Lycée · 1ʳᵉ · Enseignement scientifique
Le Soleil, notre source d'énergie
Rayonnement solaire, bilan radiatif terrestre et enjeux climatiques — programme d'Enseignement scientifique de 1re générale
À propos de cette page
Sans document · Les réponses doivent être rédigées et justifiées. Soigne l'orthographe et la présentation.
Devoir surveillé de fin de chapitre, tout en niveau difficile. Travaille seul et sans aide, puis vérifie tes réponses avec le corrigé détaillé dépliable en bas de page.
Exercice 1 — Spectre solaire et loi de Wien
/ 4 pts- La température de surface du Soleil est $T_\odot = 5\,800$ K. En utilisant la loi de Wien ($b = 2{,}898 \times 10^{-3}$ m·K), calcule la longueur d'onde $\lambda_{\max}$ du rayonnement solaire. (1,5 pt)
- À quel domaine spectral cette longueur d'onde appartient-elle ? (0,5 pt)
- La planète Mars a une température de surface d'environ 210 K. Calcule $\lambda_{\max}$ de son rayonnement. À quel domaine appartient-il ? (2 pt)
Exercice 2 — Puissance reçue et absorbée par la Terre
/ 5 pts- La constante solaire est $S_0 = 1361$ W/m². Calcule la puissance moyenne reçue par m² de surface terrestre (avant albédo). (1 pt)
- L'albédo terrestre est $a = 0{,}30$. Calcule la puissance moyenne absorbée par m². (1,5 pt)
- Le rayon terrestre est $R_T = 6{,}37 \times 10^6$ m. Calcule la puissance totale absorbée par la Terre en watts. (2,5 pt)
Exercice 3 — Température d'équilibre radiative
/ 5 pts- Rappelle la condition d'équilibre radiatif (formule). (1 pt)
- En utilisant $S_0 = 1361$ W/m², $a = 0{,}30$, $\sigma = 5{,}67 \times 10^{-8}$ W/m²/K⁴, calcule la température d'équilibre $T_e$ de la Terre. (3 pt)
- La température réelle est $T_r \approx 288$ K. Calcule l'écart $\Delta T = T_r - T_e$ et explique son origine. (1 pt)
Exercice 4 — Gaz à effet de serre et changement climatique
/ 3 pts- Cite trois gaz à effet de serre et donne leur formule chimique. (1,5 pt)
- Explique pourquoi la vapeur d'eau constitue une rétroaction positive du changement climatique. (1,5 pt)
Exercice 5 — Albédo et énergie solaire
/ 3 pts- La Lune a un albédo $a = 0{,}12$ et reçoit la même constante solaire que la Terre ($S_0 = 1361$ W/m²). Calcule sa puissance absorbée par m² de surface ($S_0/4$). (1,5 pt)
- Pourquoi les panneaux solaires photovoltaïques sont-ils conçus pour avoir un albédo très faible ? (1,5 pt)
Corrigé détaillé — à n'ouvrir qu'après avoir rendu la copie
Exercice 1 — Spectre solaire et loi de Wien
Corrigé :
1. $\lambda_{\max} = \frac{b}{T_\odot} = \frac{2{,}898 \times 10^{-3}}{5800} = 5{,}00 \times 10^{-7}$ m $= 500$ nm.
2. 500 nm est dans le domaine visible (400–700 nm).
3. $\lambda_{\max}^{\text{Mars}} = \frac{2{,}898 \times 10^{-3}}{210} \approx 1{,}38 \times 10^{-5}$ m $= 13{,}8$ µm → domaine infrarouge.
Exercice 2 — Puissance reçue et absorbée par la Terre
Corrigé :
1. $\bar{E} = S_0/4 = 1361/4 \approx 340$ W/m².
2. $E_{\text{abs}} = \bar{E} \times (1-a) = 340 \times 0{,}70 \approx 238$ W/m².
3. $P_{\text{abs}} = E_{\text{abs}} \times 4\pi R_T^2 = 238 \times 4\pi \times (6{,}37 \times 10^6)^2$
$= 238 \times 5{,}10 \times 10^{14} \approx 1{,}21 \times 10^{17}$ W.
