Baccalauréat STI2D et STL spécialité SPCL · 2017-02-23 · Le moteur diesel est longtemps...

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Baccalauréat STI2D et STL spécialité SPCL

Épreuve de PHYSIQUE CHIMIE

Session de septembre 2013

Proposition de correction

19/10/2013

http://www.udppc.asso.fr/national/


CAMPING-CAR

Monsieur Moncar souhaite s’équiper d’un camping-car pour partir en vacances. Il fait des recherches afin de choisir un modèle. Il s’intéresse pour cela à différents critères :

la consommation et les enjeux environnementaux

la vitesse et la sécurité sur la route

les équipements intérieurs.

PARTIE A : Consommation et enjeux environnementaux Monsieur Moncar cherche à évaluer quel sera l’impact carbone d’un moteur essence et d’un moteur diesel en calculant et en comparant les émissions de CO2 à l’aide de la documentation en annexe A.

1. À l’aide du document A1, calculer pour chaque moteur (essence et diesel) la distance moyenne sur autoroute en kilomètre que l’on peut parcourir avec un réservoir plein.

2. À l’aide des documents A1 et A2, déterminer pour chaque moteur quel est le coût du carburant pour un trajet de 500 km sur autoroute ?

3. À partir du document A3, citer un inconvénient à l’utilisation du gazole et un inconvénient à l’utilisation de l’essence.

4. Étude du moteur essence en consommation mixte :

4.1. Recopier et compléter l’équation de combustion de l’heptane qui est une réaction totale :

C7H16 + O2 7 CO2 + H2O

4.2. En utilisant les données des documents A1 et A3, déterminer la masse d’heptane utilisé pour parcourir 100 km.

4.3. Montrer que la quantité de matière d’heptane consommée pour parcourir 1 km est égale à 0,73 mol.

4.4. Déterminer la quantité de matière en CO2 produite par le camping-car par km.

4.5. En déduire la masse de CO2 produite par km.

5. Un camping-car équipé d’un moteur diesel produit 194 g de CO2 par km parcouru en consommation mixte. Comparer l’impact CO2 des deux modèles.

6. En vous aidant du document A 5 :

6.1. Quel est l’inconvénient majeur lié à une motorisation diesel ?

6.2. A l’heure actuelle quelle est la solution proposée par l’industrie automobile ?

7. Citer un avantage et un inconvénient du moteur diesel par rapport au moteur essence.



ANNEXE A

A1- Caractéristiques moteur :

Modèle Essence Diesel

Motorisation 156 chevaux

4 cylindres

150 chevaux

4 cylindres

Vitesse sur route 90 km/h 90 km/h

Vitesse sur autoroute 110 km/h 110 km/h

Consommation en milieu urbain

12,1 L / 100 km 9,2 L / 100 km

Consommation sur autoroute

9,6 L / 100 km 7,1 L / 100 km

Consommation mixte 10,7 L / 100 km 8,1 L / 100 km

Réservoir 120 L 120 L

A2- Prix des carburants le 19/09/2012 :

Carburant Gazole (moteur diesel)

SP 95 (moteur essence)

Prix au L (en €) 1,354 1,545

A3- Caractéristiques physico-chimiques des carburants :

Gazole Essence

Le gazole est un mélange de différents hydrocarbures de 12 à 23 atomes de carbone. Il est liquide à la température ambiante et se solidifie même dès -5°C, d’où la nécessité en hiver rigoureux d’ajouter de l’antigel. Celui-ci ne présente aucun risque d’explosion. Chimiquement on assimilera le gazole à du hexadécane pur.

L’essence est aussi un mélange d’hydrocarbures plus légers, de 6 à 12 atomes de carbones, auquel on a ajouté divers additifs. Elle est liquide à température ambiante. Composé plus volatile que le gazole, elle présente en cas d’incendie des risques d’explosion. Chimiquement on assimilera l’essence à de l’heptane pur.

Formule brute Masse volumique Masse molaire

heptane C7H16 680 g.L-1 100 g.mol-1

hexadécane C16H34 770 g.L-1 226 g.mol-1

Masse volumique : m

ρ =V



A4- Masses molaires atomiques : MH = 1,0 g.mol-1 MC = 12 g.mol-1 MO = 16 g.mol-1 A5- Diesel polluant ?

