Certaines communes du Québec ont utilisé une technique appelée chaulage pour lutter contre l'acidification de leurs lacs Ils ajoutent par hélicoptère du
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[PDF] BACCALAUREAT GENERAL
Certaines communes du Québec ont utilisé une technique appelée chaulage pour lutter contre l'acidification de leurs lacs Ils ajoutent par hélicoptère du
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l'état et le niveau d'acidification des lacs du Québec ainsi que l'é- Facteurs de correction des valeurs d'alcalinité Scandinavie, des Adirondack et de certaines parties de llOnta- ri 0; chaulage par exemple) pour des lacs acidifiés et présentant un contrairement à la procédure utilisée dans le projet RL, on ne procède
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9 11 RECHERCHE EFFECTUÉE AU QUÉBEC 160 le chaulage et toute technique agronomique qu'en ont certaines disciplines aidera à comprendre Ingénieur Il est utilisé pour produire des plantes, supporter une végétation et permettre la circula- Tableau 6 2 Facteurs de correction de la conductivité hydraulique
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riches en minéraux altérables, l'acidité et la minéralisation des eaux ont (i) géologie: la pauvreté en minéraux altérables de certaines roches (grès, Les données antérieures font appel à des techniques analytiques différentes de corrections additionnels pour ce paramètre pourtant utilisé comme Vermontl Quebec 1
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BACCALAUREAT GENERAL
Sujet blanc
Session 2015
PHYSIQUE - CHIMIE
Série S
Durée de l'épreuve : 3h30
L'usage de la calculatrice est autorisé
Ce sujet comporte 16 pages, numérotées de 1 à 16.Le candidat ne rendra aucune feuille du sujet.
Les candidats non-spécialistes Physique - Chimie traiteront les exercices 1,2 et 3. Les candidats spécialistes Physique - Chimie traiteront les exercices 1,2 et 3 bis.1Les rebonds de Mars Pathfinder - 6 pts
2Pluies acides et conséquences - 9 pts
3Autocollant rouge ou bleu - 5 pts
3 bisDes vitrages intelligents - 5 pts
BACCALAUREAT BLANC PHYSIQUE - CHIMIEPage 1 sur 16
EXERCICE 1 - TOUT CANDIDAT - Les rebonds de Mars Pathfinder - 6 pts Mars Pathfinder est une sonde spatiale de type atterrisseur développée par l'agence spatialeaméricaine, la NASA, qui s'est posée sur le sol de la planète Mars le 4 juillet 1997 à Ares Vallis, dans
la région de Chryse Planitia . L'atterrisseur fixe a entamé sa mission en libérant un petit robot mobile,
Sojourner chargé de prospecter la surface à proximité. Mars Pathfinder disposait de plusieurs
instruments scientifiques destinés à analyser l'atmosphère martienne, son climat, la géologie
(composition des roches et du sol). La mission a permis de valider une nouvelle technique d'atterrissage en douceur utilisant des coussins gonflables.Grappe de coussins gonflables entourant la
sonde (ensemble surnommé framboise à cause de sa forme) Diamètre de l'ensemble : 5 mètresLe robot Sojourner à la surface de MarsLa séquence d'atterrissage débute à 8500 km d'altitude par l'éjection de l'étage de croisière, il est alors
16 h 21 min 55 s en temps universel coordonné. Contrairement aux sondes Viking, Pathfinder ne se
met pas en orbite autour de la planète, il effectue directement sa rentrée, vers 130 km d'altitude, avec
un angle de 14,2°. La sonde est protégée d'un échauffement excessif par un bouclier thermique de
2,65 mètres de diamètre. Grâce à ce freinage " naturel », la vitesse de Pathfinder est réduite à
1440 km/h. Alors que le sol n'est plus qu'à 9,4 km, un parachute de 11,5 m de diamètre est éjecté. La
vitesse de Pathfinder tombe à 234 km/h. Vingt secondes plus tard, le bouclier thermique est éjecté.
