Ressource affichée de l'autre côté. Faites défiler pour voir la suite.
29
Comprendre les attendus
Étude d'une cellule photoélectrique
✔ COM : Rédiger correctement une résolution d'exercice ✔ APP : Faire un schéma
Pour déterminer les caractéristiques photoélectriques du sodium, on réalise le montage suivant.
Le zoom est accessible dans la version Premium.
L'expérience consiste à éclairer la photocathode par un rayonnement de longueur d'onde λ=430 nm. Des électrons sont émis dans toutes les directions avec une vitesse v0. On obtient une tension d'arrêt U0=0,49 V (doc. 1
). La tension d'arrêt correspond à la valeur de la tension pour laquelle les électrons arrivent avec une vitesse nulle sur l'anode.
L'ensemble cathode‑anode est équivalent à un condensateur plan générant un champ électrique E. On étudie uniquement le cas des électrons émis dans la direction du champ électrique E.
1. Effectuer le bilan des forces s'exerçant sur l'électron. Justifier que l'on néglige le poids P devant la force électrique Fe.
Par la suite, on néglige toutes les forces, à l'exception
de la force électrique, notée Fe.
2. Sur un schéma, représenter le tube à vide avec l'anode et la photocathode, le vecteur vitesse d'un électron v, la force électrique Fe et le champ électrique E, dans le cas du dispositif mis à la tension d'arrêt.
Cette fonctionnalité est accessible dans la version Premium.
3. Exprimer le travail de la force électrique.
4. En déduire que la relation entre l'énergie cinétique Ec d'un électron extrait de la photocathode et la tension d'arrêt U0 est :
Ec=e⋅U0
5. Calculer la vitesse v0 d'un électron extrait.
6. Calculer l'énergie des photons incidents.
7. Calculer le travail d'extraction Φ du sodium.
8. En déduire la valeur de la fréquence seuil ν0.
Doc. 1
Caractéristique intensité‑tension
Le zoom est accessible dans la version Premium.
IM désigne le courant de saturation et U0 la tension d'arrêt.
Doc. 2
Champ électrique et condensateur plan
La relation entre la tension aux bornes d'un condensateur U, l'intensité du champ électrique E généré entre ses armatures et la distance d entre elles est : E=dU
Le champ électrique E est orienté de la plaque positive vers la plaque négative.
Données
Masse de l'électron :me=9,11×10−31 kg
Charge élémentaire :e=1,60×10−19 C
Intensité de pesanteur :g=9,81 N·kg-1
Constante de Planck :h=6,63×10−34 J·s
Conversion d'unités :1 eV =1,60×10−19 J
Célérité de la lumière dans le vide :c=3,00×108 m·s-1
Détails du barème
TOTAL / 13 pts
2 pts
1. Donner un ordre de grandeur pour les normes du poids et de la force électrique en proposant une distance entre les deux plaques.
0,5 pt
1. Comparer les deux forces et conclure.
1 pt
2. Utiliser la définition de la tension d'arrêt pour trouver les sens de v et Fe.
1 pt
2. Représenter les vecteurs.
1 pt
3. Donner l'expression du travail et la simplifier avec les données du problème.
1,5 pt
4. Appliquer le théorème de l'énergie cinétique.
1 pt
5. Donner l'expression de la vitesse des électrons.
0,5 pt
5. Exprimer le résultat avec 2 chiffres significatifs.
1,5 pt
6. Donner l'expression littérale de l'énergie d'un photon et réaliser le calcul.
1,5 pt
7. Donner l'expression littérale du travail d'extraction et réaliser le calcul.
1,5 pt
8. Donner l'expression littérale de la fréquence seuil et réaliser le calcul.
Ressource affichée de l'autre côté. Faites défiler pour voir la suite.
30
Effet Compton
✔ REA : Appliquer une formule ✔ RAI/ANA : Faire le lien entre modèles microscopiques et grandeurs macroscopiques
L'effet Compton est un phénomène découvert par Arthur Compton en 1923. Cet effet est observé lorsqu'un photon énergétique (rayons X par exemple) de longueur d'onde λ entre en collision avec un électron faiblement lié à son atome. L'électron est alors éjecté de l'atome, qui devient ionisé, et un photon, de longueur d'onde λ′ supérieure à celle du photon incident, est diffusé.