Le moteur diesel est longtemps resté cantonné aux tracteurs et poids lourds, avant que d’autres professionnels de la route, comme les taxis s’y convertissent puis les particuliers. Au-delà du bruit et des vibrations, ces rejets de fumées noirâtres attisent les critiques. Des poisons possiblement mortels sont rejetés lors de son fonctionnement. A commencer par les particules de suie, qui se forment en raison de la combustion incomplète du carburant. Il faut savoir que les plus fines particules, d’un diamètre inférieur à 2,5 μm, peuvent se loger jusque dans les alvéoles des poumons. Il en résulte des maladies respiratoires comme l’asthme, des bronchites aigües et des cancers du poumon. On constate aussi des effets désastreux sur le système cardiovasculaire. Autant de problème dont ne souffre pas la motorisation essence. Depuis 2011, l’installation de filtres à particules sur les véhicules neufs diesel est devenue obligatoire. D’après un article de la revue « Science et Vie » Avril 2012.



PARTIE B : La vitesse et la sécurité sur la route Avant de faire son choix, pour acheter son nouveau camping-car, M. Moncar a consulté de nombreux sites et lu des revues automobiles pour mieux comprendre les critères de performance et les règles de sécurité. Des extraits de sa documentation sont donnés en annexe B.

1. Couple et puissance

1.1. Relever les valeurs de couple et de puissance développée pour le moteur fonctionnant à 3000 tours/min décrit dans le document B1.

1.2. En vous aidant du document B2, vérifier numériquement, pour une vitesse angulaire (aussi appelée vitesse de rotation) de 3000 tours/min, la relation entre puissance du moteur et moment du couple.

2. Vitesse, énergie et distance d’arrêt

2.1. Énergie lors d’un choc frontal à la vitesse de 100 km.h-1 :

2.1.1. Montrer que l’énergie cinétique d’un véhicule de masse 3000 kg ayant une vitesse de 100 km.h-1 est égale à 1,16 MJ.

2.1.2. En déduire la variation d’énergie cinétique de ce véhicule qui s’immobilise lors d’un choc frontal.

2.1.3. Vérifier l’affirmation finale de l’article du document B3.

2.2. Distance d’arrêt :

2.2.1. À l’aide des documents B4 et B5, pour un véhicule roulant à la vitesse de 100 km.h-1, déterminer :

la distance d’arrêt

la distance parcourue durant le temps de réaction

la distance parcourue durant le temps de freinage.

2.2.2. À partir du document B5, caractériser le mouvement durant la phase de freinage et montrer que l’accélération moyenne est a = - 6,3 m.s-2.

3. Contrôle de la pression des pneus

Monsieur Moncar s’intéresse aux problèmes de sécurité liés à la pression des pneus. Il lit pour cela le document en annexe B6.

3.1. Pourquoi est-il important de vérifier régulièrement la pression des pneus ?

3.2. La pression relative recommandée pour le véhicule qui l’intéresse est de 3,3 bar pour un pneu.

3.2.1. Expliquer ce que signifie l’expression « pression relative ».

3.2.2. Quel est l’instrument utilisé pour la mesurer ?

3.3. La pression atmosphérique étant de 1,01 bar = 1,01.105 Pa, calculer la pression absolue en Pascal dans un pneu.



ANNEXE B

B1- Couple et puissance du moteur

B2- Extrait d’une encyclopédie en ligne

Travail et puissance d’un couple

Pour un système en rotation à la vitesse angulaire ω (en rad.s-1) autour d’un axe fixe, la puissance P (en W) développée par un couple de forces est égale au produit du moment du couple M (en N.m) et de la vitesse angulaire.

B3- Comparaison choc et chute

La vitesse augmente considérablement la gravité des blessures en cas d'accident. Ainsi, le risque d'être gravement blessé ou tué lors d'un impact augmente fortement entre 50 et 100 km/h.

Lors d'une collision, le véhicule décélère brusquement alors que les passagers sont projetés violemment vers le point d'impact. C'est l'énergie dégagée lors de l'impact qui provoque les blessures.

