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Chapitre 6 – Énergie transportée par la lumière

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

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026, 09:00

⏱ 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 :
Situation. Sur le toit d'un lycée, deux installations captent la lumière du Soleil. La première, faite de panneaux bleutés, alimente en électricité l'atelier ; la seconde, un capteur noir parcouru de tubes, chauffe l'eau des douches. Les deux reçoivent la même lumière, mais en tirent des formes d'énergie différentes. Pour dimensionner ces installations, l'ingénieur doit répondre à une question simple en apparence : combien d'énergie la lumière transporte-t-elle, et quelle part est réellement convertie en énergie utile ? Ce chapitre montre que la lumière transporte son énergie par « grains », les photons, et comment on chiffre le rendement d'une conversion.

1. Le modèle corpusculaire de la lumière : le photon

Définition — photon Dans le modèle corpusculaire, la lumière est décrite comme un flux de grains d'énergie appelés photons. Un photon est une « particule » de lumière : il n'a pas de masse, se déplace dans le vide à la célérité \(c=3{,}0\times10^{8}\ \text{m·s}^{-1}\) et transporte une quantité d'énergie bien définie. Une source lumineuse émet un très grand nombre de photons ; un récepteur (œil, capteur, cellule solaire) en reçoit et en absorbe.
Deux modèles complémentaires La lumière se décrit aussi comme une onde électromagnétique, caractérisée par sa fréquence \(f\) (en hertz, Hz) et sa longueur d'onde \(\lambda\) (en mètres, m), reliées par \(\lambda=\dfrac{c}{f}\). Le modèle ondulatoire explique la propagation, la diffraction, les couleurs ; le modèle corpusculaire (photons) explique les échanges d'énergie entre la lumière et la matière. Les deux ne se contredisent pas : ce sont deux points de vue sur le même phénomène.
La lumière : un flux de photons source chaque photon transporte E = h f (célérité c) capteur
Mini-exercice 1. Vrai ou faux ? (a) Un photon se déplace dans le vide à la vitesse de la lumière. (b) Le modèle corpusculaire sert surtout à décrire la diffraction. (c) Une lumière plus intense envoie davantage de photons.

(a) Vrai : \(c=3{,}0\times10^{8}\ \text{m·s}^{-1}\). (b) Faux : la diffraction relève du modèle ondulatoire ; le modèle corpusculaire décrit les échanges d'énergie. (c) Vrai : à couleur donnée, une lumière plus intense correspond à un plus grand nombre de photons par seconde.

2. Énergie d'un photon : \(\Delta E = h\,f = \dfrac{h\,c}{\lambda}\)

Définition — énergie d'un photon L'énergie \(\Delta E\) transportée par un photon est proportionnelle à la fréquence \(f\) de la lumière :
\(\Delta E = h\,f\)
où \(\Delta E\) est en joules (J), \(f\) en hertz (Hz) et \(h\) est la constante de Planck :
\(h = 6{,}63\times10^{-34}\ \text{J·s}\)
Comme \(f=\dfrac{c}{\lambda}\), on peut aussi exprimer cette énergie en fonction de la longueur d'onde \(\lambda\) :
\(\Delta E = \dfrac{h\,c}{\lambda}\)
avec \(c=3{,}0\times10^{8}\ \text{m·s}^{-1}\) et \(\lambda\) en mètres (m).
Ce qu'il faut retenir des relations
Énergie du photon selon la couleur UV IR violet rouge λ augmente → ← énergie ΔE = hc/λ augmente
Méthode — calculer l'énergie d'un photon
  1. Repérer la donnée : fréquence \(f\) (Hz) ou longueur d'onde \(\lambda\) (à convertir en m).
  2. Si on a \(f\) : appliquer \(\Delta E = h\,f\). Si on a \(\lambda\) : appliquer \(\Delta E = \dfrac{h\,c}{\lambda}\).
  3. Remplacer \(h=6{,}63\times10^{-34}\ \text{J·s}\) et \(c=3{,}0\times10^{8}\ \text{m·s}^{-1}\).
  4. Conclure en joules, avec le bon nombre de chiffres significatifs.
Exemple travaillé — photon d'une lumière rouge. Une diode émet une lumière rouge de longueur d'onde \(\lambda=660\ \text{nm}=660\times10^{-9}\ \text{m}\). Énergie d'un photon :
\(\Delta E = \dfrac{h\,c}{\lambda}=\dfrac{6{,}63\times10^{-34}\times3{,}0\times10^{8}}{660\times10^{-9}}\)
Numérateur : \(6{,}63\times3{,}0=19{,}9\), soit \(19{,}9\times10^{-26}=1{,}99\times10^{-25}\). Puis \(\Delta E=\dfrac{1{,}99\times10^{-25}}{6{,}60\times10^{-7}}\approx3{,}0\times10^{-19}\ \text{J}\).
Mini-exercice 2. Un photon a une fréquence \(f=6{,}0\times10^{14}\ \text{Hz}\) (lumière verte). Calculer son énergie \(\Delta E\).

