Chapitre 6 – Énergie transportée par la lumière

Chapitre 6 | Première STI2D — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026

⏱ Durée de lecture estimée : ~20 min

Illustration : Des élèves éclairent un petit panneau photovoltaïque et relèvent des mesures avec des instruments. — Étudier la production électrique d’un panneau sous un éclairage contrôlé.

Objectifs du chapitre :

Comprendre que la lumière transporte de l'énergie et donc une puissance.
Définir l'irradiance (ou éclairement énergétique) et connaître son unité, le W·m⁻².
Utiliser un appareil (pyranomètre, solarimètre) pour déterminer ou mesurer une irradiance.
Calculer la puissance reçue par une surface à partir de l'irradiance : \(P=E\times S\).
Citer les principales caractéristiques de la lumière émise par un laser.
Estimer l'irradiance d'un laser et conclure sur ses domaines d'utilisation et les mesures de protection.
Effectuer le bilan énergétique et déterminer le rendement d'un panneau photovoltaïque.

Situation. Le grand four solaire d'Odeillo, dans les Pyrénées, concentre le rayonnement du Soleil sur une petite cible où la température dépasse 3 000 °C : de quoi fondre l'acier. Pourtant, le Soleil ne « touche » pas la cible : c'est la lumière qui apporte l'énergie. Comment quantifier cette énergie ? Comment savoir combien de puissance un panneau solaire va recevoir, ou quel danger représente un laser ? Ce chapitre montre que la lumière transporte une puissance par unité de surface — l'irradiance — et que cette grandeur suffit à dimensionner un panneau photovoltaïque comme à évaluer le risque d'un pointeur laser.

1. La lumière transporte de l'énergie

Définition — puissance transportée par la lumière La lumière (rayonnement du Soleil, d'une lampe, d'un laser…) transporte de l'énergie. La quantité d'énergie lumineuse \(W\) reçue par une surface pendant une durée \(\Delta t\) correspond à une puissance \(P\) :

\(P=\dfrac{W}{\Delta t}\)

\(P\) s'exprime en watt (W), \(W\) en joule (J) et \(\Delta t\) en seconde (s) : \(1\ \text{W}=1\ \text{J·s}^{-1}\).

Un même flux, réparti sur une surface Une lampe ou le Soleil éclairent une surface. Pour comparer deux éclairages, la puissance seule ne suffit pas : il faut savoir sur quelle aire elle se répartit. Un projecteur de 100 W concentré sur \(10\ \text{cm}^2\) « tape » beaucoup plus fort que la même puissance étalée sur un mur de \(10\ \text{m}^2\). On introduit donc la puissance par unité de surface.

2. L'irradiance (éclairement énergétique)

Définition — irradiance L'irradiance \(E\) (aussi appelée éclairement énergétique) est la puissance lumineuse reçue par unité de surface, c'est-à-dire la puissance \(P\) reçue divisée par l'aire \(S\) de la surface éclairée (surface placée perpendiculairement au rayonnement) :

\(E=\dfrac{P}{S}\qquad(\text{en W·m}^{-2})\)

Son unité SI est le watt par mètre carré (W·m⁻²). Elle mesure « l'intensité » du rayonnement reçu : plus \(E\) est grande, plus la surface reçoit de puissance.

Quelques ordres de grandeur d'irradiance

Au sommet de l'atmosphère, le Soleil apporte environ \(1\,360\ \text{W·m}^{-2}\) (la « constante solaire »).
Au sol, par ciel clair à midi, on reçoit de l'ordre de \(1\,000\ \text{W·m}^{-2}\).
Par temps très couvert, l'irradiance peut tomber sous \(100\ \text{W·m}^{-2}\).
Un éclairage intérieur correspond à quelques W·m⁻² seulement.

La valeur \(1\,000\ \text{W·m}^{-2}\) sert de référence (conditions standard) pour caractériser les panneaux solaires.

Mini-exercice 1. Une surface de \(2{,}0\ \text{m}^2\) reçoit une puissance lumineuse de \(1\,700\ \text{W}\). Calculer l'irradiance \(E\) reçue par cette surface.

