Chap03_Eclairage_prof.doc
publicité
Cours : L’éclairage dans l’habitat I) Capacités exigibles I.1) Compétences 1 Rechercher, extraire et organiser l’information utile, 2 Réaliser, manipuler, mesurer, calculer, appliquer des consignes 3 Présenter la démarche suivie, les résultats obtenus, communiquer à l’aide d’un langage adapté 4 Raisonner, argumenter, pratiquer une démarche expérimentale ou technologique, démontrer, I.2) Capacités Thème : Habitat Sous-Thème : Gestion de l’énergie dans l’habitat Notions et Contenus : Sources lumineuses Flux lumineux ; longueur d'onde, couleur et spectre. 35 Utiliser un capteur de lumière pour mesurer un flux lumineux.. Activité expérimentale 36 Positionner sur une échelle de longueurs d'ondes les spectres de différentes lumières : visible, infrarouge et ultraviolette Ex : 11-12-18-19 37 Relier les unités photométriques à la sensibilité de l'œil humain. Ex : 14-15-19-22-23 Exploiter les caractéristiques d'une source d'éclairage artificiel : efficacité énergétique, classe d'efficacité énergétique ; 38 température de couleur, indice de rendu des couleurs (IRC).. Activité documentaire et Ex 13-16-17-20-21 II) Capacités exigibles L’utilisation de luminaires dans les entreprises, les bureaux, les habitations doit satisfaire aux diverses exigences de besoin d’éclairement, de qualité d’éclairement, et cela pour une consommation la plus faible possible. En effet la consommation électrique pour l’éclairage correspondant à 14 % de la consommation des ménages, l’amélioration de l’efficacité énergétique est un axe de progrès à privilégier. III) Etude de diverses sources lumineuses III.1) Expérience : Pour chaque lampe, observons le spectre au travers d’un spectroscope. Mesurer l’éclairement produit par chaque lampe et à diverses distances Mesurer la consommation énergétique de chacune. image Incandescence Lampe halogène spectre Continu Continu angle Puissance (W) Exp. Cons. 103 80 64 32 38 Eclairement E(lx) 4 R E 2 à R=30cm à 60 cm 1900 1300 820 160 820 565 De raies Eclairage à LED De raies Lampe à vapeur de sodium haute pression (Lucalox 100W) soleil Ecran d’ordinateur Bougie De raies 26 23 1300 4,3 4,5 160 100 8000 ? Efficaci té lumine use (lm/W) 260 400 50 classe Durée de vie (h) Variat eur 2150 21 28 (fp=1) Lampe fluocompacte (Philips Tornado 23 W) Flux (lm) Exp. Cons. 927 345 1500 1500 200 155 24 58 50 D et E D et E 1 000 2 000 Tempér ature de couleur Oui Oui B Hg=0 2800 100% % A et B 12 000 Non 2700 Mà B 82% 20 000 Non 3000 Mà B A et B 24 000 Non 2000 TM 22% A recycla ble TB Hg=0 2500 100% % 9500 95 IRC Hg=1 ,5mg Prix 1 8 13 11 13 IV) Caractéristique des sources lumineuses IV.1) Spectre d’une source - La lumière du soleil est polychromatique (plusieurs couleurs): elle est composée d’une succession continue de radiations et peut être décomposée en traversant un milieu dispersif, comme un réseau (succession de fentes très fines) ou un prisme (triangle de verre). - Chaque radiation est une onde électromagnétique caractérisée par sa longueur d’onde. - La longueur d'onde "" d’une radiation est liée à sa fréquence "f" par la relation : Relation fondamentale : c : célérité de la lumière dans le vide c = 300 000 km.s-1 = 3 108 m.s-1 c cT : longueur d’onde (m) f T : période (s) : fréquence (Hz) - Les radiations visibles par l’œil humain vont du violet au rouge. Leurs longueurs d’onde sont comprises entre 400 nm et 800 nm. = Exemple : Pour une fréquence de 100 MHz ; 3.108 3 m. 100.106 Ex 1-2-11-12-13-18 IV.2) Réponse de l’œil à la lumière : 1.0 Q ui me ™ nt et run désco m prr ve isssua eul isr er P ho to ck- JTiPE G so eq ui p ou c et t e i m ag e. V() 0.8 0.6 L'œil perçoit des