SP4 - Aspect corpusculaire de la lumière Dualité onde

Lycée Jean Perrin - Classe de TSI 1 E. VAN BRACKEL TD de Physique-Chimie
TD
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SP4 - Aspect corpusculaire de la lumière
Dualité onde-corpuscule pour la matière
I Microscopie électronique
Dans un microscope électronique, des électrons sont accélérés grâce à une forte tension
électrique de l’ordre de 50 kV, ce qui leur procure une énergie cinétique de 50 keV.
1. Sachant que l’énergie apportée par la tension électrique est E = eU où e est la charge
élémentaire et U la tension, ;et que l’énergie cinétique s’écrit Ec=1
2mv2, calculer la
vitesse d’un électron, puis son impulsion.
2. Quelle est sa longueur d’onde associée ?
3. En déduire l’avantage majeur du microscope électronique par rapport au microscope
optique.
Données : 1 eV = 1,6·10−19 J; la masse de l’électron vaut me= 9,1·10−31 kg
II Interférences avec des fullérènes
Dans les années 2000, une expérience d’interférences à l’aide de molécules de fullérènes C60
(de taille d∼1000 pm) a été réalisée avec succès. Ces molécules sont envoyées sur deux
fentes de largeur 55 nm et espacées de d = 100 nm avec une vitesse d’environ 200 m.s−1.
l’observation est faite à une distance L=1,25 m.
1. Déterminer la longueur d’onde associée aux molécules de fullérènes.
2. Que dire par rapport à la taille de la fente ?
3. Sachant que la distance entre deux pics d’interférences est de l’ordre de λL
d, la
mesure vous semble-t-elle correcte ?
Photon et énergie
III Effet photoélectrique
Si on réalise l’expérience mettant en évidence l’effet photoélectrique avec pour métal le
zinc, on observe une énergie seuil de 3,3 eV
1. Quelle est la fréquence associée à cette radiation ?
2. En déduire la longueur d’onde et la couleur de cette radiation.
IV Développement photographique
Le processus d’impression d’une pellicule photographique est basé sur la dissociation des
molécules de bromure d’argent (AgBr) qui entrent dans sa composition chimique. Sachant
que l’énergie nécessaire pour réaliser cette dissociation est de 0,6 eV, trouver la longueur
d’onde à partir de laquelle la lumière ne peut plus impressionner une pellicule. Dans quel
domaine du spectre des ondes électromagnétiques cette longueur d’onde se trouve-t-elle ?
V Rayonnement lumineux
Au niveau du sol, on estime que la puissance du Soleil reçue par la Terre est de 500 W/m2.
1. Quelle sera la puissance reçue par un œil s’il regarde le Soleil pendant 1s au tra-
vers d’un filtre ne laissant passer que 10−3%de l’énergie. La pupille a un diamètre
D'2 mm
2. Estimer alors l’ordre de grandeur du nombre de photons reçus.
3. On perçoit au niveau de la Terre une puissance de l’ordre de 10−14 W/m2en pro-
venance d’une étoile lointaine. Combien l’œil reçoit-il de photons par seconde en
provenance de cette étoile ?
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TD 4. SP4 - ASPECT CORPUSCULAIRE DE LA LUMIÈRE
Applications courantes
VI Rendement d’un panneau photovoltaïque
Un panneau solaire photovoltaïque de 1 m2coûte environ 825 euros pour une puissance
moyenne de 100 W. Une année donne environ 900h d’équivalent ensoleillement plein, ce
qui correspond à un ensoleillement de 1 kW ·m−2. EDF facture l’électricité en moyenne
0.073 euros/kWh, mais la rachète à un particulier autour de 0.50 euros/kWh.
1. Quel est le rendement de ce panneau solaire ? A quoi est dû, selon vous, ce rende-
ment ?
2. Quelle est la puissance et le coût d’une installation typique de 20 m2(qui permet à
une famille énergétiquement très sobre de couvrir ses besoins hors chauffage).
3. Calculer l’énergie produite au cours d’une année par cette installation (à comparer
à la consommation moyenne d’une famille de 3100 kWh). On l’exprimera en kWh et
en Joules.
4. Calculer le temps nécessaire pour rentabiliser l’installation en comptant uniquement
sur l’économie réalisée
VII Caractérisation d’une DEL
Ci-dessus correspond un extrait de catalogue concernant une lampe à base de DEL.
1. Après avoir rappelé succinctement les différentes notions, donner les caractéristiques
de la DEL vendue : température de couleur, IRC, efficacité lumineuse (sachant que
cette lampe génère 600 lumens).
2. Rappeler le principe de fonctionnement d’une DEL.
3. Comment obtenir une DEL blanche ? Sachant qu’elle émet principalement dans le
bleu et le jaune, dessiner l’allure du spectre d’émission de cette source.
VIII Principe d’un laser à trois niveaux
Sans entrer dans des développements théoriques, il est impossible d’avoir un laser à partir
d’une DEL, système possédant deux niveaux d’énergie, car on ne peut obtenir d’ "inversion
de population" (cela correspond au fait que, pour les niveaux d’énergies de la transition
laser, le niveau excité est plus peuplé que le niveau fondamental). L’un des systèmes les
plus simples permettant l’inversion, illustré par exemple avec le laser à rubis, est consti-
tué de trois niveaux, tels que représenté ci-dessous. L’émission laser s’effectue alors après
une étape dite de pompage (soit optique, soit électronique) d’un niveau excité, suivi d’une
désexcitation rapide n’émettant pas de photons, et enfin d’une désexcitation par émission
de photons, qui correspond à la transition laser.
E1
E2
E3
Rubis dopé
Décharge à ash
Emission laser
Energie
1. Rappeler les propriétés fondamentales d’un laser (d’un point de vue spectral, en terme
de puissance,..).
2. Identifier les niveaux d’énergie correspondant à des états excités du système.
3. D’après le principe de fonctionnement précédent, attribuer pour chaque couple de
niveau la transition associée. On précise que le niveau du pompage correspond à la
longueur d’onde la plus petite.
4. Sachant que la différence d’énergie entre les niveaux 1 et 2 vaut E2−E1= 1,788 eV,
quelle est la longueur d’onde associée ? Quelle est la couleur associée ?
2E. VAN BRACKEL