Exercices

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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.


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


4. Expliquer l’expression « couleur pure ».


Faisceau de lumière particulier


Laser hélium‑néon


Diagramme énergétique du néon

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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 $\lambda =490$ nm et dont la puissance du rayonnement vaut $P=4,50\times 10^{-7}$ W. Le travail d’extraction du potassium est $\Phi =2,29$ eV.

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


2. Calculer le nombre de photons reçus en $1$ s.


3. Sachant que l’on obtient une intensité $I=2,00\times 10^{-8}$ A lorsque tous les électrons arrachés à la cathode arrivent sur l’anode, calculer le nombre d’électrons extraits de la cathode en $1$ 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.

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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 $E_{\mathrm{c}}=e\cdot U_0$ 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 $E_{\mathrm{c}}$ d’un électron extrait, le travail d’extraction ${\Phi }_0$ et la fréquence $\nu$ du rayonnement.


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


Montage expérimental de Millikan


Résultats obtenus (1)


Résultats obtenus (2)


Résultats obtenus (3)

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 ${\eta }_{\text{ph}}.$


4. Calculer le nombre d’électrons reçus par seconde ${\eta }_{\text{e}}.$


5. En déduire le rendement quantique de la DEL (${\eta }_{\text{Q}}={\eta }_{\text{ph}}/{\eta }_{\text{e}}$).

Doc. 1

Caractéristiques de la DEL

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 $\text{V}=35$ m³. Le moteur de la pompe fonctionne pendant les 6 heures les plus ensoleillées de la journée.


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


2. Calculer l’énergie lumineuse nécessaire.


3. En déduire la surface $\text{S}$ 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 : $\phi =850$ W·m^-2
• Hauteur d’élévation de l’eau entre le puits et le réservoir : $\text{H}=50$ m
• Rendement total de l’installation (panneau solaire et système de pompage) : $\eta =5,2$ %
• Intensité de la pesanteur terrestre : $g=9,8$ N·kg^-1