longueurs d'onde et le cerveau "voit" des couleurs 0.4 0.2 0.0 400 450 500 550 600 650 700 (nm) 1 watt (W) émit à 555 nm vaut 683 lumens (lm) Un objet semble être coloré car il absorbe sélectivement certaines longueurs d'onde de la lumière incidente L ’œil présente un maximum de sensibilité vers 555 nm dans les conditions de vision photopique 1 watt (W) émit à 555 nm vaut 683 lumens (lm) Autour de cette longueur d ’onde la sensibilité décroît et s’annule vers 380nm et 760nm. 1.0 Très nombreux (~125 millions) Très sensibles (1 bâtonnet peut réagir à 1 seul photon, mais le quantique n’est que de 50%) Insensibles à la couleur Lents à l’adaptation Quic me™ et run décompresseur Photo - JkTi PEG s ont equis pour cette i mage. 0.8 ) V( 0.6 0.4 0.2 0.0 400 450 500 550 600 650 700 (nm) De la cornée à la rétine (exclue) la courbe de transmission spectrale couvre une gamme de 300 nm à 1400 nm. Le cristallin porte la limite inférieure globale à 380 nm au lieu de 300 nm Le seuil de sensibilité d’un bâtonnet est environ 100 fois plus bas que celui d’un cône ! Quand à la vitesse de réaction, celle des cônes est au moins 4 fois plus grande que celle des bâtonnets (100 ms). Les bâtonnets sont sujets à une désensibilisation progressive, qui n ’est complète que par un ciel bleu d’été à midi. En petit nombre (~ 5 millions/œil) Sensibilité moyenne Grande vitesse de réponse Sensibles à la couleur L'œil perçoit des longueurs d'onde et le cerveau "voit" des couleurs Un objet semble être coloré car il absorbe sélectivement certaines longueurs d'onde de la lumière incidente Les cellules de la rétine reçoivent les différentes radiations de la lumière visible. Elles les convertissent en impulsions électriques transmises au cerveau par le nerf optique, qui les décode. Elles ne présentent pas la même sensibilité pour toutes les longueurs d’onde. En vision diurne (qui vit le jour), l’œil présente un maximum de sensibilité à 555 nm (vert-jaune) ; en vision nocturne (scotopique) ce maximum est de 505 nm (vert-bleu). IV.3) Influence de la température sur le spectre : La température de couleur permet de déterminer la couleur d'une source de lumière. Elle se mesure en degrés kelvins A noter : la "température" de couleur ne correspond pas à la température réelle de la source lumineuse. Elle est liée au modèle théorique du corps noir qui, lorsqu'il est chauffé, émet une certaine qualité de lumière. Lumière du jour au coucher et au lever du soleil : 2500 à 3800 K. Lumière du jour "normale" de 4000 à plus de 15 000 K. Source Bougie Lampe au sodium (forte dominante rouge) Lampe à incandescence classique Lampe halogène Lampe halogène bleutée Lampe fluorescente Température de couleurs (K) 1800 K 2000 K Source Halogénure métalliques Lampe Xénon Température de couleurs (K) 3000 à 4200 K 5600 K 2400 K à 2800 K Lumière naturelle normée 6500 K 3000 K à 3200 K 4000 K (blanc chaud) 2700 à 3000 K (blanc neutre) 3900 à 4200 K Soleil au Zénith Temps couvert (forte dominante bleue) 5800 K 7000 à 10 000 K Remarques : - Plus la tension augmente plus la température du filament augmente, plus le spectre se déplace dans le violet. - Pour le cas d’une lampe à économie d’énergie, le spectre est un spectre discontinu (spectre de raies) Ex 3-4-16-19 IV.4) Indice de rendu des couleurs : L'Indice de Rendu des Couleurs "l’IRC" indique la capacité d’une source lumineuse à restituer les différentes couleurs naturelles d’un objet. L’IRC varie de 0 à 100. Plus l'IRC est grand, mieux les couleurs sont restituées. La lumière du jour (lumière blanche) considérée comme la lumière parfaite détient évidemment le record car son IRC est de 100. Plage d’IRC Rendu des