Vingt autres secondes s'écoulent avant que la sonde ne soit descendue au bout d'un filin (bride) de
kevlar de 30 mètres de long, dont l'extrémité est fixée au bouclier supérieur (attaché au parachute).
La distance au sol n'est plus que de 6,6 km. Quand elle n'est plus que de 300 m, huit secondes avantle contact avec le sol, la grappe des 24 ballons protecteurs se gonfle tout autour d'elle en moins d'une
seconde. Deux secondes plus tard, alors que la sonde n'est plus qu'à 50 m du sol, les trois rétrofusées
rivetées sur le bouclier supérieur s'allument, stoppant instantanément l'ensemble en plein ciel.
Presque simultanément, la bride de kevlar qui reliait la sonde au bouclier supérieur est sectionnée :
Pathfinder parcourt les vingt derniers mètres qui la séparent du sol à la vitesse de 90 km/h. Mars
Pathfinder a rebondi quinze à vingt fois sur ses airbags, parfois sur des rochers, avant de se stabiliser.
BACCALAUREAT BLANC PHYSIQUE - CHIMIEPage 2 sur 16
Schéma synthétique de l'arrivée sur Mars
Quelques données physiques :
Masse de MarsMM = 6,42.1023 kg
Rayon de Mars RM = 3394 km
Masse de la sonde, étage de croisière comprism = 870 kg Constante de gravitation universelleG = 6,67.10-11 m3.kg-1.s-2Partie A : étude de la phase d'approche du sol
1/Exprimer littéralement et en fonction des données de l'énoncé la norme de la force
gravitationnelle créée par Mars sur l'appareil juste avant la séparation de l'étage de croisière.
2/Calculer la valeur numérique de cette force.
3/Déterminer l'heure en temps universel coordonné à laquelle l'atterrisseur a touché le sol martien.
Partie B : étude des rebonds à la surface de Mars La valeur du champ de pesanteur g(h) à l'altitude h de Mars est :g(h)=GMM (RM+h)21/Montrer par des calculs numériques que l'on peut considérer que la valeur du champ de pesanteur
martien est la même entre le sol et 30,0 m d'altitude.BACCALAUREAT BLANC PHYSIQUE - CHIMIEPage 3 sur 16
A partir du sectionnement de la bride, à 30 m d'altitude, on considère que seul le champ de pesanteur
martien agit sur l'atterrisseur. On prendra g = 3,72 N.kg-1 dans la suite comme valeur de ce champ de pesanteur. L'atterrisseur touche le sol en O avec un vecteur vitesse ⃗vAfaisant un angle α avecl'horizontale, ensuite il effectue son premier rebond, grâce à la présence des airbags gonflés. On
assimilera le sol à un plan horizontal et lisse pour la suite de la modélisation. Au moment du premier impact, les mesures effectuées donnent : - vitesse horizontale vhor de l'atterrisseur = 20,0 m.s-1 - vitesse verticale vver = 12,5 m.s-12/Calculer la norme de la vitesse vA ainsi que la valeur de l'angle α.
Lors du premier rebond, l'atterrisseur remonte avec une vitesse v1 faisant le même angleα avec
l'horizontale (voir schéma ci-dessous). Une partie de l'énergie de la " framboise " étant dissipée lors
du choc, la valeur de v1 vaut 94,0 % de celle de vA. On travaillera dans la suite dans un référentiel martien supposé galiléen.3/Déterminer l'expression du vecteur accélération de l'atterrisseur en fonction du vecteur champ de
pesanteur martien. Exprimer les composantes (coordonnées) du vecteur accélération dans le repère d'étude (O,Ox,Oy)4/Déterminer les équations horaires de la vitesse - vx(t) et vy(t) - en fonction de vA, g,
αet t .
5/Déterminer les équations horaires du mouvement - x(t) et y(t) - en fonction de vA, g,
αet t .