À 100 km/h, on le compare à une chute libre verticale de 13 étages !

Données :

Intensité du champ de pesanteur g= 9,8 N.kg-1 = 9,8 m.s-2.

Hauteur d’un étage : 3 m.



B4- Extrait d’un article de presse sur la distance d’arrêt

http://www.saaq.gouv.qc.ca/securite_routiere/vehicules_technologies/vitesse/rubriques/distance.php

Un automobiliste aperçoit un obstacle sur sa route : le temps de réagir, il appuiera le pied sur le frein et parcourra une certaine distance avant de s'immobiliser. C'est ce qu'on appelle la distance d'arrêt.

La distance d'arrêt dépend du temps de réaction et du temps de freinage.

Pendant le temps de réaction, c'est-à-dire le moment entre lequel le conducteur prend la décision de freiner et celui où il pose le pied sur la pédale, le véhicule parcourra une certaine distance. En moyenne, le temps de réaction est d'environ 1 seconde.

Pendant le temps de freinage, le conducteur freine jusqu'à l'immobilisation de son véhicule. L'usure des freins et des pneus, le poids du véhicule ainsi que le mauvais état de la chaussée sont tous des éléments qui peuvent aussi contribuer à augmenter la distance de freinage.

B5- Enregistrement de la vitesse durant toute la phase d’arrêt

Distance d’arrêt en m (15,5 – 31,2 – 51 – 88,6 – 119)

Vitesse en km/h


http://www.saaq.gouv.qc.ca/securite_routiere/vehicules_technologies/vitesse/rubriques/distance.php


B6- Gonflage des pneus

Les pneus sont le seul lien physique entre le véhicule et la route, leur impact sur la sécurité est capital. Or, leur coefficient d’adhérence est directement lié à leur gonflage. En effet, le profil d’un pneu est conçu pour «épouser» au mieux la route et lui offrir le coefficient d’adhérence maximum, à une pression précise. Tout gonflage inadapté conduit à une diminution de l’adhérence et peut entraîner une surconsommation, voire être à la source de risques d’éclatement. Il est donc important de s’informer régulièrement de la pression des pneus.

D’après la fiche sécurité n°21 Renault.

PARTIE C : Équipements du camping-car

1. Étude d’un détecteur de fumée

Monsieur Moncar prévoit d’utiliser des plaques de cuisson fonctionnant au gaz, mais cela augmente les risques d’incendie. Pour prévenir les risques d’intoxication par les fumées il souhaite installer un détecteur de fumée dans son camping-car.

Il décide d’étudier le principe du détecteur de fumée présenté dans l’annexe C.

Étude générale

1.1. Dans le détecteur de fumée présenté dans le document C1 :

1.1.1. Préciser :

- quel est le composant émetteur de lumière ? - quel est le composant récepteur de lumière ?

1.1.2. Expliquer le rôle joué par la fumée.

1.1.3. Préciser l’intérêt de la protection anti-insectes.

Étude de la photodiode (polarisée en inverse)

1.2. A partir du document C2 :

1.2.1. Quelle est la grandeur physique d’entrée de la photodiode ?

1.2.2. Quelle est la grandeur physique de sortie de la photodiode ?

1.3. Recopier et compléter l’axe des longueurs d’onde électromagnétique ci-après en précisant le nom des deux domaines encadrant les radiations visibles.

------------------ Radiations visibles ------------------

400 nm 800 nm Longueur d’onde (nm)

1.4. En vous aidant du document C3, indiquer à quel type d’ondes électromagnétiques la photodiode du détecteur de fumée est-elle le plus sensible ?



1.5. Justifier à l’aide du document C4 que la photodiode est sensible à la lumière solaire.

1.6. En déduire quel est l’intérêt de la protection contre la lumière ambiante.

Étude de la diode infrarouge

Pour réaliser ce dispositif, on dispose de deux diodes électroluminescentes dont les caractéristiques sont données dans le document C5. 1.7. Déterminer la longueur d’onde de la lumière émise par chaque diode.

1.8. Déduire de la question précédente et du document C3, quelle est la diode électroluminescente la plus adaptée pour ce dispositif.

