word - Physique

Thème 1 : Observer
Chapitres 4 et 5
AP - Loi de Wien et éclairages
I - Loi du déplacement de Wien
Tous les corps (= tous les objets) absorbent et émettent des
ondes électromagnétiques. Le spectre d'émission d'un corps
dépend de sa température.
Un corps noir est un corps modèle qui absorbe parfaitement
les ondes électromagnétiques quelque soit leur longueur
d'onde. Un tel objet émet aussi des ondes
électromagnétiques. Les caractéristiques du profil spectral
d'un corps noir ne dépendent que de sa température.
Plus la température est élevée, plus le spectre d'émission se
décale vers les courtes longueurs d'onde (voir figure cicontre).
La loi du déplacement de Wien (dite aussi "loi de Wien"),
déterminée au départ expérimentalement, permet de relier
la température T (en K) d'un corps noir à la longueur d'onde
λmax (en m) pour laquelle l'intensité du rayonnement émis
est maximale :
λmax × T = A
où A est une constante, la "constante de Wien" :
A = 2,898 × 10-3 m.K
Cette loi du déplacement de Wien est souvent utilisée pour déterminer la température de surface d'un objet assimilé à un corps noir
à partir de son spectre d'émission, même si cet objet n'est pas vraiment un corps noir.
Donnée : 0 K = - 273,15 °C
T (K) = T(°C) + 273,15
On assimile un corps humain à un corps noir, de température de surface T = 25 °C.
1. Convertir cette température en kelvin
2.
Calculer la longueur d'onde pour laquelle l'intensité du rayonnement électromagnétique émis est maximal.
3.
Ce rayonnement est-il visible ? Justifier
4.
La lave émise par un volcan est assimilée à un corps noir. On mesure le profil spectral du rayonnement émis par la lave et
on trouve que l'intensité émise est maximal pour une longueur d'onde λ = 2,37 µm.
Calculer la température de la lave. Le résultat sera exprimé en °C.
5.
La longueur d'onde pour laquelle l'intensité émise est maximale appartient-elle au domaine du visible ? Justifier.
6.
Expliquer pourquoi la lave émet une lumière rouge-jaune.
II - Température de couleur
Lors de l'achat d'une ampoule ou d'un tube fluorescent ("néon"), il est parfois donné sur l'emballage une indication du type
"3400 K". Cette indication renvoie à la "température de couleur" de la lumière émise par la source lumineuse. Elle indique que la
couleur apparente de la lumière émise est proche de celle qu'aurait un corps noir dont la température en Kelvin serait celle notée
sur l'emballage. Ces sources sont souvent des sources qui ne sont pas des sources à incandescence et leur profil spectral est
généralement très différent de celui d'un corps noir.
7.
Une lampe fonctionnant avec des LED comporte l'indication "5500 K". Calculer la longueur d'onde pour laquelle l'intensité du
rayonnement électromagnétique émis serait maximal si la source lumineuse était un corps noir.
8.
Une lampe permet d'obtenir trois éclairages. Le premier est estampillé "lumière froide - 5500 K", le second "lumière chaude
2700 K" et le troisième "lumière naturelle - 4000 K". Discuter de la validité physique de ces indications "lumière chaude" et
lumière froide".
III - Prix Nobel de physique 2014 pour les LED bleues
Document 1 : Extrait d'un article paru dans le journal Le Monde, le 7 Octobre 2014
LE PRIX NOBEL DE PHYSIQUE ATTRIBUE AUX INVENTEURS DE LA LED BLEUE
Le prix Nobel de physique a été attribué, mardi 7 octobre, aux japonais Isamu Akasaki et Hiroshi Amano, et à l'américain Shuji Nakamura,
inventeurs de la diode électroluminescente (LED) bleue. M. Akasaki est professeur à l'université de Nagoya, tout comme M. Amano. Shuji
Najamura est lui professeur à l'université de Californie à Santa Barbara.
Alors que les diodes rouges et vertes existent depuis plus d'un demi-siècle, la découverte d'une composante bleue en 1992 a permis la mise au
point de sources de lumière blanche beaucoup moins consommatrices d'énergie que les éclairages traditionnels et de développer des disques
optiques de plus grande capacité. La diode bleue permet aussi d'éclairer les écrans à cristaux liquides (Télévision, smartphones, tablettes).
Les trois chercheurs sont consacrés pour cette invention qui permet des économies d'énergie très importantes, a indiqué le jury dans un
communiqué. Il rappelle ainsi que les lampes à diode issue des travaux des trois lauréats offrent un rendement lumineux pouvant atteindre 300
lumens par Watt (lm/W), contre respectivement 70 lm/W et 16 lm/W pour les tubes fluorescents (néons) et les ampoules à incandescence. La
lampe à huile offrant 0,1 lm/W.
Document 2 : Extrait de l'article de Wikipédia "Lumen" - Consulté le 16/11/2014
Le lumen est une unité subjective dépendant de l'être humain. Elle quantifie la quantité de lumière perçue par un être humain « moyen » en
présence d'une source de rayonnement électromagnétique. Pour une même puissance en watts émise, l'œil humain percevra subjectivement une
plus grande sensation lumineuse pour des longueurs d'ondes proches de 555 nm que pour des longueurs d'onde proches de 450 nm ou 650 nm.
La perception sera même nulle ou quasi nulle pour des longueurs d'ondes inférieures à 380 nm ou supérieures à 780 nm.
9.
Lire le document 1 puis expliquer la phrase : "Alors que les diodes rouges et vertes existent depuis plus d'un demi-siècle, la découverte
d'une composante bleue en 1992 a permis la mise au point de sources de lumière blanche beaucoup moins consommatrices d'énergie que les
éclairages traditionnels et de développer des disques optiques de plus grande capacité."
IV - Conversions
10. Convertir 20 m3 en cL