Physique-Chimie Terminale Spécialité

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Préparation aux épreuves du Bac

1. Constitution et transformations de la matière

Composition et évolution d'un système

Ouverture de thème p. 16-17

Ch. 1

Modélisation des transformations acide-base

Ch. 2

Analyse physique d'un système chimique

Ch. 3

Méthode de suivi d'un titrage

Ch. 4

Évolution temporelle d'une transformation chimique

Ch. 5

Évolution temporelle d'une transformation nucléaire

BAC

Thème 1

Prévision et stratégie en chimie

Ouverture de thème p. 146-147

Ch. 6

Évolution spontanée d'un système chimique

Ch. 7

Équilibres acide-base

Ch. 8

Transformations chimiques forcées

Ch. 9

Structure et optimisation en chimie organique

Ch. 10

Stratégies de synthèse

BAC

Thème 1 bis

2. Mouvement et interactions

Ouverture de thème

p. 290-291

Ch. 11

Description d'un mouvement

Ch. 12

Mouvement dans un champ uniforme

Ch. 13

Mouvement dans un champ de gravitation

Ch. 14

Modélisation de l'écoulement d'un fluide

BAC

Thème 2

3. Conversions et transferts d'énergie

Ouverture de thème

p. 402-403

Ch. 15

Étude d’un système thermodynamique

Ch. 16

Bilans d'énergie thermique

BAC

Thème 3

4. Ondes et signaux

Ouverture de thème

p. 462-463

Ch. 17

Propagation des ondes

Ch. 18

Interférences et diffraction

Ch. 19

Lunette astronomique

Ch. 20

Effet photoélectrique et enjeux énergétiques

Ch. 21

Évolutions temporelles dans un circuit capacitif

BAC

Thème 4

Annexes

Ch. 22

Méthode

Chapitre 20

Exercices

Pour s'entraîner

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Données

Constante de Planck : $h = 6, 63 \times 1 0^{- 34}$ J·s
Célérité de la lumière dans le vide : $c = 3, 00 \times 1 0^{8}$ m·s^-1
Charge élémentaire : $e = 1, 60 \times 1 0^{- 19}$ C
Conversion d'unités : $1$ eV $= 1, 60 \times 1 0^{- 19}$ J

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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.

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

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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

λ = 490

nm et dont la puissance du rayonnement vaut

P = 4, 50 \times 1 0^{- 7}

W. Le travail d'extraction du potassium est

Φ = 2, 29

eV.

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

2. Calculer le nombre de photons reçus en

1

3. Sachant que l'on obtient une intensité

I = 2, 00 \times 1 0^{- 8}

A lorsque tous les électrons arrachés à la cathode arrivent sur l'anode, calculer le nombre d'électrons extraits de la cathode en

1

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.

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26
Nombre de panneaux solaires

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

Un panneau solaire fournit une puissance électrique

P_{e} = 180

W. Son rendement est de 13 % quand l'irradiance

φ

, c'est-à-dire le flux de rayonnement surfacique, est de

1, 0

kW·m^-2.

1. Calculer la puissance lumineuse reçue.

2. En déduire la surface

S

du panneau solaire.

On souhaite réaliser une installation photovoltaïque qui fournira une puissance électrique de

2, 1

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 pt

1. Utiliser la formule du rendement.

0,5 pt

Effectuer l'application numérique et exprimer le résultat avec deux chiffres significatifs.

1 pt

2. Exprimer

P_{lum}

en fonction de

φ

S

0,5 pt

Effectuer l'application numérique et exprimer le résultat avec deux chiffres significatifs.

2 pt

3. Effectuer les applications numériques et exprimer les résultats avec deux chiffres significatifs.

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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

E_{c} = e \cdot U_{0}

où

e

est la charge élémentaire et

U_{0}

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

E_{c}

d'un électron extrait, le travail d'extraction

Φ_{0}

et la fréquence

ν

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

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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

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Évolution de

I = f (U)

pour différents flux lumineux, à fréquence constante.

Doc. 3
Résultats obtenus (2)

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Évolution de

I = f (U)

pour différentes fréquences, à intensité lumineuse constante.

Doc. 4
Résultats obtenus (3)

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Évolution de

e \cdot U_{0} = f (ν)

pour différents matériaux à intensité lumineuse fixée.

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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

φ = 700

W·m^-2.

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

λ = 550

nm.

L'énergie du photon est égale à :

E = \frac{h \cdot c}{λ}

AN :

E = \frac{6 , 6 3 \times 1 0 ^{- 34} \times 3 , 0 0 \times 1 0 ^{8}}{5 5 0 \times 1 0 ^{- 9}}

E = 3, 61 \times 1 0^{- 19} e V

2. Calculer la puissance lumineuse reçue.

La puissance lumineuse reçue est :

P_{lum} = φ \cdot S

AN :

P_{l u m} = 700 \times 40 = 28000 W

3. Calculer le nombre de photons reçus en

1

s.

Le nombre de photons reçus par la cellule en

1

s est égal :

N = \frac{P _{l u m}}{E}

Inhomogène.

AN :

N = \frac{2 8 0 0 0}{3 , 6 1 \times 1 0 ^{- 19}} = 7, 76 \times 1 0^{22}

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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

η_{ph} .

4. Calculer le nombre d'électrons reçus par seconde

η_{e} .

5. En déduire le rendement quantique de la DEL (

η_{Q} = η_{ph} / η_{e}

Doc. 1
Caractéristiques de la DEL

Tension de fonctionnement (V)	$1, 4$
Courant de fonctionnement (mA)	$100$
Longueur d'onde d'émission (nm)	$890$
Puissance lumineuse (mW)	$50$
Température de fonctionnement (°C)	$- 40$ à $85$

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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

V = 35

m³. Le moteur de la pompe fonctionne pendant les 6 heures les plus ensoleillées de la journée.

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

2. Calculer l'énergie lumineuse nécessaire.

3. En déduire la surface

S

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 : $φ = 850$ W·m^-2
Hauteur d'élévation de l'eau entre le puits et le réservoir : $H = 50$ m
Rendement total de l'installation (panneau solaire et système de pompage) : $η = 5, 2$ %
Intensité de la pesanteur terrestre : $g = 9, 8$ N·kg^-1

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