Enseignement scientifique · Première · Contrôle n°1
Le rayonnement solaire
Un contrôle d'enseignement scientifique de 60 minutes sur le rayonnement solaire : la fusion et la perte de masse, le flux qui décroît comme l'inverse du carré de la distance, le spectre d'un corps chaud et la loi de Wien, et le décalage entre les spectres du Soleil et de la Terre. Vingt points, barème détaillé, et une correction qui dit pourquoi à chaque question.
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Avant de commencer
- Nommer la fusion plutôt que la combustion.
- Une planète deux fois plus éloignée reçoit quatre fois moins, jamais deux fois moins.
- La source est nucléaire, jamais chimique.
- Un corps chaud émet sur tout un spectre, pas à une seule longueur d’onde.
- La loi de Wien permet de mesurer une température sans s’approcher.
- Le décalage des deux spectres est ce qui rend l’effet de serre possible.
Exercice 1 — La fusion
4 pts · 11 minExpliquer la source du rayonnement
Réponds à chaque question.
1.Que réalise le Soleil, et à partir de quoi ?
1 ptVoir la correction
La fusion de noyaux d’hydrogène en noyaux d’hélium.
Il ne brûle pas au sens chimique.
2.D’où vient l’énergie rayonnée ?
1 ptVoir la correction
D’une perte de masse : le noyau produit est très légèrement moins massif que la somme des noyaux de départ.
C’est cette masse manquante qui est rayonnée.
3.Pourquoi une combustion chimique ne conviendrait-elle pas ?
1 ptVoir la correction
Parce qu’aucune combustion ne fournirait une telle puissance pendant des milliards d’années.
Le Soleil se serait éteint depuis longtemps.
4.Sous quelle forme l’énergie quitte-t-elle le Soleil, et dans quelles directions ?
1 ptVoir la correction
Sous forme de rayonnement électromagnétique, dans toutes les directions.
Ce qui nous parvient n’en est qu’une fraction infime.
Exercice 2 — Le flux surfacique
5 pts · 14 minCalculer un flux surfacique
Réponds à chaque question.
1.Qu’est-ce que le flux surfacique, et dans quelle unité s’exprime-t-il ?
1 ptVoir la correction
La puissance reçue par unité de surface, en watts par mètre carré.
Il faut donc le distinguer d’une puissance totale.
2.Sur quoi le rayonnement d’une source ponctuelle se répartit-il ?
1 ptVoir la correction
Sur une sphère dont l’aire croît comme le carré du rayon.
C’est cette aire croissante qui dilue le rayonnement.
3.Comment le flux varie-t-il avec la distance ?
1 ptVoir la correction
Il décroît comme l’inverse du carré de la distance.
La décroissance n’est donc pas proportionnelle à la distance.
4.Une planète deux fois plus éloignée reçoit combien de fois moins ?
1 ptVoir la correction
Quatre fois moins.
Le rapport des distances est élevé au carré.
5.Comment obtient-on le flux à une distance donnée ?
1 ptVoir la correction
En divisant la puissance totale par l’aire de la sphère correspondante.
L’aire de cette sphère dépend du carré de la distance.
Exercice 3 — Spectre et loi de Wien
4 pts · 11 minAppliquer la loi de Wien
Réponds à chaque question.
1.Un corps chaud émet-il à une seule longueur d’onde ?
1 ptVoir la correction
Non : il émet sur tout un spectre.
Ce spectre présente un maximum.
2.Comment la position de ce maximum dépend-elle de la température ?
1 ptVoir la correction
Plus le corps est chaud, plus le maximum se déplace vers les courtes longueurs d’onde.
C’est la loi de Wien, qui lie la couleur dominante à la température.
3.Que permet cette loi ?
1 ptVoir la correction
Déterminer la température de surface d’une étoile sans s’en approcher.
Le spectre reçu suffit, sans avoir à mesurer quoi que ce soit sur place.
4.Que faut-il vérifier après avoir appliqué cette loi ?
1 ptVoir la correction
Que le résultat tombe dans le domaine attendu du spectre.
Les unités doivent être cohérentes pour que le contrôle ait un sens.
Exercice 4 — Soleil et Terre
4 pts · 13 minComparer deux spectres
Réponds à chaque question.
1.Dans quel domaine le Soleil émet-il surtout ?
1 ptVoir la correction
Dans le visible.
Sa température de surface est élevée.
2.Dans quel domaine la Terre émet-elle ?
1 ptVoir la correction
Dans l’infrarouge.
Elle est beaucoup plus froide que le Soleil.
3.Pourquoi cette différence est-elle attendue ?
1 ptVoir la correction
Parce que la loi de Wien relie le maximum d’émission à la température du corps.
Un corps plus froid émet à de plus grandes longueurs d’onde.
4.Quelle conséquence ce décalage a-t-il ?
1 ptVoir la correction
Il rend possible l’effet de serre, les gaz concernés étant transparents à l’un des spectres et absorbants pour l’autre.
Ce n’est donc pas une coïncidence pédagogique.
Exercice 5 — Trouve l'erreur
3 pts · 11 minRepérer une erreur et la corriger
Chaque affirmation est fausse. Écris ce qu’il fallait dire.
1.« Le Soleil brûle son hydrogène depuis des milliards d’années. »
1 ptVoir la correction
Il réalise la fusion de noyaux d’hydrogène en hélium : la source est nucléaire, non chimique.
Aucune combustion ne tiendrait à cette puissance pendant des milliards d’années.
2.« Cette planète est trois fois plus loin du Soleil : elle reçoit trois fois moins de rayonnement. »
1 ptVoir la correction
Elle en reçoit neuf fois moins : le flux décroît comme l’inverse du carré de la distance.
Le rapport des distances doit être élevé au carré.
3.« Plus une étoile est chaude, plus son maximum d’émission se situe vers les grandes longueurs d’onde. »
1 ptVoir la correction
Plus elle est chaude, plus le maximum se déplace vers les courtes longueurs d’onde.
C’est ce que dit la loi de Wien.
Barème — ce que le correcteur regarde
Les lignes chiffrées couvrent les 5 exercices et totalisent 20 points.
Ex.1La fusion comme source
4 points — 1 par question
Point perdu si : Une combustion invoquée.
Ex.2Le flux surfacique
5 points — 1 par question
Point perdu si : Une distance non élevée au carré.
Ex.3Spectre et loi de Wien
4 points — 1 par question
Point perdu si : Le sens du déplacement du maximum inversé.
Ex.4Soleil et Terre
4 points — 1 par question
Point perdu si : Les deux spectres confondus.
Ex.5L’erreur repérée, et la réponse juste donnée
3 points — 1 par ligne
Point perdu si : Une correction qui laisse une décroissance linéaire.
Et maintenant ?
- 16 à 20
- Le chapitre est acquis. Entraîne-toi maintenant à calculer en cinq temps : distinguer puissance totale et flux, diviser par l'aire de la sphère, comparer deux distances par le rapport des carrés, appliquer Wien avec des unités cohérentes, et contrôler le domaine du spectre.
- 10 à 15
- Refais l'exercice 2 en écrivant chaque fois le rapport des carrés avant de conclure.
- moins de 10
- Reprends la fiche de cours et retiens d'où vient l'énergie du Soleil : d'une perte de masse, non d'une combustion.
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