Enseignement scientifique 1re - 2023

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Esprit critique
Une longue histoire de la matière
Ch. 1
Les éléments chimiques
Ch. 2
Les cristaux, des édifices ordonnés
Ch. 3
Une structure complexe : la cellule
Le Soleil, notre source d'énergie
Ch. 5
Le bilan radiatif terrestre
Ch. 6
Énergie solaire, photosynthèse et nutrition
Ch. 7
Énergie solaire et humanité
La Terre, un astre singulier
Ch. 8
La forme de la Terre
Ch. 9
L’Histoire de l'âge de la Terre
Ch. 10
La Terre dans l'Univers
Son et musique, porteurs d'information
Ch. 11
Son et musique
Ch. 12
Le son, une information à coder
Ch. 13
Entendre et protéger son audition
Projet expérimental et numérique
Livret Maths
Annexes
Chapitre 4
Activité 1 - documentaire

La machine Soleil

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Introduction

En raison des réactions nucléaires ayant lieu en son sein, le Soleil émet des ondes électromagnétiques. Ces dernières sont en partie interceptées par la surface et l'atmosphère de la Terre. Leur étude permet de déterminer la température de surface de notre étoile ainsi que la puissance qu'elle émet.

Comment peut-on déterminer la puissance émise par le Soleil à partir de l'étude de son spectre d'émission ?
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Ce que j'ai déjà vu

  • La modélisation d'une réaction nucléaire
  • Les spectres électromagnétiques
  • Le lien entre couleur spectrale et longueur d'onde
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Documents

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Doc. 1
La puissance rayonnée par le Soleil

Au cœur du Soleil, des réactions nucléaires transforment en permanence des noyaux d'hydrogène { }_1^1 \mathrm{H} en noyaux d'hélium { }_2^4 \mathrm{He}. Ces réactions s'accompagnent d'une libération d'énergie qui maintient une température très élevée au sein de l'étoile.

À sa surface, le Soleil donc est suffisamment chaud pour émettre des ondes électromagnétiques dans le domaine du visible. Ces ondes se propagent dans l'espace et une partie arrive jusqu'à la Terre.

Placeholder pour Solar Orbiter devant le soleilSolar Orbiter devant le soleil
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Vue d'artiste du satellite Solar Orbiter passant devant le Soleil.
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Doc. 2
La relation d'Einstein

Il s'agit peut-être de la relation mathématique la plus célèbre du monde de la physique :

\begin{array}{l|l} & E: \text {énergie (J) }\\ E=m \cdot c^2 & m: \text {masse (kg)}\\ & c: \text {célérité de la lumière}\left(\mathrm{m} \cdot \mathrm{s}^{-1}\right) \end{array}

La relation d'Einstein établit une équivalence entre l'énergie E d'un système et sa masse m. Lorsqu'une transformation nucléaire conduit à une diminution de masse \Delta m du système de l'énergie est libérée E_{\text {libérée}} et se propage vers l'espace.

Placeholder pour Albert EinsteinAlbert Einstein
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Albert Einstein
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Doc. 3
Les spectres d'émission de corps noirs et le spectre solaire reçu par la Terre

Quelques spectres d'émission d'objets incandescents assimilés à des corps noirs à différentes températures
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Quelques spectres d'émission d'objets incandescents assimilés à des corps noirs à différentes températures.

Le spectre du
rayonnement solaire mesuré depuis la Station Spatiale Internationale (ISS) avant qu'il ne pénètre dans l'atmosphère terrestre.
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Le spectre du rayonnement solaire mesuré depuis la Station Spatiale Internationale (ISS) avant qu'il ne pénètre dans l'atmosphère terrestre.
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Doc. 4
La loi de Wien

Pour des objets incandescents idéaux appelés corps noirs, le spectre d'émission ne dépend que de la température de l'objet selon la loi de Planck. Lorsque l'on mesure ce spectre pour différentes températures, comme présenté dans le doc. 3, on constate que plus l'objet est chaud, plus la longueur d'onde correspondant au maximum d'émission est faible.

La loi de Wien permet de traduire cette observation :

\begin{array}{l|l} & \lambda_{\max } : \text {longueur d'onde du maximum d'émission (m)} \\ \lambda_{\max }=\frac{\beta}{T} & T \text { : température de surface }(\mathrm{K}) \\ & \beta : \text {constante de Wien égale à }  2,898 \times 10^{-3} \mathrm{~m} \cdot \mathrm{K} \end{array}
Plus un corps possède une température élevée, plus le maximum du rayonnement émis est caractérisé par une faible longueur d'onde.
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Doc. 5
La classification spectrale des étoiles

L'étude du spectre d'émission d'une étoile illustre le lien entre sa température de surface T et sa couleur. La classification de Harvard, créée au XXe siècle, classe les différentes étoiles selon leur spectre d'émission. Les principaux types spectraux sont notés \mathrm{O}, \mathrm{B}, \mathrm{A}, \mathrm{F}, \mathrm{G}, \mathrm{K} et \mathrm{M} ; chaque type spectral possédant lui-même 10 sous-catégories. Au fur et à mesure de la découverte de nouvelles étoiles, la classification a progressivement été étendue à huit autres types.

Quelques spectres d'émission d'objets incandescents assimilés à des corps noirs à différentes températures
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Doc. 6
La loi de Stefan-Boltzmann

Le Soleil émet une puissance surfacique P_{\mathrm{s}} considérable à sa surface. Dans le cas d'un corps noir, la puissance surfacique est reliée à la température T de surface du corps par la loi de Stefan-Boltzmann. Cette loi précise que la puissance surfacique P_{\mathrm{s}} émise est proportionnelle à la puissance quatrième de la température :

\begin{array}{l|l} & P_{\mathrm{s}}: \text {puissance surfacique émise}\left(\mathrm{W} \cdot \mathrm{m}^{-2}\right) \\ P_{\mathrm{s}}=\sigma \cdot T^4 & T \text {: température de surface }(\mathrm{K}) \\ & \sigma: \text {constante de Stefan-Boltzmann égale à } 5,67 \times 10^{-8} \mathrm{~W} \cdot \mathrm{m}^{-2} \cdot \mathrm{K}^{-4} \end{array}
Plus un corps possède une température élevée, plus la puissance émise par unité de surface est importante.

Représentation graphique de la loi de Stefan-Boltzmann.
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Représentation graphique de la loi de Stefan-Boltzmann.
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Vocabulaire

Corps noir : système idéal absorbant toute la lumière qu'il reçoit et qui, en retour, émet un rayonnement appelé rayonnement du corps noir dépendant de sa température de surface.

Puissance surfacique : puissance émise ou absorbée par un mètre carré du système considéré.
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Questions

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1. Doc. 1 Rappelez le type de réaction nucléaire qui se produit dans le Soleil.
2. Doc. 2 Précisez comment évolue la masse du Soleil au cours du temps.
3. Doc. 3 Identifiez la longueur d'onde \lambda_{\max } correspondant au maximum d'émission du Soleil.
4. Doc. 4 Déduisez-en graphiquement, puis par calcul, la température de la surface T du Soleil.
5. Doc. 5 Déterminez le type d'étoile auquel appartient le Soleil selon la classification de Harvard.
6. Doc. 6 Calculez la puissance surfacique P_{\mathrm{s}} émise au niveau de la surface du Soleil. Comparez cette valeur à la puissance surfacique solaire reçue par la Terre et qui ne traverse pas l'atmosphère, à savoir 1360 W·m-2. Proposez une explication.
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