Choisir une source lumineuse — Terminale Bac Pro ERA-MA
Durée : 10-15 min | Calculatrice autorisée
Barème : 20 points
Compléter les phrases :
a) La lumière visible va de ... nm (couleur ...) à ... nm (couleur ...).
b) La lumière est une onde ...
a) De 380 nm (violet) à 780 nm (rouge).
b) La lumière est une onde électromagnétique.
Une LED consomme P = 12 W et produit un flux lumineux Φ = 1 200 lm.
a) Écrire la formule de l'efficacité lumineuse.
b) Calculer : \(\eta = \dfrac{1\,200}{12} = ...\) lm/W
a) \(\eta = \dfrac{\Phi}{P}\)
b) \(\eta = \dfrac{1\,200}{12} = \mathbf{100}\) lm/W
Citer deux caractéristiques d'un laser qui le distinguent d'une lampe ordinaire :
a) ...
b) ...
Deux parmi : monochromatique (une seule longueur d'onde), directionnel (faisceau étroit), cohérent (ondes en phase).
Relier chaque température de couleur à son apparence :
| Température | Apparence |
|---|---|
| 2 700 K | ... (blanc chaud / blanc froid) |
| 6 500 K | ... (blanc chaud / blanc froid) |
2 700 K → Blanc chaud (jaunâtre)
6 500 K → Blanc froid (bleuté)
a) Que signifie IRC = 100 ?
b) Quel IRC minimum est recommandé pour un atelier de menuiserie ?
a) IRC = 100 signifie que la source restitue les couleurs aussi fidèlement que la lumière naturelle.
b) IRC ≥ 80
Barème : 20 points
Compléter les phrases :
a) L'unité de longueur d'onde utilisée pour la lumière est le ... (symbole : ...).
b) La couleur rouge correspond aux longueurs d'onde proches de ... nm.
a) Le nanomètre (symbole : nm).
b) La couleur rouge correspond aux longueurs d'onde proches de 780 nm.
Un spot halogène consomme P = 50 W et produit un flux lumineux Φ = 700 lm.
a) Écrire la formule de l'efficacité lumineuse.
b) Calculer : \(\eta = \dfrac{700}{50} = ...\) lm/W
a) \(\eta = \dfrac{\Phi}{P}\)
b) \(\eta = \dfrac{700}{50} = \mathbf{14}\) lm/W
Vrai ou Faux ? Justifier si faux.
a) Un laser émet de la lumière blanche.
b) Un laser émet un faisceau très étroit et directionnel.
a) FAUX. Un laser est monochromatique : il émet une seule longueur d'onde (une seule couleur).
b) VRAI. Le laser est très directionnel.
Un poseur de cuisines doit choisir l'éclairage sous les meubles hauts.
| Source | Température de couleur |
|---|---|
| LED blanc chaud | 2 700 K |
| LED blanc neutre | 4 000 K |
a) Laquelle donne une ambiance chaleureuse ?
b) Laquelle est plus adaptée pour travailler en cuisine ?
a) La LED blanc chaud (2 700 K) donne une ambiance chaleureuse (lumière jaunâtre).
b) La LED blanc neutre (4 000 K) est plus adaptée pour travailler car elle offre un éclairage plus neutre et précis.
a) Un IRC de 60 est-il suffisant pour un atelier de peinture ? Justifier.
b) Quel type de source a généralement un IRC proche de 100 ?
a) Non, un IRC de 60 est insuffisant. Pour un atelier de peinture, il faut un IRC ≥ 90 pour percevoir fidèlement les couleurs des teintes.
b) La lumière naturelle (soleil) a un IRC de 100. Les lampes à incandescence et halogènes ont aussi un IRC proche de 100.
Barème : 20 points
Un menuisier agenceur doit renouveler l'éclairage de son atelier de 200 m². Il hésite entre :
a) Calculer l'efficacité lumineuse de chaque source.
b) Laquelle est la plus efficace ?
a) Fluorescent : \(\eta = \dfrac{2\,880}{36} = \mathbf{80}\) lm/W. LED : \(\eta = \dfrac{2\,400}{20} = \mathbf{120}\) lm/W.
b) La LED est plus efficace (120 > 80 lm/W).
Un ébéniste contrôle la teinte d'un vernis appliqué sur un meuble en chêne. Il dispose de deux sources :
a) Laquelle permet la meilleure perception des couleurs ? Justifier.
b) Pourquoi la lampe sodium n'est-elle pas adaptée malgré sa bonne efficacité lumineuse ?
a) La LED blanc neutre (IRC = 90) permet la meilleure perception des couleurs car son IRC est élevé et proche de la lumière naturelle.
b) La lampe sodium a un IRC très faible (25) : les couleurs apparaissent faussées (tout semble jaunâtre). Impossible de contrôler la qualité d'une finition bois sous cet éclairage.
