Exercices Ch 20 lumière un flux de photons p 413 QCM 1,2

(1)

(2)

Ex 4

Effet photoélectrique si l’énergie d’un photon est supérieur à Emini

Ex6

Seul une énergie minimum du photon permet d’extraire un électron sur le métal. Donc selon la fréquence de l’onde électromagnétique l’effet photoélectrique se produit.

L’intensité du rayonnement n’influe pas la possibilité d’extraction d’un électron.

(3)

Ex 8

2. Energie du photon associé

3. Longueur d’onde de la radiation

(4)

Ex 10

Puissance électrique disponible

Ex 12

Ex 15

(5)

(6)

1. a. Énergie cinétique max

b. Vitesse maximum des électrons

2. Conservation de l’énergie dans l’effet photoélectrique

3. Travail d’extraction

4. Effet électrique avec une radiation 350 nm ?

(7)

Ex 17

1. Métal avec effet photoélectrique dans le visible

(8)

2. a. Energie cinétique maximum des électrons

b. Même coefficient directeur

Les équations qui modélisent l’énergie cinétique max en fonction de la fréquence sont des droites de la forme :

Le coefficient directeur est donc la constante de Planck pour tous les métaux.

c. Par lecture graphique on trouve :

Ex 18

(9)

(10)

D’après le document C :

L’

énergie

nécessaire pour la

maison pendant un an

: 𝐸_{𝑚𝑎𝑖𝑠𝑜𝑛} = 25 × 𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑚𝑎𝑖𝑠𝑜𝑛 𝐸_{𝑚𝑎𝑖𝑠𝑜𝑛} = 25 × 120

𝑬

_{𝒎𝒂𝒊𝒔𝒐𝒏}

= 𝟑𝟎𝟎𝟎 𝒌𝑾. 𝒉

Pour connaitre l’

énergie électrique produite pendant un an par les panneaux photovoltaïques

, Il faut savoir avec quel régime ils fonctionnent.

D’après le doc A, l’énergie lumineuse par mètre carré est en moyenne de 1525 kW.h.m^-2.

(11)

Donc sur les 2050 heures d’ensoleillement, la puissance lumineuse moyenne reçue par le panneau photovoltaïque serait voisine de ^1525×10₂₀₅₀ ³ = 𝟕𝟒𝟒 𝑾. 𝒎^−𝟐

Son régime de fonctionnement serait donc poche de la courbe verte du document B avec 800 W.m^-2.

La puissance électrique produite par un panneau est donc de : 𝑷é𝒍𝒆𝒄𝒕𝒓𝒊𝒒𝒖𝒆 𝒎𝒂𝒙 = 𝑼 × 𝑰 ≈ 𝟑𝟎 × 𝟕 ≈ 𝟐𝟎𝟎𝑾

La puissance électrique produite par un 10 panneau est donc de : 𝑷é𝒍𝒆𝒄𝒕𝒓𝒊𝒒𝒖𝒆 𝒎𝒂𝒙 = 𝟏𝟎 × 𝟐𝟎𝟎 = 𝟐𝟎𝟎𝟎 𝑾

L’

énergie électrique produite pendant un an par les panneaux photovoltaïques

est donc de :

𝑬

é𝒍𝒆𝒄𝒕𝒓𝒊𝒒𝒖𝒆 𝒑𝒓𝒐𝒅𝒖𝒊𝒕𝒆

= 𝑷

é𝒍𝒆𝒄𝒕𝒓𝒊𝒒𝒖𝒆 𝒎𝒂𝒙

× 𝟐𝟎𝟓𝟎

𝑬

= 𝑷

é𝒍𝒆𝒄𝒕𝒓𝒊𝒒𝒖𝒆 𝒎𝒂𝒙

× 𝟐𝟎𝟓𝟎 𝑬

=

𝟐𝟎𝟎𝟎

× 𝟐𝟎𝟓𝟎

𝑬

= 𝟒𝟎𝟎𝟎 𝒌𝑾. 𝒉

𝑬é𝒍𝒆𝒄𝒕𝒓𝒊𝒒𝒖𝒆 𝒑𝒓𝒐𝒅𝒖𝒊𝒕𝒆 = 𝟒𝟎𝟎𝟎 𝒌𝑾. 𝒉 > 𝑬_{𝒎𝒂𝒊𝒔𝒐𝒏} = 𝟑𝟎𝟎𝟎 𝒌𝑾. 𝒉

Donc l’énergie produite par les panneaux est suffisante pour alimenter en énergie la maison

(12)

Ex 19

1.ligne conservation énergie

C’est la ligne : Ec=Ephoton-effet_photo[metal]

2.a. Pour quels métaux il y a effet photoélectrique avec 530 nm Le potassium

b. pour quel élément chimique il n’y a pas effet photoélectrique avec 1,30 x 10¹⁵ Hz.

