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Annales gratuites Bac ST2S : Ondes électromagnétiques

Le sujet  2006 - Bac ST2S - Physique - Exercice Imprimer le sujet
Avis du professeur :

Le sujet porte sur les domaines de longueurs d'onde des ondes électromagnétiques, la formule de Planck dans un premier temps ; les sources et effets ou applications des ultraviolets et des infrarouges dans un deuxième.
Ce thème n'était pas sorti depuis 2003. Il s'agit d'une restitution des connaissances. Pour la question calculatoire la formule est donnée et l'on demande ensuite de comprendre la signification de la formule littérale.

LE SUJET


Les
ondes électromagnétiques - radiations UV et IR
(8 points)

Données :
Une onde électromagnétique est caractérisée par sa fréquence v ou sa longueur d'onde l dans le vide. Ces deux grandeurs sont liées par la relation :


c est la célérité de la lumière dans le vide : c = 3,00 × 108 m/s.
On donne la constante de Planck : h= 6,62 × 10-34 J.s

1. Les ondes lumineuses visibles par notre oeil ne représentent qu'une petite partie du vaste domaine des ondes électromagnétiques.
Après avoir recopié le schéma ci-après, indiquer les domaines des radiations de la lumière visible, des UV et des IR.

2. Une onde électromagnétique a une longueur d'onde dans le vide l = 1,5 x 10—5 m (15 mm).
2.1. Placer cette longueur d'onde sur l'axe précédemment recopié.
2.2. Dire à quel domaine appartient cette radiation.
2.3. Calculer la fréquence v de cette onde.

3. L'énergie E des photons associés à une onde électromagnétique de longueur d'onde l dans le vide et fréquence v peut se déterminer à l'aide de la relation:

     (1)

3.1. Montrer que l'énergie des photons de l'onde de longueur d'onde l = 1,5 × 10-5 m vaut E = 1,32 × 10-20 J.
3.2. A l'aide de la relation (1), exprimer littéralement (c'est à dire avec des lettres) l'énergie E des photons en fonction de la fréquence v de l'onde électromagnétique.
3.3. Comment varie l'énergie des photons quand la fréquence des radiations diminue ? Justifier la réponse.

4. Radiations UV (UltraViolet)
4.1. Citer une source de radiations UV.
4.2. Donner un effet biologique lié aux radiations ultraviolettes.

5. Radiations IR (Infrarouge)
5.1. Citer une source de radiations IR.
5.2. Donner une application liée au rayonnement infrarouge.

LE CORRIGÉ


I - LES RESULTATS

1.

2.1.

2.2. Radiation infrarouge.

2.3.

v = 2,0.1013 Hz

3.1. E = 1,32 × 10— 20 J

3.2. E = hv

3.3. Quand v diminue, E diminue.

4.1. 1 exemple de source UV : le soleil.

4.2. 1 effet biologique possible : le bronzage.

5.1. 1 exemple de source IR : tout corps chaud.

5.2. 1 application possible : chauffage.

II - LES RESULTATS COMMENTES ET DETAILLES

1.

2.1.

l = 1,5 × 10-5  m = 15 mm
cette valeur est donc comprise entre 0,75 mm et 1 mm = 1 000 mm
          Le schéma n'étant pas à l'échelle, il suffisait de placer l légèrement à droite de 0,75.10-6  m.

2.2. La radiation précédente est donc dans le domaine des infrarouges.

2.3. Fréquence de cette onde :

Soit : v= 2,0 × 1013 Hz
          Le résultat est donné avec deux chiffres significatifs comme l.

3.1. Energie des photons de longueur d'onde
l = 1,5 × 10-5  m :

E = 1,32 × 10-20 J

3.2. Energie des photons d'une onde électromagnétiques de fréquence v :

3.3. L'énergie des photons est proportionnelle à la fréquence de la radiation associée, donc quand cette fréquence n diminue, l'énergie des photons diminue aussi.

4.1 Sources de radiations UV :
● lampe à incandescence à environ 2 500°C
● lampe "halogène"
● arc électrique à carbone
● le soleil
            une seule réponse était demandée.

4.2. Effets biologiques des UV
● augmentation du taux d'hémoglobine
● accroissement de la résistance globulaire
● augmentation des taux de calcium et des phosphates
● diminution des taux de glucose et de tyrosine
● bronzage
● conjonctivite
● brûlures plus ou moins graves
            une seule réponse était demandée.

5.1. Sources de radiations IR :
Tout corps chaud (radiateur, plaque de cuisson, corps humain, etc.)

5.2. Application
● chauffage
● séchage des peintures et vernis
● soudures
● spectroscopie
● télécommunications
● caméras infrarouge (thermographie, etc.)
            une seule réponse était demandée.

III - LES OUTILS : SAVOIRS ET SAVOIR-FAIRE

Connaître l'ordre de grandeur des longueurs d'onde du spectre visible, de l'UV, de l'IR...
Savoir que les interactions des ondes avec la matière se font par quanta d'énergie :  E = h.v (photon).
Savoir que l'énergie du photon augmente avec la fréquence.
Connaître des sources de rayonnement UV, IR et X.
Connaître leurs propriétés et surtout les conséquences et les effets biologiques de cette absorption.

IV - LES DELIMITATIONS DE L'EXERCICE

Ce sujet est un pur exercice "d'école" : reconnaissance des domaines de radiations électromagnétiques, savoir comparer une longueur d'onde exprimée en micromètre à d'autres valeurs, savoir interpréter une formule littérale. Seules les questions 5 et 6 font référence à une situation concrète.
Cependant, l'exercice n'était pas très difficile puisque les formules littérales à appliquer étaient données.

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