couleurs IRC < 80 80 < IRC < 85 85 < IRC < 95 95 < IRC < 100 Médiocre Moyen Bon Très bon Ex 5- V) Grandeurs photométriques : La photométrie est l’étude de la lumière du point de vue énergétique. L’œil humain sert de référence pour établir les unités visuelles des grandeurs de la photométrie. Sensibilité de l’œil humain 446 violet bleu 578 592 vert Energie émise (W) 620 jaune orange 780 rouge Flux lumineux (lm) Filtre V( ) F 760 nm P( )V ()d 380 nm 683 lm / W V.1) Flux énergétique : E (en W) Le flux énergétique (ou radiométrique) ou puissance radiante est la puissance (en watts) transportée par l’ensemble des radiations d’un faisceau lumineux (c’est l’énergie transportée par les photons transmis par unités de temps). Attention : l’ensemble des radiations inclut toutes les radiations (toutes les longueurs d’ondes, mêmes invisibles) et il faut prendre en compte toutes les directions de propagation. Le flux énergétique "E" est défini par : E E : flux énergétique en watt (W) W . t W : énergie lumineuse rayonnée par la source en Joule (J) T : durée en seconde (s) Puissance dissipée sous forme de chaleur Puissance électrique reçue en W Lampe Puissance rayonnée = flux énergétique en W = .P V.2) Flux lumineux : (en lumens) Toutes les fréquences du rayonnement ne sont pas forcément visibles par l'œil humain : à un flux énergétique déterminé correspond une impression visuelle qui dépend de la longueur d’onde (ou de l’intervalle de longueurs d’onde) du rayonnement. Cette impression est caractérisée par le flux lumineux du faisceau exprimé en lumens. Le flux lumineux dépend donc de la réponse de l’œil V aux différentes longueurs d’ondes V E Avec = 683 lm/W et E le flux énergétique Le flux lumineux est la quantité de lumière émise par une source lumineuse dans un certain cône (pour caractériser une lampe on prendra l’ensemble de son cône d’émission) Le lumen (symbole lm) est une unité de puissance lumineuse comme le watt (W). Comme la conversion entre dollar et euro, on a: 1W = 683 lm (à 555nm) Cette conversion n'est valable que pour la longueur d'onde 555nm (maximum de sensibilité de l'oeil en vision diurne). Pour une couleur où la sensibilité de l'oeil est de 60% du maximum (orange ou turquoise par exemple), 1 watt ne donnera que 683lm x 60% = 410 lm. Une puissance optique émise à 350nm ou 900nm n'est pas perçue par l'oeil et donc ne génère pas de lumen. Dans le cas d'une lumière blanche, le rapport en lm/W est inférieur à 683 parce que la sensibilité moyenne de l'oeil, pour toutes les couleurs présentes dans le blanc est inférieure à celle du maximum. Le rapport vaut 240 lm/W. Cette valeur n'est pas un rendement mais une conversion comme celle entre minutes et secondes : il n'y a aucune perte énergétique entre le watt optique émis et les 240 lm perçus par l'oeil ! Ex 6-7 V.3) Efficacité énergétique : k : est le rendement lumineux de la lampe encore appelé efficacité lumineuse, il s’exprime en lm.W-1. P : est la puissance électrique reçue par la lampe qui s’exprime en W. Remarques : L’efficacité lumineuse (k ou e) d’une source caractérise les classes énergétiques des lampes qui correspond au quotient du flux lumineux émis "" par la puissance électrique consommée "P" : k e P Une directive européenne classe les lampes à partir de leur efficacité énergétique qui s’exprime par une lettre allant de A (très économique) à G (peu économique). Etiquette d’efficacité énergétique d’une lampe Il faut savoir que pour un niveau d’éclairement donné, dans une installation d’éclairage, la consommation d’énergie sera moindre avec des lampes ayant une efficacité lumineuse élevée. L'efficacité lumineuse de différentes sources