𝝀 = 𝒄

𝝂 = 𝟑, 𝟎𝟎 × 𝟏𝟎

^𝟖

𝟏, 𝟑𝟎 × 𝟏𝟎

^𝟏𝟓

= 𝟐𝟑𝟏 𝒏𝒎

Donc le

platine

^{et l’}

or

ne peuvent pas avoir un effet photoélectrique.

(13)

3. Pour le calcium et une radiation de 280 nm, le programme donne :

(14)

Ex 20

(15)

Partie I

1. Energie du photon

2. Pourquoi il n’y a pas d’extraction avec une radiation de 700 nm ?

L’énergie de chaque photon n’est pas suffisante pour extraire un électron.

3. Effet photoélectrique et remise en cause du modèle ondulatoire de la lumière

L’extraction d’un électron nécessite un minimum de fréquence de l’onde, même si son intensité lumineuse est grande. IL est donc nécessaire d’associer une énergie ponctuelle capable d’extraire un électron. Cette énergie est associée à la particule photon.

4. Vitesse maxi pour une radiation de 400 nm

5. Polarité de la source de tension.

Les électrons doivent être repoussés par la borne +

(16)

Partie II

1. Chaine énergétique d’une cellule photovoltaïque

2. a. Puissance maxi

Pour 1000 W.m^-2 la courbe rouge donne une puissance de 180 W b. La tension est voisine de 24 V

c. L’intensité est donc de :

3. Rendement

4.a. Nombre de panneaux

(17)

b. Revenu annuel

Avec 20 panneaux à Lyon, il reçoit une énergie lumineuse de

Le rendement étant de 10% ou 0,10

Le revenu à la revente sera donc :

(18)

ECE

Partie I 1. Schéma

2. graphique I = f(uAB)

(19)

3. a. Tableaux avec les puissances électriques Pour un éclairement à 700 W.m^-2

Pour un éclairement à 1200 W.m^-2

b. graphiques Pélec = f(uAB)

4. a. Rendement max

𝜼 = 𝑃

_{é𝑙𝑒𝑐 𝑚𝑎𝑥}

𝑃

_𝑙𝑢𝑚

= 𝑃

_{é𝑙𝑒𝑐 𝑚𝑎𝑥}

𝐸 × 𝑆 = 33 × 10

⁻³

700 × (4,2 × 10

⁻²

× 4,2 × 10

⁻²

) 𝜼 =0,027 ou 2,7 %

De même

𝜼 =0,036 ou 3,6 %

b. Tension pour avoir le meilleur rendement

Par lecture graphique, les tenions correspondantes sont :

𝑼

_𝑨𝑩

= 𝟎, 𝟒𝟖 𝑽

et

𝑼

_𝑨𝑩

= 𝟎, 𝟓𝟑 𝑽

(20)

c. Intensité

𝑰 = 𝑷_{é𝒍𝒆𝒄 𝒎𝒂𝒙}

𝑼

_𝑨𝑩 = 𝟔𝟖, 𝟖 𝒎𝑨 Et

𝑰 = 𝑷_{é𝒍𝒆𝒄 𝒎𝒂𝒙}

𝑼

_𝑨𝑩 ^{= 𝟏𝟒𝟑 𝒎𝑨}

Partie II Pour un éclairement à 1200 W.m^-2 1. Montage 10 cellules en série

a. Tension aux bornes de l’association

La tension est égale à la somme des tensions :

𝑼

_{𝑨𝑩 𝒔é𝒓𝒊𝒆}

= 𝟏𝟎 × 𝑼

_𝑨𝑩

𝑼

_{𝒔é𝒓𝒊𝒆}

= 𝟏𝟎 × 𝟎, 𝟓𝟑 = 𝟓, 𝟑 𝑽

b. Intensité la traversant

L’intensité est identique dans les cellules en série : 𝑰_{𝒔é𝒓𝒊𝒆} = 𝟏𝟒𝟑 𝒎𝑨 c. Puissance électrique fournie par l’association série

𝑷_{é𝒍𝒆𝒄 𝒔é𝒓𝒊𝒆} = 𝟏𝟒𝟑 × 𝟏𝟎^−𝟑× 𝟓, 𝟑 = 𝟎, 𝟕𝟔 𝑾 2. Montage pour 10 cellules en dérivation

a. Tension aux bornes de l’association

La tension est identique dans le montage en dérivation :

𝑼

_{𝑨𝑩 𝒅é𝒓𝒊𝒗}

= 𝟎, 𝟓𝟑 𝑽

b. Intensité la traversant

L’intensité est la somme de toutes les intensités des cellules :

𝑰

_{𝒅é𝒓𝒊𝒗}

= 𝟏𝟎 × 𝟏𝟒𝟑 × 𝟏𝟎

^−𝟑

= 𝟏, 𝟒𝟑 𝑨

c. Puissance électrique fournie

𝑷_{é𝒍𝒆𝒄 𝒅é𝒓𝒊𝒗} = 𝟎, 𝟓𝟑 × 𝟏, 𝟒𝟑 = 𝟎, 𝟕𝟔 𝑾

3. Les deux montages on la même puissance. Selon les besoins on va privilégier un montage série ou dérivation.