Choisir une source lumineuse | Terminale Bac Pro ERA-MA | Physique-Chimie
Capacités et connaissances du programme :
C1 – Comparer les caractéristiques des sources (incandescence, fluo-compact, LED)
C2 – Calculer un flux lumineux et une efficacité lumineuse (lm/W)
C3 – Identifier la température de couleur (K) et l'IRC
C4 – Choisir une source adaptée à un usage (éclairage atelier, vitrine)
C5 – Calculer la consommation et le coût d'éclairage
C6 – Propriétés du laser et dangers associés
C1 — Comparer les caractéristiques des sources lumineuses
Type
Efficacité (lm/W)
Durée de vie
Coût
Incandescence
10–15
1 000 h
Faible
Fluo-compact (LBC)
50–70
8 000 h
Moyen
LED
80–150
25 000–50 000 h
Plus élevé
Exercice 1
Une ampoule à incandescence de 100 W produit 1 400 lm. Une LED équivalente produit le même flux avec 10 W. Calculer l'efficacité lumineuse de chacune.
Incandescence : \(\eta = 1\,400 / 100 = 14\) lm/W
LED : \(\eta = 1\,400 / 10 = 140\) lm/W La LED est 10 fois plus efficace.
Exercice 2
Un atelier de menuiserie remplace 20 ampoules à incandescence de 60 W par des LED de 8 W équivalentes. Calculer l'économie de puissance électrique.
Puissance initiale : \(20 \times 60 = 1\,200\) W
Nouvelle puissance : \(20 \times 8 = 160\) W
Économie : \(1\,200 - 160 = \mathbf{1\,040 \text{ W}}\) (réduction de 87 %)
Exercice 3
Comparer les durées de vie en années d'un atelier éclairé 10 h/jour, 220 jours/an avec des ampoules à incandescence (1 000 h) et des LED (25 000 h).
Heures annuelles : \(10 \times 220 = 2\,200\) h/an
Incandescence : \(1\,000/2\,200 \approx 0{,}45\) an (5 mois) → remplacement très fréquent
LED : \(25\,000/2\,200 \approx 11{,}4\) ans → remplacement rare La LED dure environ 25 fois plus longtemps dans ce contexte.
C2 — Calculer un flux lumineux et une efficacité lumineuse
Flux lumineux \(\Phi\) : quantité totale de lumière émise (en lumens, lm) Efficacité lumineuse : \(\eta = \dfrac{\Phi}{P}\) (en lm/W)
Plus \(\eta\) est élevée, plus la source est efficace.
Exercice 1
Un réglette LED de plan de travail de cuisine consomme \(P = 15\) W et a une efficacité de 100 lm/W. Calculer le flux lumineux émis.
Un poseur de cuisines doit éclairer un plan de travail nécessitant 500 lm. Il dispose de deux types de spots : Type A (efficacité 90 lm/W, 6 W) et Type B (efficacité 130 lm/W, 4 W). Déterminer combien de spots de chaque type sont nécessaires pour atteindre 500 lm.
Spot A : flux par spot = \(90 \times 6 = 540\) lm → 1 spot suffit (540 > 500).
Spot B : flux par spot = \(130 \times 4 = 520\) lm → 1 spot suffit également (520 > 500).
Le spot B est préférable : même flux avec 4 W au lieu de 6 W.
C3 — Identifier la température de couleur et l'IRC
Température de couleur (en kelvins K) :
– < 3 000 K : blanc chaud (ambiance cosy, salon)
– 3 000 – 4 000 K : blanc neutre (bureaux, ateliers)
– > 5 000 K : blanc froid/lumière du jour (précision, postes de contrôle qualité) IRC (Indice de Rendu des Couleurs) : de 0 à 100. Plus proche de 100, plus les couleurs sont rendues fidèlement. IRC ≥ 80 recommandé pour les ateliers ; IRC ≥ 90 pour les expositions de meubles.
Exercice 1
Un menuisier ébéniste polit des meubles haut de gamme. Il doit contrôler les teintes du bois. Quelle température de couleur et quel IRC minimaux sont recommandés ?
