁴.
Pour un conducteur de résistance $R$ parcouru par un courant $I$ : $P = R\,I^2$ et $E = R\,I^2\,\Delta t$ .
Le rendement compare l'énergie utile à l'énergie reçue : $\eta = \dfrac{E_{utile}}{E_{reçue}}$ , sans unité ².
Pour limiter les pertes en ligne, on augmente la tension afin de diminuer l'intensité ⁴.

Comment utiliser ces exercices

Cette page te propose des exercices de difficulté croissante sur l'effet Joule et sur le rendement. Les premiers servent à manipuler les formules. Les derniers demandent d'enchaîner plusieurs calculs et d'interpréter un résultat, comme tu le feras en devoir surveillé.

Pour chaque exercice, procède toujours dans le même ordre : cherche seul, utilise les indices si tu bloques, puis lis la correction étape par étape. Compare ensuite ta méthode, pas seulement ton résultat. Une bonne réponse obtenue par hasard ne t'apprend rien ; une erreur comprise te fait progresser.

Pourquoi le rendement n'est pas toujours de 100 %

Dans un appareil dont le but est de chauffer (radiateur, bouilloire, grille-pain), la chaleur dégagée par effet Joule est l'effet recherché. Ces appareils utilisent une résistance électrique, et leur rendement thermodynamique théorique est de 100 % : toute l'énergie électrique peut devenir de la chaleur ⁴.

Dans d'autres situations, la chaleur est au contraire une perte. L'effet Joule convertit alors une partie de l'énergie électrique en énergie thermique, ce qui est indésirable mais inévitable ⁴. C'est le cas des pertes en ligne lors du transport du courant : pour les limiter, on augmente la tension afin de diminuer l'intensité ⁴. Comme la puissance perdue varie avec $I^2$ , une intensité réduite diminue fortement les pertes. Les exercices 6 et 7 illustrent ce point.

Les exercices

Exercice 1 Énergie dissipée dans une résistance chauffante

★☆☆Environ 5 min

Une résistance chauffante de valeur $R = 50\ \Omega$ est traversée par un courant d'intensité $I = 2{,}0\ \text{A}$ pendant une durée $\Delta t = 10$ minutes.

Calcule l'énergie $E$ transférée sous forme de chaleur par effet Joule, en joules.

Indice 1

Convertis d'abord la durée en secondes.

Indice 2

Utilise $E = R\,I^2\,\Delta t$ avec l'intensité au carré.

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On convertit la durée : $\Delta t = 10 \times 60 = 600\ \text{s}$ .
On calcule la puissance dissipée : $P = R\,I^2 = 50 \times 2{,}0^2 = 200\ \text{W}$ .
On multiplie par la durée : $E = P\,\Delta t = 200 \times 600 = 120\,000\ \text{J}$ .

L'énergie dissipée vaut $E = 1{,}2 \times 10^5\ \text{J}$ , soit 120 kJ. Si tu avais gardé 10 min sans conversion, tu aurais trouvé une valeur soixante fois trop petite.

Exercice 2 Puissance d'une bouilloire

★☆☆Environ 5 min

L'élément chauffant d'une bouilloire a une résistance $R = 23\ \Omega$ . Il est alimenté sous une tension $U = 230\ \text{V}$ .

Calcule la puissance $P$ dissipée par effet Joule, en watts.

Indice 1

Tu connais $U$ et $R$ : cherche la formule qui n'utilise que ces deux grandeurs.

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On repère les données : $U = 230\ \text{V}$ et $R = 23\ \Omega$ .
On choisit la relation $P = \dfrac{U^2}{R}$ , obtenue avec $P = U\,I$ et $I = \dfrac{U}{R}$ .
On calcule : $P = \dfrac{230^2}{23} = \dfrac{52\,900}{23} = 2\,300\ \text{W}$ .

La bouilloire dissipe $P = 2\,300\ \text{W}$ . Vérification par l'intensité : $I = 230/23 = 10\ \text{A}$ , puis $P = U\,I = 230 \times 10 = 2\,300\ \text{W}$ . Les deux chemins donnent le même résultat.

Exercice 3 Rendement d'une lampe à incandescence

★★☆Environ 8 min

Une lampe à incandescence reçoit une puissance électrique de $60\ \text{W}$ . Elle émet une puissance lumineuse de $3{,}0\ \text{W}$ , le reste étant dissipé sous forme de chaleur.

Calcule le rendement $\eta$ de la lampe, en pourcentage, en considérant que l'énergie utile est la lumière.