de lumière change considérablement : elle peut varier de moins de 10 lm/W à plus de 200 lm/W. Incandescence Halogène Vapeur de Sodium Vapeur de Sodium HP Tube fluorescent Fluocompacte Lampe à LED Lampe à LED Flux lumineux (lm) 710 2 800 7 000 Puissance électrique (W) 60 140 70 8000 angle Durée de vie (h) Température de couleur IRC Efficacité lumineuse Prix 1 000 2 000 15 000 2 700 2 900 1 900 100 80 15 20 24 95 1.6 € 8€ 25 € 110 14 000 2000 15 1350 18 20 000 3000 80 600 470 136 11 8 2.7 15 000 15 000 15 000 2 700 2 700 2600 80 80 80 130 30 € 60 4.36 € 8€ 25 € 14.95 Exemple : Catégorie d’efficacité énergétique : A Flux lumineux de la lampe : 1150 lm Puissance électrique : 20 W Durée de vie moyenne : 10 000 heures. Efficacité lumineuse = 57,5 Ex 8-10-21 V.4) Classe énergétique : http://www.astuces-pratiques.fr/maison/ampoule-a-incandescence-classe-energetique Détermination de la classe énergétique La puissance électrique et le flux lumineux doivent être connus. Prenons un exemple : une ampoule de 100W et 1340 lm. Notations : Puissance électrique de la lampe (Watts) : P Flux lumineux (Lumens) : F Calcul à faire : 1° Si l'inégalité suivante est vraie, l'ampoule est de classe A : P 0, 24 F 0.0103 F 2° Si l'ampoule n'est pas de classe A, un calcul supplémentaire doit être fait. : On pose Pr une puissance de référence (grandeur purement artificielle) : Pr 0,88 F 0.049 F 3° Calcul de P/Pr. C'est la valeur de P/Pr qui détermine la classe énergétique (B à G). On compare avec les encadrements suivants pour déterminer la classe V.5) Eclairement d’une surface : Le flux lumineux produit par une source peut se répartir sur des surfaces différentes donnant des effets différents. Il a donc fallu définir une unité de flux lumineux par unité de surface, c'est l'éclairement. L’éclairement énergétique est le flux énergétique reçu par unité de surface (en W/m2) L’éclairement (lumineux) est le flux lumineux reçu par unité de surface (en lux=lm/m2) : Flux lumineux en lumens E S : surface en m² S E : éclairement en lux le lux est l’éclairement d’une surface de 1m² recevant perpendiculairement à elle-même un flux de 1 lm régulièrement réparti. Remarque : L’éclairement diminue avec le carré de la distance à la source. En effet le cas le plus simple est de considérer une source ponctuelle émettant un flux dans tout l’espace Si on se place à une distance R1 le flux éclairera la surface 4R12. L’éclairement est donc E1 4 R12 Si on se place à une distance R2 le flux éclairera la surface 4R22. L’éclairement est donc E2 4 R22 L’éclairement évolue bien avec le carré de la distance. S2 = 4R22 S1 = 4R12 Ex 9-14-15-17-20-22-23 V.6) Intensité lumineuse : L’intensité lumineuse représente le flux lumineux émis par une source ponctuelle par unité d’angle solide, dans un cône de direction précise. I I : intensité lumineuse en candela (cd) en lumen (lm) Ω : angle du solide en stéradian (sr) . VI) Différents types des lampes : Lampe Diodes Lampe fluocompacte Lampe à décharge halogène électroluminescentes - Les ampoules à filament (à incandescence) émettent un spectre continu. Pour obtenir une lumière plus blanche, on peut ajouter un gaz halogène dans l’ampoule (lampe halogène), qui permet d’augmenter la température du filament. - La lampe fluocompacte, fait partie de la famille des lampes à décharge où une décharge électrique provoque l’ionisation d’un gaz qui en revenant à son état de repos émet de la lumière (vapeur de mercure :UV, néon : rouge, sodium jaune …). Dans le cas du tube néon et de la fluocompacte il faut ensuite convertir en rayonnement visible par les substances fluorescentes qui recouvrent le tube. Le spectre émis par ces