Physique-Chimie Terminale

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Exercices Pour s'entraîner
P.543-544




Exercices




Données

  • Constante de Planck : J·s
  • Célérité de la lumière dans le vide : m·s-1
  • Charge élémentaire : C
  • Conversion d’unités : eV J

Pour s'entraîner


24
Fonctionnement d’un laser

APP : Extraire l'information utile

1. À partir du doc. 1, citer les avantages du laser.


2. Reproduire le diagramme énergétique du néon et représenter la transition énergétique effectuée lors de l’émission d’un photon.

Dessinez ici

3. Calculer la longueur d’onde du photon émis lors de cette transition.


4. Expliquer l’expression « couleur pure ».


Doc. 1
Faisceau de lumière particulier
Un faisceau laser se reconnaît au premier coup d’oeil, car il est différent de la lumière ordinaire […]. Le faisceau émis par un laser est un fin pinceau se manifestant, lorsqu’il est arrêté par un obstacle tel qu’un mur, par une tache brillante et presque ponctuelle. […] Une autre caractéristique du faisceau laser, qui apparaît dans le domaine visible, est sa couleur bien souvent pure.

D’après F. Bretenaker et N. Treps, Le laser, EDP sciences.


Doc. 2
Laser hélium‑néon
Lors de l’allumage d’un laser hélium‑néon, on commence par exciter les électrons des atomes de néon à l’aide d’un gaz d’hélium, pour que le néon ait des électrons dans le niveau 5. En se désexcitant du niveau 5 au niveau 2, ces électrons émettent un photon qui contribue au faisceau laser.


Doc. 3
Diagramme énergétique du néon
PC - chapitre 20 - Effet photoélectrique et enjeux énergétiques - exercice 24 - Diagramme énergétique du néon

25
Rendement quantique

VAL : Évaluer et connaître des ordres de grandeur

On éclaire la cathode d’une cellule photoélectrique au potassium par une source lumineuse de longueur d’onde  nm et dont la puissance du rayonnement vaut W. Le travail d’extraction du potassium est eV.

1. Calculer l’énergie des photons et vérifier que l’extraction des électrons est possible.


2. Calculer le nombre de photons reçus en s.


3. Sachant que l’on obtient une intensité A lorsque tous les électrons arrachés à la cathode arrivent sur l’anode, calculer le nombre d’électrons extraits de la cathode en s.


4. Déterminer le rendement quantique de la cellule, c’est‑à‑dire le rapport du nombre d’électrons extraits sur le nombre de photons reçus par la cathode.

Comprendre les attendus

26
Nombre de panneaux solaires

RAI/MOD : Utiliser avec rigueur le modèle de l'énergie

Un panneau solaire fournit une puissance électrique W. Son rendement est de 13 % quand l’irradiance , c’est‑à‑dire le flux de rayonnement surfacique, est de kW·m-2.

1. Calculer la puissance lumineuse reçue.


2. En déduire la surface du panneau solaire.


On souhaite réaliser une installation photovoltaïque qui fournira une puissance électrique de kW, à l’aide de ce type de panneau.

3. Déterminer le nombre de panneaux et la surface totale de l'installation.


Détails du barème

TOTAL / 5 pts
1. Utiliser la formule du rendement.
1 pt
Effectuer l’application numérique et exprimer le résultat avec deux chiffres significatifs.
0,5 pt
2. Exprimer en fonction de et .
1 pt
Effectuer l’application numérique et exprimer le résultat avec deux chiffres significatifs.
0,5 pt
3. Effectuer les applications numériques et exprimer les résultats avec deux chiffres significatifs.
2 pts

27
Expérience de Millikan

APP : Extraire l'information utile

Lorsqu’Einstein explique l’effet photoélectrique en 1905, aucune donnée expérimentale ne permet de confirmer son hypothèse. Millikan tente pendant dix ans de contester le résultat d’Einstein. En 1916, il publie des résultats qui donnent pourtant raison à Einstein.
On peut montrer que l’énergie cinétique des électrons émis à la cathode est est la charge élémentaire et la tension d’arrêt correspondant à la valeur de la tension pour laquelle les électrons arrivent avec une vitesse nulle sur l’anode.