2. Étude d’un panneau solaire

Monsieur Moncar cherche à être autonome en énergie électrique. Il décide pour cela d’équiper son camping-car d’un panneau solaire. 2.1. Quels sont de façon générale les deux modes d’exploitation de l’énergie solaire que l’on peut utiliser

dans un habitat comme un camping-car ?

2.2. De quel type de panneau solaire Monsieur Moncar doit-il s’équiper ?

2.3. En vous référant aux documents C6 et C7, reproduire l’allure de la caractéristique Intensité- Tension de ce panneau solaire en plaçant sur les axes les valeurs de l’intensité du courant de court-circuit et de la tension en circuit ouvert.

2.4. Calcul de la puissance crête :

2.4.1. Écrire la relation entre les grandeurs Puissance, Tension et Intensité en régime continu, en précisant les unités des grandeurs figurant dans cette relation.

2.4.2. Calculer la valeur de l’intensité du courant à la puissance crête.

2.5. Recopier et compléter la chaîne énergétique ci-dessous

2.6. Le rendement du panneau solaire est donné par la relation : η = électrique

solaire

P

P

2.6.1. Montrer que la puissance solaire reçue par le panneau solaire est de l’ordre de 640 W.

2.6.2. Calculer le rendement maximal de ce panneau solaire.



ANNEXE C

C1- Dessin en coupe du détecteur de fumée :

Détecteur sans fumée Détecteur en présence de fumée

D’après le site http://www.adpi-protection-incendie.com/detecteur-fumee-co-26-1.html

C2- Caractéristique de la photodiode pour différents éclairements


http://www.adpi-protection-incendie.com/detecteur-fumee-co-26-1.html


C3- Sensibilité de la photodiode en fonction de la longueur d’onde électromagnétique :

C4- Spectre simplifié du soleil :

C5- Propriétés de quelques DEL (Diode électroluminescente) :

DEL D1 D2

Fréquence émise 330 THz 250 THz

T : téra : 1012

Fréquence :

cν = avec c = 3,00.108 m.s-1



C6- Allure de la caractéristique Intensité-Tension d’un panneau solaire :

C7- Caractéristiques du panneau solaire :

- Puissance crête (puissance maximale) : 80 W - Tension à la puissance crête : 17,4 V - Tension de circuit ouvert : 19,1 V - Intensité du courant de court-circuit : 4,8 A - Dimensions de la partie vitrée :

1146 mm x 555mm - Poids 8,35 kg

Ces données sont mesurées dans les conditions d’essai standard (STC) : Eclairement énergétique de 1kW.m-2 à la température de 25°C.

D’après http://www.solarboutik.com/269-kit-solaire-camping-car-vechline-75w.html


http://www.solarboutik.com/269-kit-solaire-camping-car-vechline-75w.html


Correction :

PARTIE A : Consommation et enjeux environnementaux 1. À l’aide du document A1, calculer pour chaque moteur (essence et diesel) la distance moyenne sur

autoroute en kilomètre que l’on peut parcourir avec un réservoir plein.

- Pour le moteur essence :

Sur l’autoroute, avec 9,6 L d’essence, on parcourt 100 km.

Donc avec 120 L d’essence, on parcourt : 3120 × 100

= 1 250 km 1 ,25.10 km9,6

- Pour le moteur diesel :

Sur l’autoroute, avec 7,1 L de gazole, on parcourt 100 km.

Donc avec 120 L de gazole, on parcourt : 3120 × 100

= 1 690 km 1 ,69.10 km7,1

2. À l’aide des documents A1 et A2, déterminer pour chaque moteur quel est le coût du carburant pour un trajet de 500 km sur autoroute ?

- Pour le moteur essence :

Sur l’autoroute, pour parcourir 500 km, il faut 5 x 9,6 = 48 L d’essence.

D’après le document A2, 1L d’essence coute 1,545 €, le coût du trajet sera donc de 48 x 1,545 = 74,16 €.

- Pour le moteur diesel :

Sur l’autoroute, pour parcourir 500 km, il faut 5 x 7,1 = 35,5 L de gazole.