\(\Delta E = h\,f = 6{,}63\times10^{-34}\times6{,}0\times10^{14}=39{,}8\times10^{-20}\approx4{,}0\times10^{-19}\ \text{J}\).

Mini-exercice 3. Sans calcul complet, dire lequel des deux photons est le plus énergétique : un photon bleu (\(\lambda=450\) nm) ou un photon infrarouge (\(\lambda=900\) nm). Justifier.

\(\Delta E=\dfrac{hc}{\lambda}\) : l'énergie varie en \(1/\lambda\). Le photon bleu a la plus petite longueur d'onde (450 nm \(\lt\) 900 nm), donc il est le plus énergétique — deux fois plus, ici, car \(\lambda\) est deux fois plus petite.

3. Échanges d'énergie entre la matière et la lumière

Définition — absorption et émission La matière échange de l'énergie avec la lumière photon par photon : Ces échanges se font par quantités bien déterminées (les photons) : la matière ne peut absorber ou émettre que des « paquets » d'énergie, pas n'importe quelle valeur continue.
Absorption et émission d'un photon E₁ E₂ absorption hf = E₂ − E₁ photon E₁ E₂ émission hf = E₂ − E₁
Un échange = une énergie précise Un atome n'absorbe un photon que si l'énergie \(h\,f\) de ce photon correspond à un écart entre deux de ses niveaux d'énergie. C'est pourquoi chaque matériau n'absorbe (et n'émet) que certaines couleurs bien précises. La lumière échange donc de l'énergie de façon discontinue, par grains.
Mini-exercice 4. Un atome passe d'un niveau d'énergie haut à un niveau bas séparés de \(\Delta E = 3{,}0\times10^{-19}\ \text{J}\). Quelle est la fréquence \(f\) du photon émis ?

De \(\Delta E = h\,f\) on tire \(f=\dfrac{\Delta E}{h}=\dfrac{3{,}0\times10^{-19}}{6{,}63\times10^{-34}}\approx4{,}5\times10^{14}\ \text{Hz}\) (domaine visible).

4. Convertir l'énergie de la lumière : photovoltaïque et photothermique

Définition — conversion photovoltaïque Dans une cellule photovoltaïque, l'énergie transportée par la lumière (énergie rayonnante, apportée par les photons) est convertie en énergie électrique. La chaîne énergétique est :
énergie rayonnante (lumière) ⟶ énergie électrique
Une partie de l'énergie reçue n'est pas convertie : elle est perdue, essentiellement sous forme de chaleur (énergie thermique). Un panneau photovoltaïque est un assemblage de cellules.
Définition — conversion photothermique Dans un capteur photothermique (capteur solaire thermique), l'énergie de la lumière est convertie en énergie thermique : une surface sombre absorbe le rayonnement et s'échauffe ; cette chaleur est transmise à un fluide (eau, air) qui circule dans le capteur. La chaîne énergétique est :
énergie rayonnante (lumière) ⟶ énergie thermique (chaleur)
C'est le principe du chauffe-eau solaire.
Deux conversions de l'énergie lumineuse cellule PV élec. pertes (chaleur) photovoltaïque capteur chaleur photothermique
Mini-exercice 5. Pour chaque installation, indiquer la forme d'énergie utile produite : (a) un chauffe-eau solaire sur un toit ; (b) un panneau qui recharge une batterie ; (c) une calculatrice « solaire ».

(a) énergie thermique (photothermique). (b) et (c) énergie électrique (photovoltaïque).

5. Caractéristique tension-courant d'un panneau photovoltaïque

Définition — caractéristique \(I(U)\) La caractéristique tension-courant d'un panneau photovoltaïque est la courbe donnant l'intensité \(I\) débitée en fonction de la tension \(U\) à ses bornes, pour un éclairement donné. Elle possède deux points remarquables : Entre ces deux points, la courbe descend en formant un « coude ».
Définition — point de fonctionnement Le point de fonctionnement est le couple \((U\,;\,I)\) réellement pris par le panneau : il dépend du récepteur branché (la charge). La puissance électrique fournie en ce point vaut :
\(P = U\times I\)
Cette puissance est maximale pour un point particulier de la courbe, situé au niveau du « coude » : le point de puissance maximale \((U_m\,;\,I_m)\), pour lequel \(P_{max}=U_m\times I_m\). On cherche à faire fonctionner le panneau le plus près possible de ce point.
Caractéristique I(U) d'un panneau PV U (V) I (A) I_cc U_co U_m I_m P_max = U_m × I_m
Méthode — exploiter la caractéristique
  1. Lire \(I_{cc}\) (à \(U=0\)) et \(U_{co}\) (à \(I=0\)) sur les axes.
  2. Pour un point donné, lire \((U\,;\,I)\) et calculer la puissance \(P=U\times I\).
  3. Le point de puissance maximale est celui pour lequel le produit \(U\times I\) est le plus grand (le rectangle sous la courbe a la plus grande aire).
Exemple travaillé — puissance en un point. Un panneau fonctionne au point \(U_m=18\ \text{V}\), \(I_m=5{,}0\ \text{A}\). La puissance électrique fournie est :
\(P_{max}=U_m\times I_m=18\times5{,}0=90\ \text{W}\)
Si, à cause d'une mauvaise charge, il fonctionnait à \(U=10\ \text{V}\), \(I=5{,}2\ \text{A}\), on aurait \(P=52\ \text{W}\) seulement : moins que \(P_{max}\).
Mini-exercice 6. Sur la caractéristique d'un panneau, on lit \(I_{cc}=5{,}5\ \text{A}\), \(U_{co}=22\ \text{V}\) et un point de puissance maximale \((U_m=18\ \text{V}\,;\,I_m=5{,}0\ \text{A})\). Calculer \(P_{max}\). Pourquoi \(P_{max}\) est-elle inférieure au produit \(U_{co}\times I_{cc}\) ?