lampe est discontinu (spectre de raies). - Les diodes électroluminescentes émettent de la lumière lorsqu’elles sont parcourues par un courant. Le spectre émis par cette lampe est discontinu (spectre de raies). Lampe à incandescence Exercices : L’éclairage dans l’habitat Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 1 p 46 : Capacité 36 Compétence Capacité 36 Compétence Capacité 38 Compétence Capacité 38 Compétence Enoncé Parmi ces longueurs d'onde, lesquelles correspondent au domaine du visible ? ❑a) 420 m ❑b) 506 nm ❑c) 732 nm Solution Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 2 p 46 : Enoncé Une radiation électromagnétique a une longueur d'onde de 320 nm. Elle appartient au domaine : ❑a) du visible ❑b) des infrarouges ❑c) des ultraviolets Solution Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 3 p 46 : Enoncé Lorsque la température d'un corps noir augmente, la lumière qu'il émet : ❑a) contient de plus en plus de rouge ❑b) contient de plus en plus de bleu ❑c) apparaît de plus en plus blanche Solution b et c Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 4 p 46 : Enoncé Une lumière blanche légèrement bleutée correspond à une température de couleur : ❑a) faible, inférieure à 3 500 K ❑b) moyenne, comprise entre 3 500 K et 5 500 K ❑c) élevée, supérieure à 5 500 K Solution c) Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 5 p 46 : Capacité 38 Compétence Capacité 38 Compétence Capacité 37 Compétence Capacité 38 Compétence Enoncé Une source a un indice de rendu des couleurs égal à 40. ❑a) les couleurs obtenues sont très lumineuses ❑b) les couleurs obtenues sont ternes ❑c) les différentes couleurs sont difficiles à distinguer Solution Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 6 p 46 : Enoncé La quantité de lumière émise par une source est caractérisée par : ❑a) la température de couleur, en kelvins ❑b) l'indice de rendu des couleurs ❑c) le flux lumineux, en lumens Solution c) flux lumineux Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 7 p 46 : Enoncé Le flux énergétique est lié au flux lumineux par la relation ❑a) E E S ❑c) V ( ) E ❑b) Solution c) Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 8 p 46 : Enoncé L'efficacité lumineuse e est liée au flux lumineux de la source et à la puissance consommée P par la relation ❑a) e P ❑b) e P ❑c) e P Solution a) Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 9 p 46 : Capacité 37 Compétence Capacité 38 Compétence Capacité Compétence Enoncé Une source lumineuse dont le flux lumineux est = 1 000 lm éclaire une table de surface S = 2 m2. L'éclairement sur la table, supposé uniforme, vaut : ❑a) E = 1000 lux ❑b) E = 2000 lux ❑c) E = 500 lux Solution c)E=/S=500 lux Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 10 p 46 : Enoncé Des ampoules suivantes, quelles sont les deux qui présentent la meilleure efficacité énergétique ? ❑a) lampe fluocompacte ❑b) lampe halogène ❑c) lampe à incandescence ❑d) lampe DEL Solution a) d) Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 11 p 48 : Soleil couchant Enoncé On donne ci-dessous deux spectres de la lumière du Soleil, l'un correspondant à la lumière observée lorsque le Soleil est au zénith, l'autre à la lumière observée lorsque le Soleil se couche. 1. Identifier les deux spectres en justifiant votre réponse. 2. La température du Soleil ne change pas au cours de la journée, et si les spectres observés sont différents, c'est parce que l'atmosphère agit sur le spectre comme si elle absorbait des radiations. Quelles sont les couleurs « absorbées » par l'atmosphère ? 