D’après le document A2, 1L de gazole coute 1,354 €, le coût du trajet sera donc de 35,5 x 1,354 = 48,07 €.

3. À partir du document A3, citer un inconvénient à l’utilisation du gazole et un inconvénient à l’utilisation de l’essence.

- Le gazole se solidifie à –5 °C, il faut donc lui ajouter un antigel en hiver.

- L’essence présente des risques d’explosion.

4. Étude du moteur essence en consommation mixte :

4.1. Recopier et compléter l’équation de combustion de l’heptane qui est une réaction totale :

C7H16 + 11 O2 7 CO2 + 8 H2O

4.2. En utilisant les données des documents A1 et A3, déterminer la masse d’heptane utilisé pour parcourir 100 km.

D’après le document A1, en consommation mixte, il faut 10,7 L d’essence pour parcourir 100 km.

D’après le document A3, l’essence est assimilée à de l’heptane de masse volumique 680 g.L –1.

Pour parcourir 100 km, il faut donc 10,7 x 680 = 7276 g 7,28.103 g = 7,28 kg d’heptane

4.3. Montrer que la quantité de matière d’heptane consommée pour parcourir 1 km est égale à 0,73 mol.

Pour parcourir 1 km, il faut donc m = 72,8 g d’heptane.

La masse molaire étant M = 100 g.mol –1, cela correspond à une quantité m 72,8

0,73 molM 100



4.4. Déterminer la quantité de matière en CO2 produite par le camping-car par km.

D’après l’équation de la question 4.1., 1 mole d’heptane produit 7 moles de CO2.

Donc, avec 0,73 mol d’heptane, on produit 7 x 0,73 = 5,11 mol de CO2.

Le camping-car produit 5,11 mol de CO2 par km.

4.5. En déduire la masse de CO2 produite par km.

La masse molaire du dioxyde de carbone est M(CO2) = M(C) + 2x M(O) = 44 g.mol –1

Donc, 5,11 mol de CO2 ont une masse de : 5,11 x 44 = 225 g.

Le camping-car produit 225 g de CO2 par km.

5. Un camping-car équipé d’un moteur diesel produit 194 g de CO2 par km parcouru en consommation mixte. Comparer l’impact CO2 des deux modèles.

Le moteur diesel produit moins de CO2 par km que le moteur essence.

6. En vous aidant du document A5 :

6.1. Quel est l’inconvénient majeur lié à une motorisation diesel ?

Le moteur diesel produit de fines particules pouvant provoquer des maladies respiratoires comme l’asthme, des bronchites aigües et des cancers du poumon.

6.2. A l’heure actuelle quelle est la solution proposée par l’industrie automobile ?

Pour contrer ce problème, les constructeurs doivent installer des filtres à particules à la sortie du moteur.

7. Citer un avantage et un inconvénient du moteur diesel par rapport au moteur essence.

Avantage : le moteur diesel produit moins de CO2 par km.

Inconvénient : le moteur diesel émet des particules nocives.

PARTIE B : La vitesse et la sécurité sur la route 1. Couple et puissance

1.1. Relever les valeurs de couple et de puissance développée pour le moteur fonctionnant à 3000 tours/min décrit dans le document B1.



Moment du couple : 200 Nm

Puissance : 65 kW

1.2. En vous aidant du document B2, vérifier numériquement, pour une vitesse angulaire (aussi appelée vitesse de rotation) de 3000 tours/min, la relation entre puissance du moteur et moment du couple.

D’après le document B2 : P = ω x M

Il faut convertir 3000 tours/min en rad/s :

On sait que 1 tour = 2π rad et 1 min = 60 s donc 3000 tr/min =

-13000 2

314 rad.s60

π

Donc P = 314 x 200 = 62,8.103 W 65 kW.

On peut donc considérer qu’aux erreurs de lecture graphique près, la relation est bien vérifiée.

