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
24Fonctionnement d’un laser
✔ APP : Extraire l'information utile
24
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.
Couleurs
Formes
Dessinez ici
3. Calculer la longueur d’onde du photon émis lors de cette transition.
4. Expliquer l’expression « couleur pure ».
Doc. 1
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
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
25Rendement quantique
✔ VAL : Évaluer et connaître des ordres de grandeur
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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
Comprendre les attendus
26Nombre de panneaux solaires
✔ RAI/MOD : Utiliser avec rigueur le modèle de l'énergie
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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 |
27Expérience de Millikan
✔ APP : Extraire l'information utile
27
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 où 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
► 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
► Évolution de pour différents flux lumineux, à fréquence constante.
Doc. 3
► Évolution de pour différentes fréquences, à intensité lumineuse constante.
Doc. 4
► Évolution de pour différents matériaux à intensité lumineuse fixée.
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Copie d’élève à commenter
⬥ Proposer une justification pour chaque erreur relevée par le correcteur.
28
Copie d’élève à commenter
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 :
AN :
2. Calculer la puissance lumineuse reçue.
La puissance lumineuse reçue est :
AN :
AN :
3. Calculer le nombre de photons reçus en s.
Le nombre de photons reçus par la cellule en s est égal :
Inhomogène.
AN :
Inhomogène.
AN :