3. Peut-on en déduire la couleur du ciel ? Solution Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 12 p 48 : Domaine de prédilection Capacité Compétence Capacité Compétence Capacité Compétence Capacité Compétence Enoncé Attribuer les longueurs d'onde suivantes aux différents domaines (visible, UV, infrarouge) et préciser la couleur approximative pour les longueurs d'onde appartenant au visible. 638 nm ; 470 nm ; 524 nm ; 850 nm ; 931 nm ; 325 nm ; 712 nm. Solution Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 13 p 48 : Différences Enoncé Citer plusieurs différences entre une lampe à incandescence et une lampe fluocompacte Solution Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 14 p 48 : une lampe pour plusieurs surfaces Enoncé Une source lumineuse émet un flux lumineux de 500 lm. Indiquer la valeur de l'éclairement produit lorsque cette source est utilisée pour éclairer (on supposera que le flux est dirigé intégralement sur la surface à éclairer): 1. une table de 1 m2. 2. un tapis de 4 m2. 3. un livre de 20 cm par 20 cm. Solution 1. 2. 3. E E E Chapitre S S S 500 500 lux 1 500 125 lux 4 500 12500 lux 0, 2 0, 2 Titre 3 – Eclairage dans l’habitat Nathan Ex 15 p 48 : une même surface pour plusieurs lampes Enoncé On souhaite éclairer un bureau d'une surface de 2 m2. L'éclairement minimal souhaité est de 200 lux. Calculer l'éclairement produit par les lampes suivantes. Peut-on obtenir l'éclairement souhaité ? 1. une lampe halogène de 2 800 lm 2. une lampe fluocompacte de 250 lm 3. une lampe à DEL de 400 lm Solution 2800 1400 lux éclairage largement suffisant (risque éblouissement) S 2 250 125 lux éclairage insuffisant 2. E S 2 400 200 lux éclairage correct 3. E S 2 1. E Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 16 p 48 : Souffler sur les braises Capacité Compétence Capacité Compétence Enoncé La photo ci-contre présente un ensemble de braises. 1. En s'appuyant sur leur couleur, indiquer lesquelles sont les plus chaudes. 2. Lorsqu'on souffle sur des braises avec un boufadou, l'apport de dioxygène réactive la combustion, et augmente finalement la température de la braise. Comment sa couleur varie-t-elle ? Solution 4. Les braises les plus chaudes sont celles qui tirent vers le jaune blanc 5. La couleur devient de plus en plus orangé blanc Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 17 p 48 : Télévision couleur Enoncé L’éclairement produit par plusieurs lampes est la somme des éclairements produits par chaque lampe prise séparément. Lorsque les lampes émettent des couleurs différentes, celles-ci se combinent pour en former une nouvelle. En faisant varier les proportions respectives de rouge, de vert et de bleu, on peut ainsi créer n'importe quelle couleur. C'est le principe de la synthèse additive, mis à profit dans les écrans de télévision couleur par exemple. 1. En étudiant la figure ci-contre, préciser quelles couleurs on doit additionner pour obtenir du jaune, ou bien du cyan, ou encore du magenta. 2. En réalité, on n'obtient ces trois couleurs combinées que si les éclairements de chaque couleur de départ sont égaux. Si l'on souhaite obtenir un orange, quelles couleurs doit-on additionner, et dans quelles proportions respectives (approximatives) ? Reprendre la question pour un violet prononcé. 