Chapitre 14 | Physique-Chimie | 2nde Bac Pro | ⏱ 30 min
Contexte : Marc, technicien éclairagiste, intervient dans un showroom de meubles à Lyon pour installer un nouvel éclairage. Le responsable du magasin souhaite mettre en valeur les teintes naturelles du bois (chêne, noyer, hêtre) tout en limitant la consommation électrique.
Marc dispose de trois types de sources lumineuses. Il utilise un spectroscope pour observer le spectre de chaque lampe et un luxmètre pour mesurer l’éclairement au niveau des meubles exposés.
| Source lumineuse | Température de couleur (K) | Flux lumineux (lm) | Puissance (W) | Type de spectre |
|---|---|---|---|---|
| LED blanc chaud | 2 700 | 1 050 | 10 | Continu |
| LED blanc froid | 6 000 | 1 300 | 12 | Continu |
| Halogène | 3 000 | 750 | 50 | Continu |
Marc place le luxmètre à 1,5 m sous chaque source et relève l’éclairement sur la surface d’un meuble :
| Source lumineuse | Éclairement mesuré (lux) |
|---|---|
| LED blanc chaud | 420 |
| LED blanc froid | 520 |
| Halogène | 300 |
Marc utilise également une LDR branchée à un ohmètre pour vérifier ses mesures. La LDR est placée à côté du luxmètre, à 1,5 m de chaque source :
| Source lumineuse | Éclairement (lux) | Résistance de la LDR (kΩ) |
|---|---|---|
| LED blanc chaud | 420 | 2,8 |
| LED blanc froid | 520 | 1,9 |
| Halogène | 300 | 4,5 |
| Obscurité | 0 | 850 |
Marc observe chaque source avec un spectroscope à réseau :
Pour comparaison, Marc observe aussi une lampe à vapeur de sodium (lampadaire extérieur) : le spectre est formé de quelques raies jaunes isolées sur fond noir.
Comment choisir un éclairage ou un capteur optique adapté à une application professionnelle ?
À partir du document 1, identifier les trois sources lumineuses utilisées par Marc et indiquer pour chacune sa température de couleur.
Les trois sources lumineuses sont :
La température de couleur permet de distinguer une lumière « chaude » d’une lumière « froide ».
a) Parmi les trois sources, laquelle émet la lumière la plus « chaude » (jaunâtre) ? Justifier à l’aide de la température de couleur.
b) Laquelle émet la lumière la plus « froide » (bleutée) ? Justifier.
c) En déduire la règle : comment évolue l’apparence de la lumière quand la température de couleur augmente ?
a) La LED blanc chaud (2 700 K) émet la lumière la plus chaude. C’est la source avec la température de couleur la plus basse : une température basse correspond à une lumière jaunâtre, dite « chaude ».
b) La LED blanc froid (6 000 K) émet la lumière la plus froide. C’est la source avec la température de couleur la plus élevée : elle produit une lumière bleutée, dite « froide ».
c) Règle : plus la température de couleur augmente (en Kelvin), plus la lumière apparaît « froide » et bleutée. Inversement, plus elle est basse, plus la lumière est « chaude » et jaunâtre.
À partir du document 4, expliquer la différence entre un spectre continu et un spectre de raies.
a) Qu’observe-t-on avec le spectroscope pour les trois sources installées par Marc ?
b) Qu’observe-t-on pour la lampe à vapeur de sodium ?
c) Rédiger en une ou deux phrases la différence entre spectre continu et spectre de raies.
a) Pour les trois sources (LED blanc chaud, LED blanc froid, halogène), on observe un spectre continu : toutes les couleurs de l’arc-en-ciel sont présentes, sans interruption.
b) Pour la lampe à vapeur de sodium, on observe un spectre de raies : seules quelques raies colorées (jaunes) apparaissent sur un fond noir. Les autres couleurs sont absentes.
c) Un spectre continu contient toutes les couleurs du visible sans interruption (arc-en-ciel complet). Un spectre de raies ne présente que quelques raies colorées isolées sur fond noir, caractéristiques de l’élément chimique présent dans la source (ici le sodium).
À partir du document 2, relever les valeurs d’éclairement mesurées par le luxmètre pour chaque source à 1,5 m de distance.
Quelle source produit l’éclairement le plus élevé ? Quelle source produit l’éclairement le plus faible ?
Valeurs relevées à 1,5 m :
La LED blanc froid produit l’éclairement le plus élevé (520 lux). L’halogène produit l’éclairement le plus faible (300 lux).