2. Vitesse, énergie et distance d’arrêt

2.1. Énergie lors d’un choc frontal à la vitesse de 100 km.h –1 :

2.1.1. Montrer que l’énergie cinétique d’un véhicule de masse 3000 kg ayant une vitesse de 100 km.h –1 est égale à 1,16 MJ.

v = 100 km.h –1 = -1100 × 1000

360027,8 m.s

Ec = 1

2m v² =

1

2x 3000 x 27,8 ² = 1,16.106 J soit 1,16 MJ

2.1.2. En déduire la variation d’énergie cinétique de ce véhicule qui s’immobilise lors d’un choc frontal.

ΔEc = Ec (v = 0 km/h) – Ec(v = 100 km/h) = –1,16 MJ : soit une diminution de 1,16 MJ

2.1.3. Vérifier l’affirmation finale de l’article du document B3.

On peut calculer l’énergie potentielle perdue lors d’une chute de 13 étages :

ΔEp = m x g x Δh = 3000 x 9,8 x (13 x 3) = 1,15 MJ

Il y a environ 1% d’écart entre les deux valeurs, on vérifie donc bien l’affirmation du document B3.

2.2. Distance d’arrêt :

2.2.1. À l’aide des documents B4 et B5, pour un véhicule roulant à la vitesse de 100 km.h –1, déterminer :

la distance d’arrêt

D’après le document B4 elle vaut 88,6 m.



la distance parcourue durant le temps de réaction

D’après le document B5, dTR = 1 s. Comme 100 km/h = 27,8 m/s, la distance parcourue est donc de 27,8 m.

la distance parcourue durant le temps de freinage.

C’est la distance complémentaire 88,6 – 27,8 = 60,8 m

2.2.2. À partir du document B5, caractériser le mouvement durant la phase de freinage et montrer que l’accélération moyenne est a = – 6,3 m.s-2.

D’après le document B5, la vitesse varie linéairement et diminue au cours du temps.

Le mouvement est donc uniformément décéléré.

L’accélération correspond au coefficient directeur de la droite : (100 km/h = 27,8 m/s)

a =

v 0 - 27,8

t 5,3 - 1= - 6,5 m.s-2.

Aux incertitudes de lecture près, on retrouve la valeur de l’énoncé.

3. Contrôle de la pression des pneus

Monsieur Moncar s’intéresse aux problèmes de sécurité liés à la pression des pneus. Il lit pour cela le document en annexe B6.

3.1. Pourquoi est-il important de vérifier régulièrement la pression des pneus ?

Vérifier le gonflage des pneus, permet d’éviter la surconsommation de carburant et de s’assurer une bonne adhérence à la route.

3.2. La pression relative recommandée pour le véhicule qui l’intéresse est de 3,3 bar pour un pneu.

3.2.1. Expliquer ce que signifie l’expression « pression relative ».

La pression relative est la différence entre la pression intérieure et la pression extérieure du pneu.

3.2.2. Quel est l’instrument utilisé pour la mesurer ?

On utilise un manomètre.

3.3. La pression atmosphérique étant de 1,01 bar = 1,01.105 Pa, calculer la pression absolue en Pascal dans un pneu.

PAbsolue = Prelative + Patmosphérique = 3,3 + 1,01 = 4,31 bar soit 54,31.10 Pa.

PARTIE C : Équipements du camping-car

1. Étude d’un détecteur de fumée

Monsieur Moncar prévoit d’utiliser des plaques de cuisson fonctionnant au gaz, mais cela augmente les risques d’incendie. Pour prévenir les risques d’intoxication par les fumées il souhaite installer un détecteur de fumée dans son camping-car.

Il décide d’étudier le principe du détecteur de fumée présenté dans l’annexe C.

Étude générale



1.1. Dans le détecteur de fumée présenté dans le document C1 :

1.1.1. Préciser :

- quel est le composant émetteur de lumière ? Il s’agit de la diode infra rouge.

- quel est le composant récepteur de lumière ? - Il s’agit de la photodiode.

1.1.2. Expliquer le rôle joué par la fumée.

La fumée diffuse une partie de la lumière émise qui peut alors aller sur le récepteur.

1.1.3. Préciser l’intérêt de la protection anti-insectes.

Un insecte pourrait venir couper le faisceau et renvoyer de la lumière sur le récepteur, ce qui provoquerait une fausse détection.