6/En déduire alors l'équation cartésienne y =f(x) de la trajectoire de l'atterrisseur correspondant au
premier rebond.7/Calculer la durée du premier rebond (On prendra vA = 23,6 m.s-1 et
α= 32,0° en cas d'échec).
On rappelle les expressions de la flèche et de la portée de la trajectoire : ① ②①yF=v12sin2α 2g ②xP=v12sin(2α) g8/Calculer la flèche et la portée du premier rebond.
La relation permettant de calculer la flèche des rebonds ultérieurs pour le rebond numéro n est la
suivante : (yF)n=(vA⋅0,94n)2sin2α 2gBACCALAUREAT BLANC PHYSIQUE - CHIMIEPage 4 sur 16
On donne ci-après la courbe représentative de la valeur de (yF)n en fonction de n :9/Déterminer le nombre de rebonds réalisés par l'atterrisseur avant de s'immobiliser (justifier).
Proposer une explication à l'éventuelle différence constatée avec les informations du texte de
présentation.BACCALAUREAT BLANC PHYSIQUE - CHIMIEPage 5 sur 16
EXERCICE 2 - TOUT CANDIDAT - Pluies acides et conséquences - 9 pts Les précipitations sont naturellement acides en raison du dioxyde de carbone présent dansl'atmosphère. Par ailleurs, les activités humaines et leurs rejets dans l'atmosphère participent à
l'acidification de l'eau de pluie.Dans cet exercice on se propose d'étudier les processus qui conduisent à l'acidification de l'eau de
pluie, les conséquences de cette acidification sur le pH des lacs de montagne du Canada et sur les
gouttières en zinc. Cet exercice comporte trois parties indépendantes.1. Les processus d'acidification des précipitations
Document 1 : Acidité naturelle de l'eau de pluie non polluéeLe dioxyde de carbone atmosphérique réagit avec l'eau des nuages pour former l'acide carbonique
H2CO3(aq). Il s'agit d'un diacide dont les couples acide/base sont H2CO3(aq) / HCO3-(aq) pKA1 = 6,4 et
HCO3-(aq) / CO32-(aq) pKA2 = 10,4.
Ce diacide réagit à son tour avec l'eau, ce qui entraîne un pH voisin de 5,6 pour une eau de pluie
normale, c'est-à-dire non polluée. Document 2 : Pluies acides, définition et exemplesDes polluants libérés dans l'atmosphère sont susceptibles de faire baisser le pH de l'eau de pluie.
Pour des pH inférieurs à 5,6 on parle de pluies acides.En 1979, le pH de précipitations tombées à Weeling, en Virginie (Etats-Unis), est mesuré à 1,5.
En 1974, la Corse a connu des pluies de pH = 2,5
A Dianbai, en Chine, en 2009, le pH relevé était de 3,17. Document 3 : Pollution et acidification des eaux de pluiesLes polluants responsables de l'acidification des précipitations sont principalement le dioxyde de
soufre SO2(g) et le dioxyde d'azote NO2(g) qui se dissolvent dans l'eau en formant de l'acide sulfurique
H2SO4(aq) et de l'acide nitrique HNO3(aq), lesquels retombent ensuite au sol sous forme de pluies,neiges, dépôts secs et dépôts gazeux, et ce, après avoir parcouru des milliers de kilomètres.
1.1. Ecrire l'équation de la réaction de formation de l'acide carbonique à partir du dioxyde de
carbone atmosphérique et de l'eau des nuages.1.2. Ecrire les demi-équations correspondant à chacun des couples de l'acide carbonique. Pourquoi
qualifie-t-on l'acide carbonique de " diacide » ?1.3. Placer sur un diagramme de prédominance les espèces H2CO3(aq) , HCO3-(aq) et CO32-(aq) et en
déduire sous quelle forme se trouve l'acide carbonique dans l'eau de pluie non polluée.1.4. En déduire l'équation de la réaction qui a lieu entre l'acide carbonique H2CO3(aq) et l'eau.
