Exercices




Savoir-faire - Parcours d'apprentissage

Savoir identifier un domaine spectral à l’aide d’une échelle de fréquences ou de longueurs d’onde :
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Connaître et utiliser l’expression donnant l’énergie d’un photon :
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Mettre en œuvre un protocole expérimental permettant d’obtenir un spectre d’émission :
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Exploiter un diagramme de niveaux d’énergie en utilisant les relations λ=cν\lambda=\dfrac{c}{\nu} et ΔE=hν\Delta E=h \cdot \nu :
DIFF
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Une notion, trois exercices


DIFFÉRENCIATION
Savoir-faire : Exploiter un diagramme de niveaux d’énergie en utilisant les relations λ=cν\lambda=\dfrac{c}{\nu} et ΔE=hν\Delta E=h \cdot \nu

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L’atome d’hydrogène : série de Paschen

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APP : Extraire une information utile

1. Déterminer la différence d’énergie ΔE\Delta E, en eV, associée au passage de l’électron du niveau d’énergie 7 au niveau d’énergie 3.


2. Exprimer cette différence ΔE\Delta E en joule.


3. Que devient cette énergie cédée par l’atome ?


4. Déterminer la fréquence, puis la longueur d’onde de la radiation associée.

Doc. 1
Diagramme des niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène

Diagramme des niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène
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L’atome d’hydrogène : série de Balmer

APP : Maîtriser le vocabulaire

1. Déterminer la différence d’énergie ΔE\Delta E, en joule, associée à la transition d’énergie entre les niveaux 3 et 2.


2. Déterminer la fréquence, puis la longueur d’onde de la radiation émise.


3. À quel domaine appartient la radiation émise ?

INFO :

L’hydrogène est l’élément majeur de l’Univers. Tandis que le gaz dihydrogène est très utilisé dans l’industrie du pétrole pour ses propriétés chimiques, on utilise l’atome d’hydrogène en laboratoire afin de régler précisément d’autres appareils à l’aide d’une lampe à décharge.
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L’atome d’hydrogène : série de Lyman

RAI/ANA : Construire un raisonnement, communiquer sur les étapes

Certaines galaxies émettent une raie dite « Lyman-alpha » de longueur d’onde λ=121,6\lambda=121\text{,}6 (doc. 1).

Déterminer la transition responsable de cette émission.

Le modèle ondulatoire

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11
Le laser chirurgical au dioxyde de carbone CO2\bf{\mathrm{CO}_{2}}

APP : Formuler un résultat attendu

Le laser au CO2\mathrm{CO}_{2} existe depuis 1964. Sa puissance pouvant atteindre un kilowatt, on l’utilise pour le découpage et les soudures industrielles. Toutefois, il est également utilisé en chirurgie médicale car il opère à une longueur d’onde très bien absorbée par la peau.

Déterminer la longueur d’onde et le domaine auquel il appartient sachant que le laser fonctionne à une fréquence de 28,328\text{,}3 THz.


Données

  • Constante de Planck : h=6,63×1034h=6\text{,}63 \times 10^{-34} J·s ;
  • 11 eV =1,60×1019=1\text{,}60 \times 10^{-19} J ;
  • Célérité de la lumière dans le vide : c=3,00×108c=3\text{,}00 \times 10^{8} m·s-1.
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10
La photodiode

APP : Extraire une information utile

Une photodiode est un composant semi-conducteur capable de générer un courant électrique à partir d’un rayonnement électromagnétique.

La photodiode

1. À l’aide du graphique de la sensibilité relative SR=f(λ)S_{\mathrm{R}}=\mathrm{f}(\lambda), indiquer pour quelle longueur d'onde la photodiode est la plus efficace. Indiquer le domaine auquel elle appartient.


2. La photodiode peut-elle détecter les radiations infrarouges ? ultraviolettes ? Expliquer.

Le modèle particulaire

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12
La thermographie (infrarouge)

RAI/ANA : Associer les unités de mesure à leurs grandeurs correspondantes

Utilisée dans de nombreux domaines, la thermographie permet de visualiser à distance la température d’un objet ou d’une personne. En médecine, l’imageur transforme le rayonnement infrarouge mesuré dans une bande spectrale comprise entre 22 et 55 μ\mum en un signal électrique pour le coder ensuite en fausse couleur.

La thermographie (infrarouge)


Calculer la bande de fréquence et d’énergie du photon détecté.
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13
La radiothérapie

RAI/ANA : Associer les unités de mesure à leurs grandeurs correspondantes

La radiothérapie est un traitement local contre le cancer. Avec l’aide d’un accélérateur linéaire, on expose une personne à un rayonnement ionisant d’une fréquence voisine de 3×10203 \times 10^{20} Hz pour bloquer la capacité des cellules cancérigènes à se multiplier.

La radiothérapie

1. Calculer l’énergie transportée par le photon en MeV.


2. Comparer sa valeur avec celle du visible (22 eV en moyenne) et l’infrarouge (exercice
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). Conclure.

Pour s'échauffer

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Données

  • Constante de Planck : h=6,63×1034h=6\text{,}63 \times 10^{-34} J·s ;
  • 11 eV =1,60×1019=1\text{,}60 \times 10^{-19} J ;
  • Célérité de la lumière dans le vide : c=3,00×108c=3\text{,}00 \times 10^{8} m·s-1.

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Expression de l’énergie d’un photon (1)

Un lecteur Blu-ray utilise un laser de fréquence 7,41×1057\text{,}41 \times 10^{5} GHz.

Calculer l’énergie (J) et la longueur d’onde (nm) du photon correspondant.


6
Domaine spectral

Indiquer à quel domaine spectral appartiennent les ondes utilisées par les appareils suivants : routeur Wi‑Fi, scanner de bagages à l’aéroport, phare de voiture et télécommande de télévision.


7
Expression de l’énergie d’un photon (2)

Calculer l’énergie en joule (J) puis en électron-volt (eV) d’un photon issu d’un pointeur laser de longueur d’onde λ=650\lambda=650 nm.

Doc. 1
Diagramme des niveaux d’énergie de l’atome de potassium

Diagramme des niveaux d’énergie de l’atome de potassium
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8
Exploiter un diagramme d’énergie

Préciser l’état dans lequel se trouve l’électron pour chaque niveau d’énergie du doc. 1.


9
Expression de l’énergie d’un photon (3)

Doc. 1 Calculer la variation d’énergie ΔE\Delta E entre les niveaux EaE_{\mathrm{a}} à Ec.E_{\mathrm{c}}. Puis, convertir et exprimer sa valeur en joule. Enfin, préciser quels sont les deux phénomènes possibles liés à cette différence d’énergie.

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