\(P_{max}=18\times5{,}0=90\ \text{W}\). Le produit \(U_{co}\times I_{cc}=22\times5{,}5=121\ \text{W}\) n'est jamais atteint car \(U_{co}\) et \(I_{cc}\) correspondent à deux points différents de la courbe (l'un avec \(I=0\), l'autre avec \(U=0\)) : la puissance y est nulle. La puissance réelle maximale se situe au coude, entre les deux.

Déplace le point de fonctionnement le long de la caractéristique \(I(U)\) : l'aire du rectangle représente la puissance \(P=U\times I\). Cherche le point de puissance maximale (le « coude » de la courbe), là où \(P\) est la plus grande.

6. Bilan de puissance et rendement d'une conversion

Définition — rendement d'une conversion Le rendement \(\eta\) (êta) d'un convertisseur est le rapport entre la puissance utile (récupérée) et la puissance reçue (apportée) :
\(\eta = \dfrac{P_{utile}}{P_{reçue}}\)
C'est un nombre sans unité, souvent exprimé en pourcentage. Comme une partie de l'énergie est toujours perdue (chaleur, réflexion…), on a toujours :
\(0 \lt \eta \lt 1\qquad(\eta \le 1)\)
Puissance reçue d'un panneau solaire La puissance lumineuse reçue par un capteur dépend de l'éclairement \(G\) (puissance solaire par unité de surface, en W·m\(^{-2}\)) et de la surface \(S\) exposée :
\(P_{reçue}=G\times S\)
Par exemple, en plein soleil \(G\approx1000\ \text{W·m}^{-2}\) : un panneau de \(S=1{,}6\ \text{m}^2\) reçoit \(P_{reçue}=1000\times1{,}6=1600\ \text{W}\).
Bilan de puissance d'un convertisseur P_reçue convertisseur P_utile pertes (chaleur) η = P_utile / P_reçue (0 < η ≤ 1)
Méthode — déterminer un rendement
  1. Calculer la puissance reçue : pour un capteur solaire, \(P_{reçue}=G\times S\).
  2. Déterminer la puissance utile : pour le photovoltaïque, \(P_{utile}=U\times I\) (au point de fonctionnement) ; pour le photothermique, la puissance thermique transmise au fluide.
  3. Calculer \(\eta=\dfrac{P_{utile}}{P_{reçue}}\), puis convertir en % (× 100). Vérifier que \(\eta \le 1\).
Exemple travaillé complet — rendement d'un panneau photovoltaïque. Un panneau de surface \(S=1{,}6\ \text{m}^2\) est exposé à un éclairement \(G=1000\ \text{W·m}^{-2}\). À son point de puissance maximale, il débite \(U_m=18\ \text{V}\) et \(I_m=5{,}0\ \text{A}\).
• Puissance reçue : \(P_{reçue}=G\times S=1000\times1{,}6=1600\ \text{W}\).
• Puissance utile (électrique) : \(P_{utile}=U_m\times I_m=18\times5{,}0=90\ \text{W}\).
\(\eta=\dfrac{P_{utile}}{P_{reçue}}=\dfrac{90}{1600}=0{,}056\approx5{,}6\ \%\)
Ce rendement modeste est cohérent : les panneaux photovoltaïques du commerce ont typiquement un rendement de l'ordre de 15 à 20 %, ici volontairement faible pour l'exemple.
Mini-exercice 7. Un capteur photothermique reçoit \(P_{reçue}=1500\ \text{W}\) et transmet à l'eau une puissance thermique utile \(P_{utile}=1050\ \text{W}\). Calculer son rendement.

\(\eta=\dfrac{P_{utile}}{P_{reçue}}=\dfrac{1050}{1500}=0{,}70=70\ \%\). Les capteurs photothermiques ont en général un meilleur rendement que les cellules photovoltaïques.

Erreurs fréquentes
À retenir