Un laser rouge de chantier (niveau laser) émet à λ = 650 nm. On donne c = 3 × 10⁸ m/s.
a) Convertir 650 nm en mètres.
b) Calculer la fréquence ν du laser : \(\nu = \dfrac{c}{\lambda}\).
a) \(\lambda = 650 \times 10^{-9} = 6{,}5 \times 10^{-7}\) m
b) \(\nu = \dfrac{3 \times 10^8}{6{,}5 \times 10^{-7}} = \dfrac{3}{6{,}5} \times 10^{14} \approx \mathbf{4{,}6 \times 10^{14}}\) Hz
Citer deux applications du laser sur un chantier de menuiserie ou de bâtiment.
Deux parmi : niveau laser (traçage horizontal/vertical), télémètre laser (mesure de distances), découpe laser (découpe de bois ou de métal), traceur laser (report de plans).
Quelle est la différence entre un spectre continu et un spectre monochromatique ? Donner un exemple de source pour chaque type.
Spectre continu : toutes les longueurs d'onde du visible sont présentes. Exemple : le Soleil ou une lampe à incandescence.
Spectre monochromatique : une seule longueur d'onde (une seule couleur). Exemple : un laser.
Barème : 20 points
Un technicien d'agencement doit éclairer un showroom de 150 m². Il compare deux solutions :
a) Calculer l'efficacité lumineuse de chaque source.
b) Laquelle est la plus efficace ?
a) Halogène : \(\eta = \dfrac{700}{50} = \mathbf{14}\) lm/W. LED : \(\eta = \dfrac{800}{8} = \mathbf{100}\) lm/W.
b) La LED est plus efficace (100 > 14 lm/W).
Un menuisier agenceur doit vérifier la teinte d'un placage en noyer. Il dispose de deux sources :
a) Laquelle permet la meilleure perception des couleurs ? Justifier.
b) Pourquoi le tube fluorescent standard est-il inadapté pour ce travail ?
a) La LED blanc neutre haut de gamme (IRC = 95) permet la meilleure perception des couleurs car son IRC est très proche de celui de la lumière naturelle (100).
b) Le tube fluorescent a un IRC de 65, bien en dessous du seuil recommandé de 80 pour les ateliers. Les teintes du bois apparaîtraient faussées, rendant le contrôle qualité impossible.
Un laser vert de traceur émet à λ = 532 nm. On donne c = 3 × 10⁸ m/s.
a) Convertir 532 nm en mètres.
b) Calculer la fréquence ν du laser : \(\nu = \dfrac{c}{\lambda}\).
a) \(\lambda = 532 \times 10^{-9} = 5{,}32 \times 10^{-7}\) m
b) \(\nu = \dfrac{3 \times 10^8}{5{,}32 \times 10^{-7}} = \dfrac{3}{5{,}32} \times 10^{14} \approx \mathbf{5{,}64 \times 10^{14}}\) Hz
Citer deux applications du laser dans le domaine de la menuiserie ou de l'agencement.
Deux parmi : télémètre laser (mesure de distances), niveau laser (traçage horizontal/vertical), découpe laser (découpe de panneaux, gravure sur bois), traceur laser (report de plans au sol).
Quelle est la différence entre un spectre de raies et un spectre continu ? Donner un exemple de source pour chaque type.
Spectre continu : toutes les longueurs d'onde sont présentes (bande continue de couleurs). Exemple : une lampe à incandescence ou le Soleil.
Spectre de raies : seules quelques longueurs d'onde précises sont émises (raies colorées sur fond noir). Exemple : une lampe à vapeur de sodium ou un tube néon.
Barème : 20 points
Un chef d'atelier veut éclairer une zone de travail de 100 m² à 500 lux (norme pour travail de précision). Un lux = 1 lm/m².
a) Calculer le flux lumineux total nécessaire.
b) Combien de réglettes LED de 2 400 lm chacune faut-il installer ?
a) \(\Phi = 500 \times 100 = \mathbf{50\,000}\) lm
b) \(\dfrac{50\,000}{2\,400} \approx 20{,}8\) → il faut 21 réglettes LED.
Un atelier de menuiserie remplace 30 tubes fluorescents de 36 W par 20 réglettes LED de 20 W (même éclairage).
a) Calculer la puissance totale consommée avant et après le remplacement.
b) Si l'atelier fonctionne 2 000 h/an et le kWh coûte 0,20 €, calculer l'économie annuelle.
a) Avant : \(30 \times 36 = 1\,080\) W. Après : \(20 \times 20 = 400\) W.
b) Économie de puissance : \(1\,080 - 400 = 680\) W = 0,68 kW.
Économie annuelle : \(0{,}68 \times 2\,000 \times 0{,}20 = \mathbf{272}\) €/an.