1.5. La formation d'acide sulfurique dans l'eau de pluie à partir du dioxyde de soufre se fait en deux
étapes : réaction de SO2 avec le dioxygène pour former SO3 puis réaction de SO3 avec l'eau pour
former H2SO4. Ecrire ces 2 réactions en utilisant simplement la conservation des éléments chimiques.
1.6. La formation de l'acide nitrique dans l'eau à partir du dioxyde d'azote fait intervenir les couples
oxydant/réducteur NO2(g) / NO(g) et HNO3(aq) / NO2(g). Etablir l'équation de la réaction de formation de
l'acide nitrique.BACCALAUREAT BLANC PHYSIQUE - CHIMIEPage 6 sur 16
2. Chaulage des lacs
Document 4 : Lacs acides du Québec
Le territoire du Québec possède de nombreux lacs appelés "lacs acides» dont le pH est inférieur à 5,5. Cette acidification est généralement survenue au cours des 40 à 100 dernières années. L'acidité des précipitations, entraînant l'acidification des lacs. Les mesures des sulfates SO42-(aq) et des nitrates NO3-(aq) sont utilisées comme indicateurs des apports en acides sulfurique H2SO4(aq) et nitrique HNO3(aq). Certaines communes du Québec ont utilisé une technique appelée chaulage pour lutter contrel'acidification de leurs lacs. Ils ajoutent par hélicoptère du carbonate de calcium CaCO3(s) afin de faire
remonter le pH de l'eau du lac.D'après La problèmatique des lacs acides au Québec, J. Dupont , Ministère du Développement
Durable de l'Environnement et des Parcs
Document 5 : Dosage des ions nitrate dans l'eau
Il est possible de doser par spectrophotométrie les ions nitrate présents dans l'eau.En présence d'acide 2,4-phénoldisulfonique, les ions NO3-(aq) réagissent avec apparition d'une
coloration jaune. Le spectre de la solution obtenue est donné ci-dessous.La concentration des ions NO3-(aq) de cette solution peut alors être déterminée par la mesure de son
absorbance à une certaine longueur d'onde.Il faut préalablement réaliser une échelle de teintes. On prépare 15 solutions aqueuses d'ions nitrate
de concentration connue en ions nitrate, en présence d'acide 2,4-phénoldisulfonique. On mesure l'absorbance A de chaque solution à une certaine longueur d'onde. On trace ensuite le graphique A = f([NO3-(aq) ]) et on obtient le graphique ci-dessous. Courbe d'étalonnage A = f([NO3-(aq) ]) Spectre d'absorption de la solution d'ions nitrate en présence d'acide2,4-phénoldisulfonique
2.1. L'acide nitrique est un acide fort, l'acide sulfurique est un diacide fort. Ecrire les équations des
réactions de chacun de ces acides avec l'eau.2.2. Pourquoi les ions sulfate et nitrate sont-ils utilisés comme " indicateurs des apports en acide
sulfurique et nitrique» ?BACCALAUREAT BLANC PHYSIQUE - CHIMIEPage 7 sur 16
2.3. Expliquer à quelle longueur d'onde on doit se placer pour mesurer l'absorbance des solutions du
document 5.2.4. Montrer que le graphique A = f([NO3-(aq) ]) est conforme à la loi de Beer-Lambert et déterminer
l'équation de la droite en précisant l'unité des grandeurs qui interviennent.2.5. On effectue un prélèvement de l'eau d'un lac. On ajoute de l'acide 2,4-phénoldisulfonique et on
mesure l'absorbance de la solution obtenue. On mesure A = 0,89. En déduire la concentration en ions nitrate de l'eau du lac.2.6. On considère un lac acide de volume V = 5,0.108 m3 dont le pH vaut initialement 5,2. Donner la
relation entre le pH et la concentration en ions oxonium [H3O+(aq)]. En déduire la concentration en