\(E=\dfrac{P}{S}=\dfrac{1\,700}{2{,}0}=850\ \text{W·m}^{-2}\).

3. Mesurer une irradiance : pyranomètre et solarimètre

Définition — appareils de mesure de l'irradiance On mesure l'irradiance reçue par une surface avec un capteur dédié :

Le pyranomètre : capteur de référence en météorologie et pour l'énergie solaire. Il capte le rayonnement sur toute une demi-sphère (rayonnement direct + diffusé) et affiche l'irradiance en W·m⁻².
Le solarimètre (ou « luxmètre solaire ») : appareil portatif plus simple, utilisé sur le terrain par les installateurs de panneaux pour estimer l'irradiance d'un site et orienter les modules.

On oriente le capteur perpendiculairement au rayonnement pour lire l'irradiance maximale ; on lit directement une valeur en W·m⁻².

Méthode — déterminer une irradiance par la mesure

Placer le capteur (pyranomètre ou solarimètre) face au Soleil, surface sensible perpendiculaire aux rayons.
Attendre la stabilisation, puis lire l'irradiance \(E\) affichée en W·m⁻².
Pour une surface donnée d'aire \(S\), on peut alors en déduire la puissance reçue \(P=E\times S\).

Mini-exercice 2. Un installateur mesure au solarimètre une irradiance \(E=780\ \text{W·m}^{-2}\) sur un toit. Que représente cette valeur, et dans quelle unité est-elle exprimée ?

\(E=780\ \text{W·m}^{-2}\) est l'irradiance : la puissance lumineuse reçue par chaque mètre carré de toit, exprimée en watts par mètre carré. Chaque m² du toit reçoit donc 780 W.

4. Puissance reçue par une surface

Relation fondamentale Si une surface plane d'aire \(S\) reçoit un rayonnement d'irradiance \(E\) (perpendiculaire à la surface), la puissance lumineuse reçue par cette surface est :

\(P=E\times S\)

avec \(P\) en watt (W), \(E\) en W·m⁻² et \(S\) en m². C'est simplement la définition de l'irradiance « retournée ».

Attention aux unités Dans \(P=E\times S\), l'aire \(S\) doit être en mètres carrés. Une surface de \(20\ \text{cm}^2\) vaut \(20\times10^{-4}=2{,}0\times10^{-3}\ \text{m}^2\) (rappel : \(1\ \text{m}^2=10\,000\ \text{cm}^2\)). Oublier la conversion fausse le résultat d'un facteur 10 000.

Exemple travaillé — puissance reçue par un panneau. Un panneau solaire de surface \(S=1{,}6\ \text{m}^2\) est exposé à une irradiance \(E=950\ \text{W·m}^{-2}\).

\(P=E\times S=950\times1{,}6=1\,520\ \text{W}\approx1{,}5\ \text{kW}\)

Le panneau reçoit donc environ \(1{,}5\ \text{kW}\) de puissance lumineuse. (Attention : ce n'est pas la puissance électrique produite, voir §6.)

Mini-exercice 3. Une fenêtre de \(1{,}2\ \text{m}^2\) reçoit une irradiance \(E=600\ \text{W·m}^{-2}\). Calculer la puissance lumineuse \(P\) qui traverse la fenêtre.

\(P=E\times S=600\times1{,}2=720\ \text{W}\).

5. La lumière émise par un laser

Définition — caractéristiques de la lumière laser La lumière émise par un laser présente trois caractéristiques principales :

elle est monochromatique : une seule couleur, une longueur d'onde \(\lambda\) très bien définie ;
elle est directive (faisceau étroit et peu divergent) : le rayon reste concentré sur une très petite surface, même à grande distance ;
elle est cohérente : les ondes lumineuses sont « en phase ».

Conséquence énergétique : même une faible puissance se concentre sur une surface minuscule, ce qui donne une irradiance très élevée.

Définition — irradiance d'un laser L'irradiance d'un faisceau laser se calcule comme pour toute surface, avec \(S\) l'aire de la section du faisceau (le « spot ») :

\(E=\dfrac{P}{S}\)

Pour un spot circulaire de rayon \(r\), l'aire vaut \(S=\pi r^2\). Comme \(S\) est très petit, \(E\) devient énorme.