Indice 1

Pour une même durée, le rapport des énergies est égal au rapport des puissances.

Indice 2

Quelle est l'énergie utile ici : la lumière ou la chaleur ?

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On identifie l'énergie utile : c'est la lumière émise, de puissance $3{,}0\ \text{W}$ .
On identifie l'énergie reçue : c'est l'énergie électrique, de puissance $60\ \text{W}$ .
Sur une durée $\Delta t$ , $E_{utile} = 3{,}0\,\Delta t$ et $E_{reçue} = 60\,\Delta t$ ; $\Delta t$ se simplifie dans le rapport.
On calcule : $\eta = \dfrac{3{,}0}{60} = 0{,}05$ , soit $5\ \%$ .

Le rendement lumineux est de 5 %. Les 95 % restants sont de la chaleur : pour une lampe, cette chaleur est une perte, alors que pour un radiateur elle est l'effet recherché.

Exercice 4 Rendement d'une bouilloire

★★☆Environ 12 min

Une bouilloire de puissance électrique $2\,000\ \text{W}$ fonctionne pendant $3{,}0$ minutes. Elle chauffe $1{,}0\ \text{kg}$ d'eau dont la température s'élève de $75\ \text{K}$ . On donne la capacité thermique massique de l'eau : $c = 4\,180\ \text{J·kg}^{-1}\text{·K}^{-1}$ .

Calcule le rendement $\eta$ de la bouilloire, en pourcentage.

Indice 1

L'énergie utile est celle reçue par l'eau, donnée par la relation $E_{utile} = m\,c\,\Delta T$ .

Indice 2

L'énergie reçue est l'énergie électrique : $P\,\Delta t$ avec $\Delta t$ en secondes.

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Énergie électrique reçue : $\Delta t = 3{,}0 \times 60 = 180\ \text{s}$ , donc $E_{reçue} = 2\,000 \times 180 = 360\,000\ \text{J}$ .
Énergie utile reçue par l'eau : $E_{utile} = m\,c\,\Delta T = 1{,}0 \times 4\,180 \times 75 = 313\,500\ \text{J}$ .
On forme le rapport : $\eta = \dfrac{313\,500}{360\,000} \approx 0{,}871$ .
On exprime en pourcentage : $\eta \approx 87{,}1\ \%$ .

Le rendement est d'environ 87 %. La différence avec 100 % correspond à la chaleur cédée à la bouilloire elle-même et à l'air ambiant. Un rendement inférieur à 100 % est donc cohérent ici.

Exercice 5 Expérience de chauffage d'une masse d'eau

★★☆Environ 10 min

Lors d'une séance de travaux pratiques, un conducteur ohmique plongé dans de l'eau est alimenté sous $U = 12\ \text{V}$ et traversé par un courant $I = 3{,}0\ \text{A}$ pendant $5{,}0$ minutes. On estime que $90\ \%$ de l'énergie dissipée est transférée à l'eau.

Calcule l'énergie transférée à l'eau, en joules.

Indice 1

Commence par la puissance électrique $P = U\,I$ .

Indice 2

Applique ensuite le rendement de $0{,}90$ à l'énergie totale.

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On calcule la puissance : $P = U\,I = 12 \times 3{,}0 = 36\ \text{W}$ .
On convertit la durée : $\Delta t = 5{,}0 \times 60 = 300\ \text{s}$ .
Énergie dissipée au total : $E = P\,\Delta t = 36 \times 300 = 10\,800\ \text{J}$ .
Part transférée à l'eau : $E_{utile} = 0{,}90 \times 10\,800 = 9\,720\ \text{J}$ .

L'eau reçoit $9\,720\ \text{J}$ , soit environ $9{,}7\ \text{kJ}$ . Les $1\,080\ \text{J}$ restants sont perdus dans l'environnement. Cohérence : la résistance vaut $R = 12/3{,}0 = 4{,}0\ \Omega$ et $R\,I^2 = 36\ \text{W}$ , comme $U\,I$ .

Exercice 6 Pertes dans une ligne de transport

★★☆Environ 12 min

Une ligne électrique de résistance totale $R = 2{,}0\ \Omega$ transporte une puissance $P = 100\ \text{kW}$ sous une tension $U = 10\ \text{kV}$ . On suppose que la puissance transportée vérifie $P = U\,I$ .

Calcule la puissance perdue par effet Joule dans la ligne, en watts.

Indice 1

Détermine d'abord l'intensité $I$ qui circule dans la ligne.