3. Calculer l'éclairement d'une table de 1 m2 éclairée simultanément par une lampe verte émettant un flux de 100 lm, et une lampe bleue émettant un flux de 300 lm. Donner la teinte dominante de l'éclairement obtenu. Solution 1. Jaune : vert rouge Cyan : vert bleu Magenta : rouge bleu 2. Orange : plus de rouge que de vert Violet prononcé : plus de bleu que de rouge 3. E S Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat 100 300 400 lux donc bleu foncé 1 Titre Nathan Ex 18 p 49: A la poursuite des étoiles Capacité Compétence Capacité Compétence Enoncé L'analyse des spectres des étoiles lointaines, observés par les télescopes terrestres, ou bien par les télescopes embarqués sur des satellites, permet de déduire la composition des étoiles ou encore de l'atmosphère des planètes observables, car les raies spectrales sont caractéristiques des éléments chimiques. Elles servent aussi à déterminer la vitesse de déplacement de l'étoile. 1. Effet Doppler : lorsqu'une voiture de course passe à proximité de vous, le son est modifié entre le moment où elle s'approche, et le moment où elle s'éloigne. Sachant qu'une haute fréquence correspond à un son aigu et une basse fréquence à un son plus grave, indiquer comment varie la fréquence des ondes sonores lorsque la voiture de course vous dépasse. 2. On observe le même phénomène de décalage des fréquences dans le domaine des ondes lumineuses. Sachant que la fréquence est inversement proportionnelle à la longueur d'onde, indiquer si une grande fréquence correspond plutôt à une courte longueur d'onde ou bien à une grande longueur d'onde. 3. Dans la théorie du Big Bang, l'Univers étant en perpétuelle expansion, les étoiles s'éloignent les unes des autres. Vers quelle couleur sont décalées les raies spectrales des étoiles observées depuis la Terre ? Ce décalage est utilisé en pratique pour mesurer la vitesse de déplacement des étoiles et valider les théories astronomiques. Solution Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 19 p 49 : Les petits hommes verts voient rouge Enoncé L'œil humain perçoit les rayonnements électromagnétiques dans un domaine centré autour de la longueur d'onde correspondant au maximum du spectre d'émission du corps noir de notre étoile, le Soleil, dont la température de surface est environ de 5000 K. D'après la loi de Wien, max T 2,9 103 m K 1. Calculer max correspondant. Cette longueur d'onde appartient-elle au domaine du visible ? 2. L'étoile Bételgeuse, située à environ 500 années-lumière de la Terre, a une température de 3 600 K. Quelle est la longueur d'onde correspondant au maximum de son spectre d'émission ? Cette longueur d'onde appartientelle au domaine du visible ? 3. Si cette étoile possédait une exoplanète susceptible d'abriter la vie, le récepteur biologique de ces extraterrestres leur permettrait-il de voir dans le visible ? dans l'ultraviolet ? dans l'infrarouge ? 4. Reprendre ces deux dernières questions pour l'étoile Altaïr, située à 17 années-lumière de la Terre, dont la température est de 7 800 K. Solution 1. max 2,9 103 2,9 103 580 109 m soit 580 nm T 5000 580 nm correspond au vert et c’est donc bien dans le domaine du visible 2. max 2,9 103 2,9 103 805 109 m soit 805 nm T 3600 Et cela correspond au rouge voire infrarouge 3. Pour s’adapter au spectre de Betelgeuse, les extraterrestres doivent être sensible à l’infrarouge (Betelgeuse n’émet pas d’ultraviolet et très peu de visible) 4. max 2,9 103 2,9 103 371109 m soit 371 nm soit de l’ultraviolet T 7800 Pour s’adapter au spectre de Altaïr, les extraterrestres doivent être sensible aux UV voire au visible Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 20 p 49 : Roland Garros Enoncé Lorsque le temps est clément, les matchs de tennis du tournoi de Roland Garros se déroulent en plein soleil. Un terrain de tennis a une longueur d'environ 24 m pour une largeur d'environ 11 m. 1. Calculer la surface d'un terrain de tennis. 2. Sachant que l'éclairement produit par le Soleil au zénith est d'environ 100 000 lux par grand beau temps, calculer le flux lumineux correspondant à un tel éclairement uniforme sur l'ensemble du terrain. 