Pour un contrôle fidèle des teintes, il faut une lumière la plus proche possible de la lumière naturelle :
– Température de couleur : 5 000 à 6 500 K (blanc froid / lumière du jour).
– IRC ≥ 90 (voire IRC 95 ou 98 pour les finisseurs professionnels).
Un IRC élevé garantit que les teintes du bois apparaissent identiques sous la lampe et en lumière naturelle.
Exercice 2
Un installateur d'agencement propose à un client deux lampes pour son salon :
– Lampe A : 2 700 K, IRC 85
– Lampe B : 6 000 K, IRC 90
Laquelle conseiller pour une atmosphère chaleureuse ? Justifier.
Pour une atmosphère chaleureuse (salon, pièce à vivre), il faut une lumière blanc chaud. Lampe A (2 700 K, IRC 85) est conseillée. Sa température de couleur basse donne une teinte ambrée proche d'une flamme de bougie, propice à la détente. La lampe B (6 000 K) est trop froide et "clinique" pour un salon.
Exercice 3
Un magasin d'exposition de cuisines veut mettre en valeur les couleurs des façades de meubles. Donner les caractéristiques (température de couleur, IRC) minimales de l'éclairage à recommander.
Pour une vitrine ou un showroom de meubles :
– Température de couleur : 3 000 à 4 000 K (blanc chaud à neutre) selon l'ambiance souhaitée. Un blanc chaud (3 000 K) valorise les teintes bois naturel, un blanc neutre (4 000 K) est plus universel.
– IRC ≥ 90 (idéalement IRC ≥ 95) pour que les couleurs des façades soient perçues de manière fidèle, sans distorsion chromatique qui nuirait à l'expérience client.
C4 — Choisir une source adaptée à un usage
Critères de choix : efficacité lumineuse, durée de vie, IRC, température de couleur, coût, résistance aux vibrations (atelier).
Exercice 1
Un atelier de rabotage est éclairé par d'anciennes lampes fluorescentes. L'artisan veut passer aux LED. Donner trois avantages de la LED dans ce contexte industriel.
1. Efficacité lumineuse supérieure : les LED consomment 50 à 70 % de moins pour le même niveau d'éclairement, réduisant la facture électrique.
2. Durée de vie très longue : 25 000 à 50 000 h contre 8 000 h pour les fluorescentes, ce qui réduit les coûts de maintenance et les interruptions de production.
3. Résistance aux vibrations : les LED, sans filament ni gaz sous pression, résistent mieux aux vibrations générées par les machines de l'atelier.
Exercice 2
Pour une salle d'exposition de meubles haut de gamme, choisir entre :
A) LED blanc chaud 2 700 K, IRC 92, 120 lm/W, 8 W
B) LED blanc neutre 4 000 K, IRC 75, 140 lm/W, 6 W
Justifier le choix.
Choisir la lampe A.
– L'IRC 92 garantit une restitution fidèle des couleurs des bois et des tissus : essentiel pour valoriser des meubles haut de gamme.
– La température de couleur 2 700 K crée une ambiance chaleureuse propice à l'achat.
La lampe B, bien que plus économe (6 W), a un IRC trop bas (75) pour un espace de vente haut de gamme où la perception des couleurs est cruciale.
Exercice 3
Un menuisier agenceur doit choisir l'éclairage intégré d'un placard-dressing. Il souhaite un éclairage discret, sans chaleur, et adaptable à toutes les couleurs de vêtements. Proposer un type de source et ses caractéristiques.
Ruban LED ou spots LED encastrés avec les caractéristiques suivantes :
– Température de couleur : 3 500 – 4 000 K (blanc neutre, universel pour toutes les couleurs de vêtements).
– IRC ≥ 90 (pour ne pas fausser la perception des couleurs).
– Faible consommation (3 à 6 W par spot) et production de chaleur quasi nulle (pas de risque pour les vêtements).
– Forme compacte pour l'intégration discrète dans les tablettes ou les montants du dressing.