Étude de la photodiode (polarisée en inverse)

1.2. A partir du document C2 :

1.2.1. Quelle est la grandeur physique d’entrée de la photodiode ?

La grandeur d’entrée de la photodiode est l’éclairement.

1.2.2. Quelle est la grandeur physique de sortie de la photodiode ?

La grandeur de sortie de la photodiode est une intensité.

1.3. Recopier et compléter l’axe des longueurs d’onde électromagnétique ci-après en précisant le nom des deux domaines encadrant les radiations visibles.

Ultra violet Radiations visibles Infra rouge

400 nm 800 nm Longueur d’onde (nm)

1.4. En vous aidant du document C3, indiquer à quel type d’ondes électromagnétiques la photodiode du détecteur de fumée est-elle le plus sensible ?

La photodiode est le plus sensible aux ondes de longueur d’onde 900 nm : il s’agit d’infra rouge.

1.5. Justifier à l’aide du document C4 que la photodiode est sensible à la lumière solaire.

900 nm = 0,9 µm

On peut voir sur le spectre que le soleil émet des radiations à cette longueur d’onde, la photodiode est donc sensible à la lumière solaire.

1.6. En déduire quel est l’intérêt de la protection contre la lumière ambiante.



Comme la photodiode est sensible à la lumière solaire, il faut éviter que celle-ci rentre dans le détecteur et ne provoque des fausses détections de fumées.

Étude de la diode infrarouge

Pour réaliser ce dispositif, on dispose de deux diodes électroluminescentes dont les caractéristiques sont données dans le document C5. 1.7. Déterminer la longueur d’onde de la lumière émise par chaque diode.

DEL D1 D2

Fréquence émise 330 THz 250 THz

c

=ν

8

-7

12

c 3,00.10= = 9,09.10 mν 330.10

8

-6

12

c 3,00.10= = 1,20.10 mν 250.10

1.8. Déduire de la question précédente et du document C3, quelle est la diode électroluminescente la plus adaptée pour ce dispositif.

La diode la plus adaptée est donc la diode D1, puisqu’elle émet à 909 nm, ce qui correspond à la longueur d’onde pour laquelle la photodiode est la plus sensible (question 1.4)

2. Étude d’un panneau solaire

Monsieur Moncar cherche à être autonome en énergie électrique. Il décide pour cela d’équiper son camping-car d’un panneau solaire. 2.1. Quels sont de façon générale les deux modes d’exploitation de l’énergie solaire que l’on peut utiliser

dans un habitat comme un camping-car ?

Il existe des panneaux servant à produire de l’énergie électrique et ceux servant à produire de l’énergie thermique.

2.2. De quel type de panneau solaire Monsieur Moncar doit-il s’équiper ?

S’il veut être autonome en énergie électrique, il lui faut un panneau transformant l’énergie solaire en énergie électrique.

2.3. En vous référant aux documents C6 et C7, reproduire l’allure de la caractéristique Intensité- Tension de ce panneau solaire en plaçant sur les axes les valeurs de l’intensité du courant de court-circuit et de la tension en circuit ouvert.

2.4. Calcul de la puissance crête :



2.4.1. Écrire la relation entre les grandeurs Puissance, Tension et Intensité en régime continu, en précisant les unités des grandeurs figurant dans cette relation.

P (W) = U(V) x I(A)

2.4.2. Calculer la valeur de l’intensité du courant à la puissance crête.

P 80Ι = = = 4,6A

U 17,4

2.5. Recopier et compléter la chaîne énergétique ci-dessous

2.6. Le rendement du panneau solaire est donné par la relation : η = électrique

solaire

P

P

2.6.1. Montrer que la puissance solaire reçue par le panneau solaire est de l’ordre de 640 W.

D’après le document C7 :

Le panneau solaire a une surface S = 1,146 x 0,555 = 0,636 m²

L’éclairement est de 1 kW.m-2

Donc le panneau reçoit une puissance solaire de 0,636 kW soit environ 640 W.

2.6.2. Calculer le rendement maximal de ce panneau solaire.

η = électrique

solaire

P 80= = 0,125 = 12,5%

P 640


Baccalauréat STI2D et STL spécialité SPCL · 2017-02-23 · Le moteur diesel est longtemps...

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