L'effet photoélectrique et ses applications, Bac général
Amérique du nord 2026.
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Q.1. Décrire l'effet photoélectrique.
Des photons d'énergie suffisante sont capable d'arracher des électrons à un métal. C'est l'effet photoélectrique.
Le suplus d'énergie apporté par les photons est emporté par l'électron sous forme d'énergie cinétique.
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Q.2. Calculer la fréquence seuil permettant une émission photoélectrique à partir du zinc.
Travail d'extraction du zinc : W = 4,3 eV = 4,3 x1,60 10-19 =6,88 10-19 J.
E = h n ; n = 6,88 10-19 / (6,63 10-34) =1,04 1015 Hz.
Q.3. En déduire la longueur d'onde correspondante et le domaine de ces ondes.
l = c / n =3,0 108 / (1,04 1015)=2,9 10-7 m= 0,29 µm. ( domaine UV).
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On éclaire le zinc avec une radiation de longueur d'onde l = 250 nm = 0,25 µm.
Q.4. Justifier que l'effet photoélectrique se produit.
0,25 µ m est inférieure à la longueur d'onde seuil 0,29 µm.
Q.5. Montrer que l'expression de la vitesse d'éjection des électrons est v =[ (2h(n-ns) / me]½.
Conservation de l'énergie de l'électron
h n =h ns +½mev2.
2h(n -ns)=mev2.
v2 = 2h(n -ns)/me ; v =[ (2h(n-ns) / me]½.
Q.6. Calculer cette vitesse.
ns= 1,04 1015 Hz ; n = 3 108 / (0,25 10-6) =1,2 1015 Hz
v = [2 *6,63 10-34 (1,2-1,04)1015 /(9,11 10-31)]½ =4,8 105 m /s.
.7. Identifier le paramètre de la radiation qui a une influence sur la vitesse. Comment le modifier pour augmenter cette vitesse ?
En augmentant la fréquence de la radiation, on fait croître cette vitesse.
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2. Etude d'un panneau photovoltaïque.
Dimensions d'un panneau : 1,346 x 1,112 m2.
8. Calculer le rendement d'un panneau dans les conditions optimales de fonctionnement pour un éclairement de 800 W m-2.
Puissance solaire = 1,346 x 1,112 x 800=1197 W.
Puissance électrique fournie : 135 W.
Rendement 135 / 1197 =0,11 ( 11 %).
La consommation moyenne de ce particulier est 7500 kWh. Il souhaite que
la moitié de cette consommation soit couverte par les panneaux. Le
rendement moyen annuel d'un panneau est d'environ 10 %.
9. Déterminer le nombre de panneaux à installer sachant que l'énergie surfacique moyenne recue chaque jour est 4,1 kW h m-2. Commenter.
Energie devant être produite par les panneaux : 7500 / 2 = 3750 kWh.
Energie électrique fournie par les panneaux de surface S en un an : 0,10 x 4,1 x 365 S= 149,65 S.
S = 3750 / 149,65 =25 m2.
Nombre de panneaux : 25 / (1,346 x1,112)~ 17 panneaux.
Cela est tout à fait réalisable.
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