Un laser vert de traceur émet à λ = 532 nm et un laser rouge de niveau émet à λ = 650 nm. On donne c = 3 × 10⁸ m/s.
a) Lequel a la fréquence la plus élevée ? Justifier sans calcul.
b) Calculer la fréquence du laser vert.
a) Le laser vert a la fréquence la plus élevée car \(\nu = c/\lambda\) : plus λ est petit, plus ν est grand. Et 532 nm < 650 nm.
b) \(\nu = \dfrac{3 \times 10^8}{532 \times 10^{-9}} = \dfrac{3 \times 10^8}{5{,}32 \times 10^{-7}} \approx \mathbf{5{,}64 \times 10^{14}}\) Hz
Expliquer pourquoi une LED blanche n'est pas monochromatique, alors qu'elle utilise une LED bleue. Comment obtient-on la lumière blanche ?
Une LED blanche utilise une LED bleue (pic à environ 450 nm) recouverte d'une couche de phosphore jaune. Le phosphore absorbe une partie de la lumière bleue et la réémet à des longueurs d'onde plus grandes (jaune-orange). Le mélange de la lumière bleue restante et de la lumière jaune émise par le phosphore donne une lumière perçue comme blanche.
Le spectre résultant est large (non monochromatique), avec un pic bleu et une bosse jaune.
Un conducteur de travaux doit choisir l'éclairage d'un showroom de cuisine haut de gamme. Expliquer les critères qu'il doit prendre en compte (température de couleur, IRC, efficacité) et justifier ses choix.
Température de couleur : blanc neutre (4 000 K) pour une ambiance professionnelle tout en restant accueillante. Pas trop froid (6 500 K serait trop clinique pour un showroom).
IRC : IRC ≥ 90 indispensable pour que les clients perçoivent fidèlement les couleurs des bois, des plans de travail et des façades de cuisine.
Efficacité : LED (≥ 100 lm/W) pour minimiser la consommation dans un espace éclairé en permanence.
Choix recommandé : LED blanc neutre 4 000 K, IRC ≥ 90, 100-120 lm/W.
Barème : 20 points
Un ébéniste veut éclairer son établi de 8 m² à 750 lux (norme pour travail de précision fine). Un lux = 1 lm/m².
a) Calculer le flux lumineux total nécessaire.
b) Combien de spots LED de 1 500 lm chacun faut-il installer ?
a) \(\Phi = 750 \times 8 = \mathbf{6\,000}\) lm
b) \(\dfrac{6\,000}{1\,500} = 4\) → il faut 4 spots LED.
Un atelier d'agencement remplace 20 spots halogènes de 50 W par 20 spots LED de 8 W (même éclairage).
a) Calculer la puissance totale consommée avant et après le remplacement.
b) Si l'atelier fonctionne 1 800 h/an et le kWh coûte 0,22 €, calculer l'économie annuelle.
a) Avant : \(20 \times 50 = 1\,000\) W. Après : \(20 \times 8 = 160\) W.
b) Économie de puissance : \(1\,000 - 160 = 840\) W = 0,84 kW.
Économie annuelle : \(0{,}84 \times 1\,800 \times 0{,}22 = \mathbf{332{,}6}\) €/an.
Un laser bleu de gravure émet à λ = 450 nm et un laser infrarouge de découpe émet à λ = 1 064 nm. On donne c = 3 × 10⁸ m/s.
a) Lequel a la fréquence la plus élevée ? Justifier sans calcul.
b) Calculer la fréquence du laser bleu.
a) Le laser bleu a la fréquence la plus élevée car \(\nu = c/\lambda\) : plus λ est petit, plus ν est grand. Et 450 nm < 1 064 nm.
b) \(\nu = \dfrac{3 \times 10^8}{450 \times 10^{-9}} = \dfrac{3 \times 10^8}{4{,}50 \times 10^{-7}} \approx \mathbf{6{,}67 \times 10^{14}}\) Hz
Expliquer pourquoi une lampe à incandescence a une efficacité lumineuse très faible (environ 12 lm/W) alors qu'elle consomme beaucoup d'énergie électrique. Sous quelle forme l'énergie est-elle principalement dissipée ?
Une lampe à incandescence chauffe un filament de tungstène à environ 2 500 °C. D'après la loi de Wien, le pic d'émission est dans l'infrarouge, pas dans le visible. Environ 95 % de l'énergie électrique est convertie en chaleur (rayonnement IR) et seulement 5 % en lumière visible.
C'est pourquoi son efficacité lumineuse est très faible : la majeure partie de l'énergie est dissipée sous forme de rayonnement thermique infrarouge.
Un menuisier agenceur doit choisir l'éclairage d'un magasin de meubles en bois massif. Expliquer les critères qu'il doit prendre en compte (température de couleur, IRC, efficacité) et justifier ses choix.
Température de couleur : blanc chaud (3 000 K) pour mettre en valeur les teintes chaudes du bois massif et créer une atmosphère accueillante pour les clients.
IRC : IRC ≥ 90 pour que les veines et nuances naturelles du bois soient fidèlement rendues. Un IRC faible fausserait les teintes et nuirait à la présentation.
Efficacité : LED (≥ 100 lm/W) pour limiter la consommation dans un espace commercial éclairé toute la journée.
Choix recommandé : LED blanc chaud 3 000 K, IRC ≥ 90, 100-120 lm/W.