L'effet Compton est la preuve ultime qui achève de convaincre la communauté scientifique que la lumière est bien faite de corpuscules. Compton est récompensé du prix Nobel de physique en 1927.
Le zoom est accessible dans la version Premium.
La relation de Compton est la suivante : λ′−λ=λc⋅(1−cos(θ)) avec λc=me⋅ch
λ′ : longueur d'onde du photon émis (m) λ : longueur d'onde du photon absorbé (m) λC : longueur d'onde de Compton (m) θ : angle de diffusion, compris entre 0° et 90°
1. Expliquer en quoi l'interprétation de Compton prouve la nature corpusculaire de la lumière.
2. Expliquer pourquoi la longueur d'onde du photon diffusé est plus grande que celle du photon incident.
3. Calculer la longueur d'onde de Compton.
4. En déduire un encadrement pour λ′–λ. Justifier le choix des rayons X pour observer l'effet Compton.
5. On bombarde des photons X d'énergie E=17,5 keV sur un cristal de calcite. Calculer la longueur d'onde des rayons X utilisés.
6. Déterminer la longueur d'onde puis l'énergie des photons diffusés à un angle θ=45,0°.
7. En appliquant le principe de conservation de l'énergie, déterminer, pour cet angle, l'énergie de l'électron arraché au cristal.
Données
Constante de Planck : h=6,63×10−34 J·s
Célérité de la lumière dans le vide : c=3,00×108 m·s-1
Masse d'un électron : me=9,11×10−31 kg
Conversion d'unités : 1 eV =1,60×10−19 J
Ressource affichée de l'autre côté. Faites défiler pour voir la suite.
31
Charge d'une batterie
✔ RAI/MOD : Utiliser avec rigueur le modèle de l'énergie ✔ APP : Extraire l'information utile
On souhaite mettre en place une installation photovoltaïque sur le toit d'une maison à Avignon. La consommation d'électricité étant bien plus faible en journée qu'en soirée, il est nécessaire d'installer une batterie.
Dans le doc. 1, on donne les caractéristiques courant‑tension des panneaux utilisés pour différentes irradiances (ou flux lumineux surfaciques). On réalise l'étude pour une journée du mois de juillet.
1. Si l'on considère que, toute la journée, l'irradiance reste constante et égale à 1,0 kW·m-2, déterminer la durée moyenne d'ensoleillement quotidien.
Sachant que la tension aux bornes de la batterie est de 24 V, déterminer la valeur du courant fourni par le panneau à la batterie.
3. En déduire la charge électrique Qp fournie par le panneau solaire à la batterie en une journée. Donner le résultat en ampère‑heure (A·h).
4. La batterie utilisée a une capacité électrique Qmax=230 A·h et un rendement en charge η=85 %. Déterminer le nombre de panneaux solaires nécessaires pour charger entièrement la batterie en une journée durant le mois de juillet à Avignon.
Doc. 1
Caractéristiques intensité‑tension
Le zoom est accessible dans la version Premium.
Doc. 2
Capacité électrique
La capacité électrique d'une batterie est la charge maximale qu'elle peut fournir. Le rendement en charge définit le rapport entre la charge électrique restituée lors de la décharge et la charge électrique reçue lors de la charge.
Données
Conversions d'unités :1 W·h =3600 J et 1 A·h =3600 C
Énergie de rayonnement surfacique reçue durant une journée du mois de juillet à Avignon :ε=6,6 kW·h·m-2
Une erreur sur la page ? Une idée à proposer ?
Nos manuels sont collaboratifs, n'hésitez pas à nous en faire part.
Oups, une coquille
j'ai une idée !
Nous préparons votre pageNous vous offrons 5 essais
Yolène
Émilie
Jean-Paul
Fatima
Sarah
Utilisation des cookies
Lors de votre navigation sur ce site, des cookies nécessaires au bon fonctionnement et exemptés de consentement sont déposés.