Exemple travaillé — irradiance d'un pointeur laser. Un pointeur émet une puissance \(P=1{,}0\ \text{mW}=1{,}0\times10^{-3}\ \text{W}\) sur un spot circulaire de rayon \(r=0{,}50\ \text{mm}=0{,}50\times10^{-3}\ \text{m}\).
Aire du spot : \(S=\pi r^2=\pi\times(0{,}50\times10^{-3})^2\approx7{,}9\times10^{-7}\ \text{m}^2\).

\(E=\dfrac{P}{S}=\dfrac{1{,}0\times10^{-3}}{7{,}9\times10^{-7}}\approx1{,}3\times10^{3}\ \text{W·m}^{-2}\)

Un pointeur « d'à peine 1 mW » produit une irradiance comparable à celle du Soleil au sol ! D'où l'interdiction de le diriger vers les yeux.

Protection contre les risques du laser Un laser concentre la puissance sur une très petite surface : le principal danger est pour l'œil (la rétine peut être brûlée) et, pour les lasers puissants, pour la peau. Mesures de protection :

Ne jamais diriger un faisceau vers les yeux ni le regarder directement.
Porter des lunettes de protection adaptées à la longueur d'onde du laser.
Respecter la classe du laser (de 1 à 4) : plus la classe est élevée, plus le laser est dangereux et plus les protections sont strictes.
Baliser la zone et éviter les surfaces réfléchissantes.

Applications selon la puissance : lecture de codes-barres et pointeurs (faible puissance), découpe et soudure industrielles (forte puissance, métallerie), chirurgie (santé).

Mini-exercice 4. Un laser de découpe émet \(P=200\ \text{W}\) sur un spot de section \(S=1{,}0\times10^{-8}\ \text{m}^2\). Calculer son irradiance \(E\). Comparer à celle du Soleil au sol (\(\approx10^{3}\ \text{W·m}^{-2}\)).

\(E=\dfrac{P}{S}=\dfrac{200}{1{,}0\times10^{-8}}=2{,}0\times10^{10}\ \text{W·m}^{-2}\). C'est environ \(2\times10^{7}\) fois (20 millions de fois) l'irradiance solaire au sol : le faisceau fait fondre le métal. Protections strictes indispensables.

6. Conversion photovoltaïque et rendement d'un panneau

Définition — conversion photovoltaïque Un panneau photovoltaïque convertit une partie de la puissance lumineuse reçue en puissance électrique. Toute la puissance reçue n'est pas convertie : une grande part est perdue (réfléchie, transformée en chaleur). On distingue :

la puissance lumineuse reçue : \(P_{reçue}=E\times S\) ;
la puissance électrique produite : \(P_{élec}=U\times I\) (tension aux bornes × intensité débitée).

Définition — rendement d'un panneau photovoltaïque Le rendement \(\eta\) (lettre grecque « êta ») est le rapport de la puissance électrique produite à la puissance lumineuse reçue :

\(\eta=\dfrac{P_{élec}}{P_{reçue}}=\dfrac{P_{élec}}{E\times S}\)

C'est un nombre sans unité, toujours compris entre 0 et 1 (\(\eta\le 1\)), souvent exprimé en pourcentage. Pour un panneau du commerce, \(\eta\) est de l'ordre de \(0{,}15\) à \(0{,}22\) (soit 15 % à 22 %).

Le rendement ne peut pas dépasser 1 On ne peut pas produire plus d'énergie électrique qu'on n'en reçoit sous forme de lumière : \(P_{élec}\le P_{reçue}\), donc \(\eta\le 1\). Un rendement « supérieur à 100 % » est toujours le signe d'une erreur de calcul ou d'unités.

Point de puissance maximale La puissance électrique fournie par le panneau vaut \(P_{élec}=U\times I\). Sur la caractéristique \(I(U)\), cette puissance est l'aire du rectangle sous le point de fonctionnement. Il existe un point de puissance maximale (le « coude » de la courbe) où le produit \(U\times I\) est le plus grand : c'est le point de fonctionnement optimal, celui que recherchent les régulateurs des installations solaires.