3. Lorsque les joueurs n'arrivent pas à se départager, les matchs sont parfois prolongés tard dans la soirée, mais doivent s'arrêter lorsque l'éclairement devient trop faible. Si l'on suppose qu'un éclairement de 200 lux est suffisant pour anticiper la trajectoire d'un service de Rafael Nadal, combien de projecteurs d'une puissance de 300 W et d'efficacité énergétique 40 Im.W -1 doit-on disposer autour du terrain pour que le match puisse se prolonger une fois la nuit tombée ? Solution Capacité Compétence Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 21 p 49 : Combien ça coute Capacité Compétence Enoncé Un appartement est équipé exclusivement avec des lampes à incandescence L'Union européenne a décidé de mettre un terme à la fabrication et à la commercialisation de ces lampes. On cherche à savoir quelle économie sera réalisée en remplaçant ces ampoules par des lampes fluocompactes. On donne les caractéristiques techniques des lampes à incandescence et fluocompactes disponibles, choisies pour leurs températures de couleur et leurs indices de rendu des couleurs identiques. 1. Sachant que le prix d'un kWh est de 0,1174 euros TTC, calculer le coût de 8 000 h d'éclairage avec les deux types d'ampoules. 2. Calculer le prix à l'achat des ampoules nécessaires pour assurer ces 8 000 h d'éclairage. 3. En déduire le coût total associé à chaque type d'éclairage. Conclure. Solution 1. La lampe à incandescence consomme 60 W sur 8000 h à 0,1174 €/kWh La consommation est de 60x8000=480 000 Wh soit 480 kWh Et comme 1kWh coûte 0,1174 € alors les 480 kWh coûtent 480x0,1174= 56,32 € donc le coût est C=60x8x0,1174=56,32 € La lampe fluocompacte consomme 12 W sur 8000 h à 0,1174 €/kWh donc le coût est C=12x8x0,1174=11,27 € 2. Il faut acheter 8 lampes à incandescence pour couvrir les 8000 heures de fonctionnement soit 8€ Une lampe fluocompacte suffit pour les 8000 h de fonctionnement et elle coûte 13 € 3. Sur les 8000 h une lampe à incandescence coûte 56,32+8=64,32 € une lampe fluocompacte coûte 11,27+13=24,27 € Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 22 p 49 : Eclairement d’une table Enoncé Une table ronde est éclairée à l'aide d'un spot réglable en hauteur placé à la verticale du centre du plateau de la table. Le cône lumineux devra éclairer exactement la surface de la table comme l'indique la figure 1. 1. On place dans un premier temps le spot S, à 70 cm au-dessus du plateau de la table comme l'indique le figure 2. a. Calculer, en degrés, l'angle BS 1H. b. Calculer, en cm, les longueurs BH et BC. c. Faut-il monter ou descendre le spot pour éclairer exactement la surface de la table ? Justifier votre réponse. 2 Déterminer la hauteur SH à laquelle il faut placer le spot pour qu'il éclaire exactement la surface de la table. Capacité Compétence Données : Diamètre de la table D = 1,20 m Angle d'éclairage du spot et = 70° 3. Le spot utilisé émet un flux lumineux de 200 lm, calculer son éclairement au bord de la table (on supposera que la source émet avec la même intensité dans toutes les directions). Solution Chapitre 3 – Eclairage dans l’habitat Titre Nathan Ex 22 p 49 : In English Enoncé The characteristics of a sodium vapor lamp given by the manufacturer are as follows: Type: High Pressure Sodium (HPS) Description: satin lamp Power rating: 1000 W Energy efficiency: 130 Im .W-1 1. Work out the luminous flux provided by this lamp. 2. The area of the illuminated surface is 200 m2. Find the illuminante E of the surface. 3. Standards of illumination for a workshop report values between 500 and 1000 lux. Does this lamp comply with this standard? Justify your answer. Solution Capacité Compétence