Exercice 3 — Température d'équilibre radiative
Corrigé :
1. En régime stationnaire : $\frac{S_0(1-a)}{4} = \sigma T_e^4$, donc $T_e = \left(\frac{S_0(1-a)}{4\sigma}\right)^{1/4}$.
2. $T_e = \left(\frac{1361 \times 0{,}70}{4 \times 5{,}67 \times 10^{-8}}\right)^{1/4} = \left(\frac{952{,}7}{2{,}268 \times 10^{-7}}\right)^{1/4} = (4{,}20 \times 10^9)^{1/4} \approx 255$ K $\approx -18$ °C.
3. $\Delta T = 288 - 255 = 33$ K. Cet écart est dû à l'effet de serre naturel : les GES (H₂O, CO₂…) absorbent le rayonnement IR terrestre et en renvoient une partie vers la surface.
Exercice 4 — Gaz à effet de serre et changement climatique
Corrigé :
1. CO₂ (dioxyde de carbone), CH₄ (méthane), H₂O (vapeur d'eau), N₂O (protoxyde d'azote), O₃ (ozone). Trois au choix parmi ces exemples.
2. Rétroaction positive vapeur d'eau : le réchauffement dû aux GES anthropiques augmente l'évaporation des océans → davantage de vapeur d'eau dans l'atmosphère → vapeur d'eau est elle-même un GES → absorption IR accrue → réchauffement supplémentaire. Le processus s'auto-amplifie (rétroaction positive).
Exercice 5 — Albédo et énergie solaire
Corrigé :
1. $E_{\text{abs}} = \frac{S_0(1-a)}{4} = \frac{1361 \times 0{,}88}{4} = \frac{1197{,}7}{4} \approx 299$ W/m². (La Lune absorbe davantage car son albédo est plus faible.)
2. Un albédo faible signifie que la surface réfléchit peu le rayonnement solaire et en absorbe une grande fraction. Pour un panneau photovoltaïque, cela maximise l'énergie lumineuse captée et convertie en électricité, améliorant ainsi le rendement du panneau.
Ce contrôle de enseignement scientifique 1ʳᵉ en bref
Un devoir surveillé type contrôle en classe sur « Le Soleil, notre source d'énergie » : 5 exercices, 55 minutes, noté sur 20. Le corrigé détaillé est dépliable sous le sujet.
- Exercice 1 — Spectre solaire et loi de Wien/ 4 pts
- Exercice 2 — Puissance reçue et absorbée par la Terre/ 5 pts
- Exercice 3 — Température d'équilibre radiative/ 5 pts
- Exercice 4 — Gaz à effet de serre et changement climatique/ 3 pts
- Exercice 5 — Albédo et énergie solaire/ 3 pts
Notions évaluées
Le Soleil, une étoile productrice d'énergie, Le spectre électromagnétique du rayonnement solaire, La constante solaire et la puissance reçue par la Terre, L'albédo : fraction de l'énergie renvoyée, Le bilan radiatif de la Terre, L'effet de serre et les gaz à effet de serre.
Pour préparer ce contrôle
- Relire le cours.
- Refaire les exercices corrigés et les compréhension.
- Se tester avec le QCM (37 questions).
- Faire ce sujet en conditions réelles — 55 min, sans le cours — puis se corriger et noter les points à revoir.
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Questions fréquentes sur ce sujet
- Combien de temps dure ce contrôle sur « Le Soleil, notre source d'énergie » ?
- 55 minutes pour 5 exercices notés sur 20. Prévois le double si tu enchaînes avec la correction.
- Le corrigé est-il fourni ?
- Oui : le corrigé détaillé se déplie sous le sujet, à n'ouvrir qu'après avoir rendu la copie.
- Ce sujet peut-il servir de DS, de contrôle ou d'interrogation ?
- Oui : c'est un devoir surveillé complet de 55 minutes. Pour une interrogation courte, garde un ou deux exercices ; pour un DS ou un contrôle de fin de chapitre, fais le sujet entier en temps limité.
- Ce sujet suit-il le programme de enseignement scientifique de première ?
- Oui : il évalue uniquement les notions du chapitre « Le Soleil, notre source d'énergie » du programme officiel de enseignement scientifique en première, soit Le Soleil, une étoile productrice d'énergie, Le spectre électromagnétique du rayonnement solaire, La constante solaire et la puissance reçue par la Terre, L'albédo : fraction de l'énergie renvoyée.
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