C5 — Calculer la consommation et le coût d'éclairage
Énergie : \(W = P \times t\) (kWh si \(P\) en kW et \(t\) en h)
Coût : \(\text{Coût} = W \times \text{prix unitaire (€/kWh)}\)
Exercice 1
Un atelier est éclairé par 15 spots de 18 W chacun pendant 10 h/jour, 220 jours/an. Calculer la consommation annuelle en kWh.
Le kWh est à 0,20 €. Calculer le coût annuel d'éclairage de cet atelier et comparer avec un remplacement par des LED de 8 W (même nombre, mêmes heures).
Un installateur d'agencement remplace l'éclairage d'un showroom. Les LED coûtent 12 € pièce (20 pièces). L'économie annuelle est de 120 €. Calculer le temps de retour sur investissement.
Investissement total : \(20 \times 12 = 240\) €
\[T_{\text{retour}} = \frac{240}{120} = 2 \text{ ans}\]
Temps de retour = 2 ans. Ensuite, les LED génèrent une économie nette de 120 €/an pendant encore 8 à 10 ans.
Exercice 4
Une réglette LED de 20 W dans une cuisine aménagée fonctionne 4 h/jour, 365 jours/an. Le kWh est à 0,20 €. Calculer le coût annuel d'utilisation.
\[W = 0{,}020 \times (4 \times 365) = 0{,}020 \times 1\,460 = 29{,}2 \text{ kWh/an}\]
\[\text{Coût} = 29{,}2 \times 0{,}20 = 5{,}84 \text{ €/an}\]
Coût annuel = 5,84 €. Le coût d'exploitation d'un éclairage LED intégré est très faible.
C6 — Propriétés du laser et dangers associés
À retenir
Un laser émet un faisceau lumineux qui est :
— Monochromatique : une seule longueur d'onde (une seule couleur)
— Directif : le faisceau reste étroit sur de grandes distances
— Puissant : énergie concentrée sur une très petite surface
Classes de laser : 1 (sans danger) → 2 (faible, réflexe de fermeture protège l'œil) → 3 (dangereux pour l'œil) → 4 (dangereux pour l'œil et la peau).
Exercice 16
Un menuisier agenceur utilise un laser de classe 2 pour tracer des alignements.
Citer les 3 propriétés qui distinguent le faisceau laser d'une lampe ordinaire.
Pourquoi le laser est-il utile pour tracer des alignements dans un atelier ?
Le fabricant indique « classe 2, P < 1 mW ». Quel danger subsiste malgré la faible puissance ?
Un collègue utilise un laser de classe 3B (P = 100 mW) pour un alignement sur chantier. Quelles précautions supplémentaires doit-il prendre ?
Monochromaticité (une seule couleur), directivité (faisceau étroit), puissance concentrée (énergie sur petite surface).
La directivité permet de tracer une ligne droite visible sur plusieurs mètres, bien plus précise qu'un cordeau.
Même à faible puissance, une vision directe prolongée dans le faisceau peut provoquer un éblouissement et des lésions rétiniennes si le réflexe de fermeture de l'œil ne fonctionne pas (fatigue, surprise).
Port de lunettes de protection laser adaptées à la longueur d'onde, balisage de la zone, panneau d'avertissement, interdire la vision directe et les réflexions sur surfaces métalliques polies.
Exercice 17
On compare deux sources lumineuses :
Source
Puissance
Type de faisceau
Spectre
Lampe halogène
50 W
Divergent (toutes directions)
Continu (lumière blanche)
Laser vert
5 mW
Directif (1 mm de diamètre)
Monochromatique (532 nm)
Laquelle a la plus grande puissance totale ?
Laquelle concentre le plus d'énergie par unité de surface ? Justifier.
Laquelle est la plus dangereuse pour l'œil en vision directe ? Pourquoi ?
La lampe halogène (50 W >> 5 mW).
Le laser : bien que sa puissance soit 10 000 fois plus faible, toute l'énergie est concentrée sur 1 mm² au lieu d'être dispersée dans toutes les directions. La densité de puissance (W/m²) est bien plus élevée pour le laser.
Le laser est plus dangereux : le cristallin de l'œil focalise le faisceau directif sur un point minuscule de la rétine, causant une brûlure locale. La lumière de la lampe est diffuse, la puissance par point de la rétine est faible.