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Devoir n°8 de physique

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Terminale S2
Vendredi 23/05/14
Devoir n°8 de physique-chimie
Exercice n°1 : Le laser bruleur devient refroidisseur
Le texte ci-dessous est extrait d’une revue scientifique
1) Expliquer pourquoi :« plus le photon est énergétique, plus sa couleur tend vers l’ultraviolet »
2) Quelle propriété du laser est mise en avant dans la phrase : « il faudra utiliser un laser d’une couleur
bien déterminée » ?
3) Quelle propriété du laser est nécessaire pour piéger les atomes au milieu des six faisceaux lasers ?
4) Quelques niveaux d’énergie de l’atome de sodium sont représentés sur le diagramme ci-dessous.
Un jet d’atomes de sodium, initialement dans l’état fondamental E1, se déplaçant à la vitesse de
valeur v = 3,0.103 m.s-1, est stoppé par les faisceaux lasers à la suite de plusieurs chocs successifs.
a) Quelle est l’énergie d’un atome de sodium juste après l’absorption du photon de longueur d’onde
 = 589 nm ?
b) Pourquoi peut-on dire que ces photons sont au goût de l’atome ?
h
c) La valeur de la vitesse de l’atome est alors diminuée de
, où m représente la masse de
 .m
l’atome de sodium. Calculer le nombre de chocs identiques que doit subir l’atome pour s’arrêter.
h
5) On rappelle que la relation de de Broglie est   où p est la quantité de mouvement
p
a) Déterminer la longueur d’onde associée à l’atome de sodium à l’état initial
b) Expliquer alors la dernière phrase de l’article de la revue
Données : h = 6,63.10-34 J.s
c = 3,00.108 m.s-1
1 eV = 1,60.10-19 J
m = 3,82.10-26 kg
Exercice n°2: Fonctionnement d’une bouilloire
On considère une bouilloire électrique contenant Veau= 800 mL d'eau. On étudie le système {eau}.
La température initiale Ti du système est de 20°C. On met ensuite la bouilloire en fonctionnement jusqu'à
atteindre une température finale Tf = 70°C.
1. Exprimer la variation d'énergie interne ΔU de l'eau lors de cette transformation de façon littérale, en
fonction des données de l'énoncé. Faire l'application numérique.
Données : Capacité calorifique massique de l'eau : ceau = 4,18.103 J.kg-1.°C-1
La bouilloire remplie d'eau chaude à la température Tf est placée dans une pièce où la
température notée Text vaut 20°C.
On rappelle l'expression générale du flux thermique  à travers une paroi de résistance thermique
T T
Q
Rth où la température de part et d'autre vaut T1 et T2, est :  1 2 
Rth
t
On rappelle aussi que le flux thermique correspond à l'énergie thermique échangée Q pendant
l'intervalle de temps Δt.
Donnée : Rth (bouilloire) = Rthb = 0,17 °C.W-1
2. Calculer le flux thermique qui traverse la paroi de la bouilloire.
3. Compléter le schéma ci-dessous en représentant par une flèche le sens du transfert thermique
correspondant à ce flux (rendre la copie). Justifier.
4. En considérant la température de l'eau constante, en déduire l'énergie thermique Q transférée à travers
les parois pendant 2 minutes.
5. Quel est le mode de transfert thermique
majoritaire :
• entre A et B ?
• entre C et D ?
On cherche à diviser le flux thermique par cinq. Pour cela, on accole à la paroi de la bouilloire de
surface 0,12 m2 une couche d'isolant mince de même surface. On considère alors que la bouilloire et
l'isolant mince constituent un assemblage de parois planes. On admet aussi que la résistance thermique
Rth d'un matériau d'épaisseur e, de conductivité thermique λ et de surface S peut être donnée par la
e
relation suivante Rth 
.
.S
Donnée : conductivité thermique de l'isolant : λiso = 0,040 W.m-1.°C-1.
6. Sachant que les résistances thermiques s'additionnent dans le cas de parois accolées, calculer l'épaisseur
d'isolant e qui permettra de diviser le flux thermique de la bouilloire par cinq. On donnera expression
littérale et valeur numérique de l'épaisseur e.
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