L’efficacité lumineuse d’une source se calcule par la formule :
\( \eta = \dfrac{\Phi}{P} \)
où \(\Phi\) est le flux lumineux en lumens (lm) et \(P\) la puissance électrique en watts (W).
Calculer l’efficacité lumineuse de chaque source et compléter le tableau ci-dessous :
| Source | Flux lumineux (lm) | Puissance (W) | Efficacité lumineuse (lm/W) |
|---|---|---|---|
| LED blanc chaud | 1 050 | 10 | ... |
| LED blanc froid | 1 300 | 12 | ... |
| Halogène | 750 | 50 | ... |
| Source | Flux lumineux (lm) | Puissance (W) | Efficacité lumineuse (lm/W) |
|---|---|---|---|
| LED blanc chaud | 1 050 | 10 | \( \dfrac{1\,050}{10} = \textbf{105 lm/W} \) |
| LED blanc froid | 1 300 | 12 | \( \dfrac{1\,300}{12} \approx \textbf{108 lm/W} \) |
| Halogène | 750 | 50 | \( \dfrac{750}{50} = \textbf{15 lm/W} \) |
On divise le flux lumineux par la puissance électrique pour obtenir l’efficacité lumineuse. Plus cette valeur est grande, plus la source convertit efficacement l’énergie électrique en lumière.
À partir des résultats de la question précédente, classer les trois sources de la plus efficace à la moins efficace.
Quel facteur sépare environ l’efficacité des LED de celle de l’halogène ?
Classement de la plus efficace à la moins efficace :
Les LED sont environ 7 fois plus efficaces que l’halogène (\(105 \div 15 = 7\)). Pour produire la même quantité de lumière, l’halogène consomme 7 fois plus d’énergie électrique.
Le document 3 présente les mesures réalisées avec une LDR (photorésistance).
a) Qu’est-ce qu’une LDR ? Expliquer en une phrase son principe de fonctionnement.
b) Comment varie la résistance de la LDR lorsque l’éclairement augmente ? Justifier à l’aide des valeurs du document 3.
a) Une LDR (Light Dependent Resistor ou photorésistance) est un composant électronique dont la résistance varie en fonction de la lumière reçue. C’est un type de photodétecteur : il convertit un signal lumineux en variation de résistance électrique.
b) La résistance de la LDR diminue lorsque l’éclairement augmente :
Plus l’éclairement augmente, plus la résistance diminue. La LDR est donc un capteur de lumière : beaucoup de lumière = faible résistance ; peu de lumière = forte résistance.
À partir du document 3, vérifier que les mesures de la LDR sont cohérentes avec celles du luxmètre.
a) Classer les trois sources par éclairement croissant (d’après le luxmètre).
b) Classer les trois sources par résistance LDR décroissante.
c) Les deux classements sont-ils cohérents ? Justifier.
a) Classement par éclairement croissant (luxmètre) :
b) Classement par résistance LDR décroissante :
c) Oui, les deux classements sont parfaitement cohérents. La source qui produit le plus de lux (LED blanc froid, 520 lux) correspond à la résistance LDR la plus faible (1,9 kΩ). Cela confirme le principe : plus l’éclairement est élevé, plus la résistance de la LDR est faible. Les mesures de la LDR et du luxmètre sont donc cohérentes entre elles.
Le responsable du showroom demande à Marc de lui recommander le meilleur éclairage pour mettre en valeur les meubles en bois, tout en limitant la consommation électrique.
En vous appuyant sur l’ensemble des documents et de vos réponses précédentes, rédiger un court paragraphe (4 à 6 lignes) de conseil professionnel en justifiant votre choix. Vous devez prendre en compte :
Exemple de réponse :
Pour un showroom de meubles en bois, je recommande la LED blanc chaud (2 700 K). Sa température de couleur basse produit une lumière jaunâtre qui met en valeur les teintes chaudes du bois (chêne, noyer, hêtre) et crée une ambiance accueillante pour le client. Son efficacité lumineuse est excellente (105 lm/W), soit 7 fois supérieure à celle de l’halogène, ce qui permet de réduire considérablement la facture électrique du magasin. Elle produit un éclairement de 420 lux à 1,5 m, suffisant pour un espace d’exposition. L’halogène est à écarter en raison de sa très faible efficacité (15 lm/W) et de sa consommation élevée (50 W). La LED blanc froid (6 000 K), bien qu’efficace, donnerait une lumière trop bleutée qui dénaturerait les teintes naturelles du bois.