Indice 2

Les données sont en kW et kV : convertis-les en W et V.

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On convertit : $P = 100\,000\ \text{W}$ et $U = 10\,000\ \text{V}$ .
On calcule l'intensité : $I = \dfrac{P}{U} = \dfrac{100\,000}{10\,000} = 10\ \text{A}$ .
On calcule la puissance perdue : $P_{perdue} = R\,I^2 = 2{,}0 \times 10^2 = 200\ \text{W}$ .

La ligne perd $200\ \text{W}$ , soit $0{,}2\ \%$ de la puissance transportée ( $200/100\,000 = 0{,}002$ ). Cette perte est une conversion indésirable d'énergie électrique en chaleur ⁴.

Exercice 7 Effet d'une tension doublée sur les pertes

★★★Environ 12 min

On reprend la ligne de l'exercice précédent ( $R = 2{,}0\ \Omega$ , $P = 100\ \text{kW}$ transportée), mais la tension de transport est maintenant doublée : $U' = 20\ \text{kV}$ .

Calcule la nouvelle intensité $I'$ .
Calcule la nouvelle puissance perdue $P'_{perdue}$ en watts.
Compare avec le résultat précédent et explique le choix des ingénieurs.

Indice 1

La puissance transportée reste la même : seule $U$ change, donc $I$ change.

Indice 2

Si $I$ est divisée par 2, par combien la quantité $I^2$ est-elle divisée ?

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Nouvelle intensité : $I' = \dfrac{P}{U'} = \dfrac{100\,000}{20\,000} = 5{,}0\ \text{A}$ , soit la moitié de la valeur précédente.
Nouvelle puissance perdue : $P'_{perdue} = R\,I'^2 = 2{,}0 \times 5{,}0^2 = 50\ \text{W}$ .
Comparaison : on passe de $200\ \text{W}$ à $50\ \text{W}$ . En doublant la tension, on divise l'intensité par 2 et les pertes par $2^2 = 4$ .
Interprétation : augmenter la tension pour diminuer l'intensité est la stratégie employée pour limiter les pertes en ligne ⁴.

Les pertes tombent à $50\ \text{W}$ : elles sont quatre fois plus faibles. Retiens que les pertes Joule dépendent du carré de l'intensité, ce qui rend la réduction de $I$ si efficace.

Les questions qu'on se pose

Comment savoir si l'effet Joule est utile ou gênant ?

Tout dépend de l'appareil. Dans un radiateur, une bouilloire ou un grille-pain, la chaleur dégagée par la résistance est justement ce qu'on veut obtenir ⁴. Dans une ligne de transport ou une lampe dont on attend de la lumière, cette chaleur est une perte : une part de l'énergie électrique se change en chaleur sans qu'on le souhaite, et on ne peut pas l'éviter totalement ⁴. Pour trancher, demande-toi quelle est l'énergie utile de l'appareil.

Pourquoi le rendement n'a-t-il pas d'unité ?

Le rendement est un rapport entre deux énergies ². Les deux s'expriment en joules, donc les unités se simplifient. On le donne soit comme un nombre entre 0 et 1, soit en pourcentage. Si tu trouves plus de 100 %, vérifie que tu as bien mis l'énergie utile au numérateur et l'énergie reçue au dénominateur.

Sources

Conversion d'énergie et efficacité énergétique (ressources d'accompagnement STI), Éduscol. Consulté le 7 novembre 2026.
Énergie et puissance - Classe de 1ère S, Académie de Strasbourg. Consulté le 7 novembre 2026.
Joule (dictionnaire), Universalis. Consulté le 7 novembre 2026.
Effet Joule, Wikipédia. Consulté le 7 novembre 2026.

Les numéros dans le texte renvoient à ces sources. Une source qui ne dit pas ce qu'on lui fait dire ? Signale-le.

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Effet Joule et rendement : exercices corrigés de 1re

L'essentiel

Comment utiliser ces exercices

Pourquoi le rendement n'est pas toujours de 100 %

Les exercices

Exercice 1 Énergie dissipée dans une résistance chauffante

Exercice 2 Puissance d'une bouilloire

Exercice 3 Rendement d'une lampe à incandescence

Exercice 4 Rendement d'une bouilloire

Exercice 5 Expérience de chauffage d'une masse d'eau

Exercice 6 Pertes dans une ligne de transport

Exercice 7 Effet d'une tension doublée sur les pertes

Les questions qu'on se pose

Sources

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