Chapitre 6 | Première STI2D — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie
Dernière mise à jour : 21 octobre 2026
Exercices progressifs corrigés. Cherche chaque exercice avant de dérouler la correction. On rappelle : \(E=\dfrac{P}{S}\) (en W·m⁻²), \(P=E\times S\), \(\eta=\dfrac{P_{élec}}{P_{reçue}}\).
(a) Qu'appelle-t-on irradiance (ou éclairement énergétique) ? Dans quelle unité SI s'exprime-t-elle ?
(b) Citer deux appareils permettant de la mesurer.
(c) Vrai ou faux : « l'irradiance est une puissance ». Justifier.
(a) L'irradiance est la puissance lumineuse reçue par unité de surface : \(E=P/S\), en W·m⁻².
(b) Le pyranomètre et le solarimètre.
(c) Faux : l'irradiance est une puissance par mètre carré (W·m⁻²), pas une puissance (W). C'est la puissance \(P=E\times S\) reçue par une surface qui s'exprime en watts.
Une lampe éclaire uniformément un panneau de surface \(S=0{,}50\ \text{m}^2\) et lui apporte une puissance lumineuse \(P=225\ \text{W}\).
Calculer l'irradiance \(E\) reçue par le panneau.
\(E=\dfrac{P}{S}=\dfrac{225}{0{,}50}=450\ \text{W·m}^{-2}\).
Par ciel clair, un pyranomètre indique une irradiance \(E=920\ \text{W·m}^{-2}\).
(a) Calculer la puissance lumineuse reçue par un toit de \(S=25\ \text{m}^2\).
(b) Calculer la puissance reçue par une petite cellule de \(S=100\ \text{cm}^2\) (penser à convertir en m²).
(a) \(P=E\times S=920\times25=23\,000\ \text{W}=23\ \text{kW}\).
(b) \(S=100\ \text{cm}^2=100\times10^{-4}=1{,}0\times10^{-2}\ \text{m}^2\). \(P=920\times1{,}0\times10^{-2}=9{,}2\ \text{W}\).
Un capteur solaire reçoit une puissance lumineuse \(P=1\,200\ \text{W}\) sous une irradiance \(E=800\ \text{W·m}^{-2}\).
Déterminer l'aire \(S\) de la surface du capteur.
De \(P=E\times S\) on tire \(S=\dfrac{P}{E}=\dfrac{1\,200}{800}=1{,}5\ \text{m}^2\).
Un pointeur laser émet une puissance \(P=5{,}0\ \text{mW}\) sur un spot circulaire de rayon \(r=0{,}80\ \text{mm}\).
(a) Convertir \(P\) et \(r\) en unités SI.
(b) Calculer l'aire du spot \(S=\pi r^2\).
(c) En déduire l'irradiance \(E\) du faisceau.
(d) Comparer à l'irradiance solaire au sol (\(\approx1\,000\ \text{W·m}^{-2}\)). Quelle précaution en tirer ?
(a) \(P=5{,}0\times10^{-3}\ \text{W}\) ; \(r=0{,}80\times10^{-3}\ \text{m}\).
(b) \(S=\pi r^2=\pi\times(0{,}80\times10^{-3})^2\approx2{,}0\times10^{-6}\ \text{m}^2\).
(c) \(E=\dfrac{P}{S}=\dfrac{5{,}0\times10^{-3}}{2{,}0\times10^{-6}}=2{,}5\times10^{3}\ \text{W·m}^{-2}\).
(d) C'est environ 2,5 fois l'irradiance solaire au sol, concentrée sur un point minuscule : dangereux pour l'œil. Ne jamais viser les yeux, porter des lunettes adaptées.
(a) Citer les trois principales caractéristiques de la lumière émise par un laser.
(b) Expliquer, à l'aide de la relation \(E=P/S\), pourquoi un laser de faible puissance peut être dangereux.
(c) Donner deux domaines d'utilisation du laser selon sa puissance.
(a) Lumière monochromatique (une seule longueur d'onde), directive (faisceau étroit peu divergent), cohérente (ondes en phase).
(b) La puissance se concentre sur une surface \(S\) minuscule ; comme \(E=P/S\), diviser par un très petit \(S\) donne une irradiance \(E\) très grande, même si \(P\) est faible. L'œil reçoit donc une énergie concentrée qui peut brûler la rétine.
(c) Faible puissance : pointeurs, lecture de codes-barres, lecteurs optiques. Forte puissance : découpe/soudure en métallerie, chirurgie (santé).
Un panneau de surface \(S=1{,}5\ \text{m}^2\) est exposé à une irradiance \(E=1\,000\ \text{W·m}^{-2}\). À son point de fonctionnement optimal, il débite \(I=7{,}5\ \text{A}\) sous \(U=32\ \text{V}\).
(a) Calculer la puissance lumineuse reçue \(P_{reçue}\).
(b) Calculer la puissance électrique produite \(P_{élec}=U\times I\).
(c) En déduire le rendement \(\eta\) du panneau (en %).
(d) Vérifier que \(\eta\le 1\).
(a) \(P_{reçue}=E\times S=1\,000\times1{,}5=1\,500\ \text{W}\).
(b) \(P_{élec}=U\times I=32\times7{,}5=240\ \text{W}\).
(c) \(\eta=\dfrac{P_{élec}}{P_{reçue}}=\dfrac{240}{1\,500}=0{,}16=16\ \%\).
(d) \(\eta=0{,}16\le 1\) : cohérent (on ne produit pas plus d'électricité qu'on ne reçoit de lumière).
Un lycée veut installer une mini-centrale photovoltaïque sur un toit de surface disponible \(S=40\ \text{m}^2\). On utilise des panneaux de rendement \(\eta=0{,}18\). On se place dans les conditions standard : irradiance \(E=1\,000\ \text{W·m}^{-2}\).
(a) Calculer la puissance lumineuse totale reçue \(P_{reçue}\) sur les \(40\ \text{m}^2\).
(b) En déduire la puissance électrique \(P_{élec}\) que peut produire l'installation.
(c) Sur une journée d'ensoleillement de 5 heures à cette puissance, calculer l'énergie électrique \(W\) produite (en kWh). On rappelle \(W=P_{élec}\times\Delta t\).
(d) Un installateur mesure au solarimètre, un jour de brume, \(E'=350\ \text{W·m}^{-2}\). Quelle puissance électrique l'installation produit-elle alors ? Commenter.
(a) \(P_{reçue}=E\times S=1\,000\times40=40\,000\ \text{W}=40\ \text{kW}\).
(b) \(P_{élec}=\eta\times P_{reçue}=0{,}18\times40\,000=7\,200\ \text{W}=7{,}2\ \text{kW}\).
(c) \(W=P_{élec}\times\Delta t=7{,}2\ \text{kW}\times5\ \text{h}=36\ \text{kWh}\).
(d) Nouvelle puissance reçue : \(P'_{reçue}=350\times40=14\,000\ \text{W}\). Puissance électrique : \(P'_{élec}=0{,}18\times14\,000=2\,520\ \text{W}\approx2{,}5\ \text{kW}\). La production chute fortement (environ 3 fois moins) car elle est proportionnelle à l'irradiance : par temps couvert, une centrale produit beaucoup moins.