Chapitre 6 | Terminale STI2D — spécialité Physique-chimie et mathématiques | Physique-Chimie
Dernière mise à jour : 21 octobre 2026
Durée : 1 h — Barème : /20 — Calculatrice autorisée
Les réponses doivent être justifiées. Le soin, les unités et le nombre de chiffres significatifs sont notés.
Données : \(h=6{,}63\times10^{-34}\ \text{J·s}\) ; \(c=3{,}0\times10^{8}\ \text{m·s}^{-1}\) ; \(1\ \text{nm}=10^{-9}\ \text{m}\).
1. Rappeler ce qu'est un photon dans le modèle corpusculaire de la lumière. (1 pt)
2. Écrire la relation liant l'énergie \(\Delta E\) d'un photon à sa fréquence \(f\), puis à sa longueur d'onde \(\lambda\). Préciser les unités. (1,5 pt)
3. Une diode émet une lumière rouge de longueur d'onde \(\lambda=640\ \text{nm}\). Calculer l'énergie d'un photon émis. (2 pts)
4. Un photon bleu a une longueur d'onde \(\lambda'=400\ \text{nm}\). Sans nouveau calcul complet, dire s'il est plus ou moins énergétique que le photon rouge de la question 3, et justifier. (1,5 pt)
5. Un atome émet un photon en passant d'un niveau haut à un niveau bas séparés de \(\Delta E=3{,}0\times10^{-19}\ \text{J}\). S'agit-il d'une absorption ou d'une émission ? Calculer la fréquence du photon. (1 pt)
1. Un photon est un grain d'énergie de lumière, sans masse, se déplaçant dans le vide à \(c\) et transportant une énergie bien définie \(\Delta E\). (1 pt)
2. \(\Delta E = h\,f\) (\(\Delta E\) en J, \(f\) en Hz) ; et comme \(f=\frac{c}{\lambda}\), \(\Delta E=\dfrac{h\,c}{\lambda}\) (\(\lambda\) en m). (1,5 pt)
3. \(\lambda=640\times10^{-9}\ \text{m}\). \(\Delta E=\dfrac{h\,c}{\lambda}=\dfrac{6{,}63\times10^{-34}\times3{,}0\times10^{8}}{640\times10^{-9}}=\dfrac{1{,}99\times10^{-25}}{6{,}40\times10^{-7}}\approx3{,}1\times10^{-19}\ \text{J}\). (2 pts)
4. \(\Delta E\) varie en \(1/\lambda\). \(\lambda'=400\) nm \(\lt\) \(640\) nm : le photon bleu a une longueur d'onde plus petite, il est donc plus énergétique. (1,5 pt)
5. L'atome perd de l'énergie : c'est une émission. \(f=\dfrac{\Delta E}{h}=\dfrac{3{,}0\times10^{-19}}{6{,}63\times10^{-34}}\approx4{,}5\times10^{14}\ \text{Hz}\). (1 pt)
Un panneau photovoltaïque de surface \(S=1{,}5\ \text{m}^2\) est testé sous un éclairement \(G=1000\ \text{W·m}^{-2}\). On relève sa caractéristique tension-courant :
| \(U\) (V) | 0 | 12 | 24 | 30 | 34 | 36 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| \(I\) (A) | 6,0 | 5,9 | 5,7 | 5,4 | 3,0 | 0 |
1. Donner le courant de court-circuit \(I_{cc}\) et la tension à vide \(U_{co}\). (1,5 pt)
2. Calculer la puissance \(P=U\times I\) pour les points \(U=24\), \(U=30\) et \(U=34\) V. (2 pts)
3. En déduire le point de puissance maximale \((U_m\,;\,I_m)\) et la valeur de \(P_{max}\). (1,5 pt)
4. Calculer la puissance lumineuse reçue \(P_{reçue}=G\times S\). (1,5 pt)
5. En déduire le rendement \(\eta\) du panneau. Vérifier qu'il est cohérent (\(\eta\le1\)). (1,5 pt)
1. \(I_{cc}=6{,}0\ \text{A}\) (à \(U=0\)) ; \(U_{co}=36\ \text{V}\) (à \(I=0\)). (1,5 pt)
2. \(24\times5{,}7=136{,}8\ \text{W}\) ; \(30\times5{,}4=162\ \text{W}\) ; \(34\times3{,}0=102\ \text{W}\). (2 pts)
3. La plus grande puissance est \(162\ \text{W}\), pour \(U_m=30\ \text{V}\) et \(I_m=5{,}4\ \text{A}\). Donc \(P_{max}=162\ \text{W}\). (1,5 pt)
4. \(P_{reçue}=G\times S=1000\times1{,}5=1500\ \text{W}\). (1,5 pt)
5. \(\eta=\dfrac{P_{max}}{P_{reçue}}=\dfrac{162}{1500}=0{,}108\approx11\ \%\). On a bien \(0\lt\eta\le1\) : résultat cohérent. (1,5 pt)
Un capteur photothermique de surface \(S=4{,}0\ \text{m}^2\) est installé sur un toit. L'éclairement est \(G=800\ \text{W·m}^{-2}\). Le capteur transmet à l'eau une puissance thermique utile \(P_{utile}=1920\ \text{W}\).
1. Nommer la conversion d'énergie réalisée et écrire sa chaîne énergétique. (1,5 pt)
2. Calculer la puissance lumineuse reçue \(P_{reçue}\). (1,5 pt)
3. En déduire le rendement \(\eta\) du capteur. (1,5 pt)
4. Quelle puissance est perdue, et sous quelle forme principale ? (0,5 pt)
1. Conversion photothermique : énergie rayonnante (lumière) → énergie thermique (chaleur transmise à l'eau). (1,5 pt)
2. \(P_{reçue}=G\times S=800\times4{,}0=3200\ \text{W}\). (1,5 pt)
3. \(\eta=\dfrac{P_{utile}}{P_{reçue}}=\dfrac{1920}{3200}=0{,}60=60\ \%\). (1,5 pt)
4. Puissance perdue : \(3200-1920=1280\ \text{W}\), essentiellement sous forme de pertes thermiques vers l'air (et réflexion d'une partie du rayonnement). (0,5 pt)