1. Expliquer pourquoi les résultats expérimentaux des doc. 2 et 3 ne s’expliquent pas à partir du modèle ondulatoire de la lumière.


2. Rappeler la relation entre l’énergie cinétique d’un électron extrait, le travail d’extraction et la fréquence du rayonnement.


3. Expliquer comment les courbes du doc. 4 permettent de déterminer la fréquence seuil du matériau et la constante de Planck.


Doc. 1
Montage expérimental de Millikan
PC - chapitre 20 - Effet photoélectrique et enjeux énergétiques - exercice 27 - Montage expérimental de Millikan

La cathode est éclairée avec un rayonnement de fréquence et d’intensité variables. À l’anode, les électrons émis par effet photoélectriques sont collectés.

La tension aux bornes du tube à vide peut être modifiée. L’intensité du courant est proportionnelle au nombre d’électrons collectés.


Doc. 2
Résultats obtenus (1)
PC - chapitre 20 - Effet photoélectrique et enjeux énergétiques - exercice 27

Évolution de pour différents flux lumineux, à fréquence constante.


Doc. 3
Résultats obtenus (2)
PC - chapitre 20 - Effet photoélectrique et enjeux énergétiques - exercice 27

Évolution de pour différentes fréquences, à intensité lumineuse constante.


Doc. 4
Résultats obtenus (3)
PC - chapitre 20 - Effet photoélectrique et enjeux énergétiques - exercice 27

Évolution de pour différents matériaux à intensité lumineuse fixée.

28
Copie d’élève à commenter

Proposer une justification pour chaque erreur relevée par le correcteur.

On s’intéresse à une cellule photovoltaïque de 40 cm2 en fonctionnement lors d’une journée ensoleillée. Le flux lumineux surfacique reçu par la cellule est égal à W·m-2.

1. Calculer l’énergie des photons arrivant sur la cellule de longueur d’onde nm.

L’énergie du photon est égale à :
    
AN :
    



2. Calculer la puissance lumineuse reçue.

La puissance lumineuse reçue est :
    
AN :



3. Calculer le nombre de photons reçus en s.

Le nombre de photons reçus par la cellule en s est égal :
    Inhomogène.
AN :


A
Rendement d’une DEL

VAL : Analyser des résultats

Une DEL (diode électroluminescente) repose sur l’effet photoélectrique mais en sens inverse : un courant électrique permet l’émission de photons. Les caractéristiques d’une DEL sont données ci‑après.

1. Calculer le rendement énergétique de la DEL.


2. Si on suppose que toutes les pertes sont dissipées par effet Joule, calculer la résistance interne de la DEL.


3. Calculer le nombre de photons émis par seconde


4. Calculer le nombre d’électrons reçus par seconde


5. En déduire le rendement quantique de la DEL ().


Doc. 1
Caractéristiques de la DEL

Tension de fonctionnement (V)
Courant de fonctionnement (mA)
Longueur d’onde d’émission (nm)
Puissance lumineuse (mW)
Température de fonctionnement (°C) à

B
Pompage solaire dans le désert

RAI/MOD : Utiliser avec rigueur le modèle de l’énergie

Une station de pompage solaire utilise l’énergie solaire afin de pomper l’eau d’un puits jusqu’à un réservoir. Lors de la saison sèche, le volume quotidien d’eau à pomper est m3. Le moteur de la pompe fonctionne pendant les 6 heures les plus ensoleillées de la journée.

schema 1

1. Calculer l’énergie nécessaire pour remplir le réservoir chaque jour.


2. Calculer l’énergie lumineuse nécessaire.


3. En déduire la surface de panneaux solaires nécessaire.


Données

  • Valeur moyenne de l’irradiance à cet endroit pendant les 6 heures les plus ensoleillées de la journée pendant la saison sèche : W·m-2
  • Hauteur d’élévation de l’eau entre le puits et le réservoir : m
  • Rendement total de l’installation (panneau solaire et système de pompage) : %
  • Intensité de la pesanteur terrestre : N·kg-1
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