Chapitre 4
Exercices
Le repaire des initiés
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14Les variations saisonnières selon les villes
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Compétence
✔ Analyser, interpréter et représenter graphiquement des données de températures et calculer des moyennes temporelles
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Doc.Tableau de relevés de certains paramètres d'ensoleillement dans différentes villes françaises
La hauteur du Soleil est l'angle formé par la droite passant par l'observateur et le Soleil et celle passant par l'observateur
et le projeté du Soleil sur la ligne de l'horizon. Plus sa valeur est importante, plus le Soleil apparaît haut dans le ciel.
| Ville | Latitude | Durée de la journée au solstice d'été | Hauteur du Soleil à midi au solstice d'été | Durée de la journée au solstice d'hiver | Hauteur du Soleil à midi au solstice d'hiver |
|---|---|---|---|---|---|
| Lille | 50° 38' | 16 h 15 min | 62,8° | 7 h 45 min | 15,9° |
| Paris | 48° 50' | 15 h 48 min | 64,6° | 8 h 02 min | 17,7° |
| Lyon | 45° 46' | 15 h 32 min | 67,7° | 8 h 28 min | 20,8° |
| Bordeaux | 44° 50' | 15 h 24 min | 68,6° | 8 h 36 min | 21,7° |
| Marseille | 43° 17' | 15 h 13 min | 70,2° | 8 h 47 min | 23,3° |
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Questions
1. Représentez sur un même graphique la durée de la journée ainsi que la hauteur du Soleil à midi au solstice d'été en
fonction de la latitude. Déduisez-en l'effet de la latitude sur la réception d'énergie solaire pour ce jour de l'année.
2. Même question pour le solstice d'hiver.
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15L'inégale répartition de l'énergie solaire entre l'équateur et les pôles
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Compétence
✔ Identifier les configurations pour lesquelles la puissance reçue par une surface est maximale ou minimale
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On veut tester l'hypothèse selon laquelle la différence de température moyenne entre les pôles et l'équateur serait liée
à une distance au Soleil plus ou moins grande.
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Protocole expérimental :
- Positionner le smartphone et la lampe de poche à une distance de 8 m l'un de l'autre.
- Mesurer l'intensité lumineuse à l'aide de l'application Phyphox.
- Refaire la mesure en augmentant la distance de 1 cm.
Liste du matériel disponible :
- une lampe de poche ;
- un mètre ruban ;
- un smartphone muni de l'application Phyphox.
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Questions
1. Réalisez le protocole et relevez les deux valeurs d'éclairement mesurées.
2. Sachant que la distance Terre-Soleil est de 150 000 000 km et le rayon terrestre égal à 6 370 km, précisez la distance
que l'on devrait prendre entre la lampe de poche et le smartphone pour respecter l'échelle.
3. Concluez quant à l'impact de la différence de distance entre les pôles et le Soleil, et entre l'équateur et le Soleil.
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16Les caractéristiques du globe et la répartition de l'énergie solaire
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Compétence
✔ Identifier les configurations pour lesquelles la puissance reçue par une surface est maximale ou minimale
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La puissance solaire reçue par unité de surface terrestre dépend de l'heure, du moment de l'année et de la latitude.
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Question
Présentez les caractéristiques du globe terrestre permettant d'expliquer les variations de la puissance solaire reçue par
unité de surface et ses conséquences. Votre réponse sera présentée sous la forme d'un tableau consignant les caractéristiques
du globe et ses conséquences sur la répartition de la puissance solaire à la surface de la Terre.
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17Des planètes sans saison
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Compétence
✔ Identifier les configurations pour lesquelles la puissance reçue par une surface est maximale ou minimale
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Doc.Représentation des huit planètes du Système solaire avec leurs axes
de rotation respectifs
Les échelles relatives ne sont pas respectées.
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Questions
Les huit planètes du Système solaire présentent
des inclinaisons de leur axe de rotation
bien différentes.
1. Rappelez la conséquence de l'inclinaison de 23,4° de l'axe de rotation de la Terre sur l'ensoleillement des hémisphères au cours d'une année.
2. En justifiant la réponse par un schéma, identifiez
les planètes présentant des saisons
peu marquées (pratiquement absentes).
Caractérisez une planète qui présenterait
une absence complète de saisons.
3. À l'aide d'un schéma, proposez des conséquences attendues pour Uranus.
1. Rappelez la conséquence de l'inclinaison de 23,4° de l'axe de rotation de la Terre sur l'ensoleillement des hémisphères au cours d'une année.
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3. À l'aide d'un schéma, proposez des conséquences attendues pour Uranus.
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18« Dark side of tanning » : des campagnes chocs pour enrayer un fléau
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Compétence
✔ Étudier des effets de l'exposition au rayonnement solaire
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L'Australie, et sa voisine la Nouvelle-Zélande, détiennent un triste record : celui du nombre
de cancers de la peau. Aujourd'hui, 2 Australiens sur 3 en développeront un avant 70 ans et
près de 2 000 d'entre eux en meurent chaque année.
