Physique-Chimie Terminale Spécialité
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Préparation aux épreuves du Bac
1. Constitution et transformations de la matière
Ch. 1
Modélisation des transformations acide-base
Ch. 2
Analyse physique d'un système chimique
Ch. 3
Méthode de suivi d'un titrage
Ch. 4
Évolution temporelle d'une transformation chimique
Ch. 5
Évolution temporelle d'une transformation nucléaire
BAC
Thème 1
Ch. 6
Évolution spontanée d'un système chimique
Ch. 7
Équilibres acide-base
Ch. 8
Transformations chimiques forcées
Ch. 9
Structure et optimisation en chimie organique
Ch. 10
Stratégies de synthèse
BAC
Thème 1 bis
2. Mouvement et interactions
Ch. 11
Description d'un mouvement
Ch. 12
Mouvement dans un champ uniforme
Ch. 13
Mouvement dans un champ de gravitation
Ch. 14
Modélisation de l'écoulement d'un fluide
BAC
Thème 2
3. Conversions et transferts d'énergie
Ch. 15
Étude d’un système thermodynamique
Ch. 16
Bilans d'énergie thermique
BAC
Thème 3
4. Ondes et signaux
Ch. 17
Propagation des ondes
Ch. 18
Interférences et diffraction
Ch. 19
Lunette astronomique
Ch. 20
Effet photoélectrique et enjeux énergétiques
Ch. 21
Évolutions temporelles dans un circuit capacitif
BAC
Thème 4
Annexes
Ch. 22
Méthode
Chapitre 20
Exercices
Pour s'entraîner
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- Constante de Planck : h=6{,}63 \times 10^{-34} J·s
- Célérité de la lumière dans le vide : c=3,00 \times 10^{8} m·s-1
- Charge élémentaire : e=1{,}60 \times 10^{-19} C
- Conversion d'unités : 1 eV =1{,}60 \times 10^{-19} J
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24Fonctionnement 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.
2. Reproduire le diagramme énergétique du néon et représenter la transition énergétique effectuée lors de l'émission d'un photon.
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3. Calculer la longueur d'onde du photon émis lors de cette transition.
4. Expliquer l'expression « couleur pure ».
4. Expliquer l'expression « couleur pure ».
Doc. 1
Faisceau de lumière particulier
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.
Doc. 2
Laser hélium-néon
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
Diagramme énergétique du néon
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25Rendement 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 λ = 490 nm et dont la puissance du rayonnement vaut P = 4{,}50 \times 10^{-7} W. Le travail d'extraction du potassium est \varPhi = 2{,}29 eV.
On éclaire la cathode d'une cellule photoélectrique au potassium par une source lumineuse de longueur d'onde λ = 490 nm et dont la puissance du rayonnement vaut P = 4{,}50 \times 10^{-7} W. Le travail d'extraction du potassium est \varPhi = 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.
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.
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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26Nombre de panneaux solaires
✔ RAI/MOD : Utiliser avec rigueur le modèle de l'énergie
Un panneau solaire fournit une puissance électrique P_\mathrm{e} = 180 W. Son rendement est de 13 % quand l'irradiance φ, c'est-à-dire le flux de rayonnement surfacique, est de 1{,}0 kW·m-2.
Un panneau solaire fournit une puissance électrique P_\mathrm{e} = 180 W. Son rendement est de 13 % quand l'irradiance φ, c'est-à-dire le flux de rayonnement surfacique, est de 1{,}0 kW·m-2.
1. Calculer la puissance lumineuse reçue.
2. En déduire la surface S du panneau solaire.
On souhaite réaliser une installation photovoltaïque qui fournira une puissance électrique de 2{,}1 kW, à l'aide de ce type de panneau.
3. Déterminer le nombre de panneaux et la surface totale de l'installation.
2. En déduire la surface S du panneau solaire.
On souhaite réaliser une installation photovoltaïque qui fournira une puissance électrique de 2{,}1 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 pt
1.
Utiliser la formule du rendement.0,5 pt
Effectuer l'application numérique et exprimer le résultat avec deux chiffres significatifs.1 pt
2.
Exprimer P_{\text{lum}} en fonction de \varphi et S.0,5 pt
Effectuer l'application numérique et exprimer le résultat avec deux chiffres significatifs.2 pt
3.
Effectuer les applications numériques et exprimer les résultats avec deux chiffres significatifs.Ressource affichée de l'autre côté.
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27Expérience 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 · 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 \varPhi_{0} et la fréquence ν du rayonnement.
3. Expliquer comment les courbes du doc. 4 permettent de déterminer la fréquence seuil du matériau et la constante de Planck.
2. Rappeler la relation entre l'énergie cinétique E_{\mathrm{c}} d'un électron extrait, le travail d'extraction \varPhi_{0} et la fréquence ν 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
Montage expérimental de Millikan
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
Résultats obtenus (1)
Évolution de I = f(U) pour différents flux lumineux, à fréquence constante.
Doc. 3
Résultats obtenus (2)
Évolution de I = f(U) pour différentes fréquences, à intensité lumineuse constante.
Doc. 4
Résultats obtenus (3)
Évolution de e · U_{0}=f(\nu) pour différents matériaux à intensité lumineuse fixée.
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28
Copie d'élève à commenter
Proposer une justification pour chaque erreur relevée par le correcteur.
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 φ = 700 W·m-2.
1. Calculer l'énergie des photons arrivant sur la cellule de longueur d'onde λ = 550 nm.
L'énergie du photon est égale à :
E=\frac{h · c}{\lambda}
AN : E=\frac{6{,}63 \times 10^{-34} \times 3{,}00 \times 10^{8}}{550 \times 10^{-9}}
E=3{,}61 \times 10^{-19}\: \xcancel{\mathrm{eV}}
E=3{,}61 \times 10^{-19}\: \xcancel{\mathrm{eV}}
2. Calculer la puissance lumineuse reçue.
La puissance lumineuse reçue est :
P_{\text{lum}}=\varphi · S
AN : P_{\operatorname{lum}}=700 \times \xcancel{40}=\xcancel{28~000} \:\mathrm{W}
3. Calculer le nombre de photons reçus en 1 s.
Le nombre de photons reçus par la cellule en 1 s est égal :
N=\frac{P_{\operatorname{\xcancel{lum}}}}{E} Inhomogène.
AN : N=\xcancel{\frac{28~000}{3{,}61 \times 10^{-19}}}=\xcancel{7{,}76 \times 10^{22}}
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ARendement 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}}).
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
| Tension de fonctionnement (V) | 1{,}4 |
| Courant de fonctionnement (mA) | 100 |
| Longueur d'onde d'émission (nm) | 890 |
| Puissance lumineuse (mW) | 50 |
| Température de fonctionnement (°C) | -40 à 85 |
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BPompage 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.
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.
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 : \varphi=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
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j'ai une idée !
Oups, une coquille