Déplace le point de fonctionnement le long de la caractéristique \(I(U)\) pour trouver la puissance maximale (point MPPT).

Tension de fonctionnement U :

Méthode — bilan énergétique et rendement d'un panneau

Calculer la puissance reçue : \(P_{reçue}=E\times S\) (irradiance × aire du panneau).
Déterminer la puissance électrique produite : \(P_{élec}=U\times I\) (au point de puissance maximale).
Calculer le rendement : \(\eta=\dfrac{P_{élec}}{P_{reçue}}\), puis le convertir en pourcentage (\(\times 100\)).
Vérifier que \(\eta\le 1\) (sinon, erreur d'unités).

Exemple travaillé complet — rendement d'un panneau. Un panneau de surface \(S=1{,}6\ \text{m}^2\) reçoit une irradiance \(E=1\,000\ \text{W·m}^{-2}\). À son point de puissance maximale, il débite \(I=8{,}0\ \text{A}\) sous \(U=30\ \text{V}\).
Puissance reçue : \(P_{reçue}=E\times S=1\,000\times1{,}6=1\,600\ \text{W}\).
Puissance électrique produite : \(P_{élec}=U\times I=30\times8{,}0=240\ \text{W}\).

\(\eta=\dfrac{P_{élec}}{P_{reçue}}=\dfrac{240}{1\,600}=0{,}15=15\ \%\)

Le panneau convertit 15 % de la puissance lumineuse en électricité ; les 85 % restants sont perdus (chaleur, réflexion). On vérifie bien \(\eta\le 1\).

Mini-exercice 5. Un panneau de surface \(S=2{,}0\ \text{m}^2\) reçoit \(E=1\,000\ \text{W·m}^{-2}\) et produit une puissance électrique \(P_{élec}=360\ \text{W}\). Calculer le rendement \(\eta\) en pourcentage.

\(P_{reçue}=E\times S=1\,000\times2{,}0=2\,000\ \text{W}\). \(\eta=\dfrac{P_{élec}}{P_{reçue}}=\dfrac{360}{2\,000}=0{,}18=18\ \%\).

Mini-exercice 6. Un panneau reçoit \(P_{reçue}=1\,500\ \text{W}\) et a un rendement \(\eta=0{,}20\). Quelle puissance électrique \(P_{élec}\) produit-il ?

De \(\eta=\dfrac{P_{élec}}{P_{reçue}}\) on tire \(P_{élec}=\eta\times P_{reçue}=0{,}20\times1\,500=300\ \text{W}\).

Erreurs fréquentes

❌ Confondre irradiance (W·m⁻²) et puissance (W) → ✅ l'irradiance est une puissance par mètre carré ; la puissance reçue est \(P=E\times S\).
❌ Garder \(S\) en cm² dans \(P=E\times S\) → ✅ convertir en m² (\(1\ \text{m}^2=10\,000\ \text{cm}^2\)).
❌ Prendre la puissance reçue pour la puissance électrique produite → ✅ le panneau ne convertit qu'une fraction \(\eta\) de la puissance reçue.
❌ Trouver un rendement \(\gt 1\) → ✅ impossible : \(P_{élec}\le P_{reçue}\), donc \(\eta\le 1\) ; revoir les unités.
❌ Croire qu'un laser faible est sans danger → ✅ même 1 mW donne une irradiance énorme sur l'œil : protections obligatoires.

À retenir

La lumière transporte de l'énergie, donc une puissance \(P=\dfrac{W}{\Delta t}\) (en W).
Irradiance \(E=\dfrac{P}{S}\) en W·m⁻² : puissance lumineuse par unité de surface. Se mesure au pyranomètre ou au solarimètre.
Puissance reçue par une surface : \(P=E\times S\) (avec \(S\) en m²).
Lumière laser : monochromatique, directive, cohérente → irradiance très élevée sur un petit spot → danger pour l'œil, protections obligatoires.
Panneau photovoltaïque : \(P_{reçue}=E\times S\), \(P_{élec}=U\times I\), rendement \(\eta=\dfrac{P_{élec}}{P_{reçue}}\le 1\) (sans unité, souvent 15–22 %).