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Doc. 1Épaisseur de la couche d'ozone
au-dessus de l'Australie en novembre
2022
L'ozone est un gaz filtrant la totalité des UVC, la grande majorité des UVB et une partie des UVA.
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Doc. 2Répartition des ascendances déclarées lors du recensement
de 2016 en Australie
La mélanine est un pigment de la peau qui protège l'ADN des lésions provoquées par les UVB. La couleur de la peau dépend de la quantité de mélanine produite, facteur en grande partie déterminé génétiquement.
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Question
À l'aide des documents et de vos connaissances, expliquez
pourquoi la population australienne est davantage
touchée par les cancers de la peau que le reste de la
population mondiale.
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19La loi de Stefan-Boltzmann
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Compétence
✔ Relever la longueur d'onde d'émission maximale \lambda_{\max } à partir d'un spectre
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La loi de Stefan-Boltzmann permet de calculer la puissance
surfacique P_{\mathrm{s}} émise par un astre en fonction de
sa température de surface T. Cette loi, accompagnée de
la loi de Wien et de l'information du rayon de l'astre,
permet aux astrophysiciens de calculer la puissance du
rayonnement émis par les étoiles.
La loi de Stefan-Boltzmann s'écrit sous la forme :
On peut trouver la puissance P de rayonnement de l'étoile en multipliant la puissance surfacique P_{\mathrm{s}} par la surface S de l'étoile.
La loi de Stefan-Boltzmann s'écrit sous la forme :
\begin{array}{l|l}
P_{\mathrm{s}}=\sigma \cdot T^4 & \begin{array}{l}
P_{\mathrm{s}}: \text { puissance surfacique }\left(\mathrm{W} \cdot \mathrm{m}^{-2}\right) \\
T: \text { température de surface }(\mathrm{K}) \\
\sigma: \text { constante de Stefan-Boltzmann } \\
\text { égale à } 5,67 \times 10^{-8} \mathrm{~W} \cdot \mathrm{m}^{-2} \cdot \mathrm{K}^{-4}
\end{array}
\end{array}
On peut trouver la puissance P de rayonnement de l'étoile en multipliant la puissance surfacique P_{\mathrm{s}} par la surface S de l'étoile.
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- Constante de Wien : \beta=2,90 \times 10^{-3} \mathrm{~m} \cdot \mathrm{K}
- Célérité de la lumière dans le vide : c=3,00 \times 10^8 \mathrm{~m} \cdot \mathrm{s}^{-1}
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Doc. 1Propriétés géométriques d'une sphère
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Doc. 2Spectre du rayonnement solaire reçu par la Terre
Ce spectre a été mesuré depuis l'ISS, avant que le rayonnement ne soit en partie absorbé par l'atmosphère.
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Doc. 3Carte d'identité du Soleil
- Rayon moyen : 6,96 \times 10^5 \mathrm{~km}
- Circonférence moyenne : 4,38 \times 10^6 \mathrm{~km}
- Masse : 1,99 \times 10^{30} \mathrm{~kg}
- Masse volumique : 1,41 \mathrm{~g} \cdot \mathrm{cm}^{-3}
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Questions
1. En considérant le Soleil comme un corps noir, calculez sa température T de surface.
2. À l'aide de la loi de Stefan-Boltzmann, calculez la puissance surfacique P_{\mathrm{S}} du rayonnement solaire.
3. Déduisez des calculs précédents et de l'énoncé la puissance P du rayonnement solaire, c'est-à-dire l'énergie E
émise en une seconde.
4. S achant que la relation d'Einstein correspond à E=m \cdot c^2, calculez la masse m de Soleil convertie en énergie
chaque seconde.
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Exercice numériqueLa température de Proxima du Centaure
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Compétences
✔ Appliquer la loi de Wien pour déterminer la température de surface d'une étoile
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Doc.Puissance surfacique par unité de longueur d'onde émise
par Proxima du Centaure.
Proxima du Centaure est l'étoile la plus proche du Soleil
bien qu'elle en soit séparée par plus de 40 000 milliards
de kilomètres ! De par sa couleur et sa température, Proxima
du Centaure fait partie des étoiles dites de type M.
On a représenté son spectre ci-contre.
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- Constante de Wien : \beta=2,90 \times 10^{-3} \mathrm{~m} \cdot \mathrm{K}
- Loi de Stefan-Boltzmann : P_S=\sigma \cdot T^4
- Constante de Stefan-Boltzmann : \sigma=5,67 \times 10^{-8} \mathrm{~W} \cdot \mathrm{m}^{-2} \cdot \mathrm{K}^{-4}
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Question
Déterminez la puissance surfacique P_s émise par Proxmia du Centaure.