ions oxonium du lac.2.7. On souhaite remonter le pH du lac par ajout de carbonate de calcium, une base que l'on notera
schématiquement B2- (attention, c'est bien " 2- »). Ecrire la réaction supposée totale entre cette base
et les ions oxonium de l'eau du lac.2.8. Calculer la quantité de matière (en mol) de base qu'il faudra ajouter dans le lac pour atteindre
pH = 6,0.2.9. Quel est le coût de l'opération si la base utilisée est du carbonate de calcium de masse molaire
M = 100 g.mol-1 et dont le prix est de 50 € la tonne? Commenter le résultat.3. Sur le zinc
Très souvent, les pluies s'écoulant des toits sont recueillies par des gouttières métalliques, constituées
de zinc. Le zinc est un métal qui réagit en milieu acide selon la réaction d'équation suivante :
Zn(s) + 2H3O+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g) + 2H2O(ℓ)3.1. S'agit-il d'une réaction acido-basique ou d'une réaction d'oxydoréduction ? Justifier en donnant
les couples auxquels appartiennent chacun des deux réactifs (Zn(s) d'une part et H3O+(aq) d'autre part).
3.2. Suivi cinétique de la transformation.
Pour étudier la transformation correspondant à l'attaque acide du zinc, on réalise l'expérience dont le
schéma simplifié est représenté sur la figure 1 : À l'instant de date t = 0 s, on verse rapidement VA = 100,0 mL de solution d'acide sulfurique de concentration en ions oxonium [H3O+(aq)] = 0,40 mol.L-1 sur m = 0,654 g de poudre de zinc.BACCALAUREAT BLANC PHYSIQUE - CHIMIEPage 8 sur 16
La formation de dihydrogène à l'état gazeux crée une surpression dans l'erlenmeyer. Les mesures de
pression effectuées à différentes dates par un capteur permettent de déterminer la quantité n(H2(g)) de
dihydrogène produit et ainsi d'en déduire l'évolution de l'avancement x(t) de la réaction au cours du
temps comme indiqué sur la figure 2.3.2.1. Donner la relation liant la quantité de dihydrogène produit n(H2(g)) à un instant t et la valeur de
l'avancement x(t) à ce même instant.3.2.2. Définir le temps de demi-réaction t1/2 puis déterminer sa valeur en expliquant la démarche.
3.2.3. On considère ici que la réaction est terminée au bout de 6 fois t1/2. Estimer alors la durée de
réaction.3.3. Facteurs cinétiques
On cherche à montrer l'influence de la concentration en ions oxonium. On reprend le montage de la figure 1 et on réalise les trois expériences présentées dans le tableau ci-dessous.TABLEAU 1
Expérience 1Expérience 2Expérience 3
Température (°C)252525
Masse initiale de zinc (g)0,6540,6540,654
Forme du zincpoudrepoudrepoudre
Volume de la solution d'acide sulfurique
versée (mL)100100100Concentration initiale en ions oxonium
(mol/L)0,500,250,40Pour chacune des expériences 1, 2 et 3, on a tracé sur la figure 3 les trois courbes (a), (b) et (c)
représentant l'avancement de la réaction lors des 60 premières minutes.BACCALAUREAT BLANC PHYSIQUE - CHIMIEPage 9 sur 16
3.3.1. Associer, en le justifiant rigoureusement, à chacune des courbes de la figure 3 le numéro de
l'expérience 1, 2 et 3 correspondante.3.3.2. On cherche à montrer l'influence de la forme du zinc (division et état de surface). On reprend
le montage de la figure 1 et on réalise trois nouvelles expériences présentées dans le tableau ci-
dessous.TABLEAU 2
Expérience 4Expérience 5Expérience 6
Température (°C)252525
Masse initiale de zinc (g)0,6540,6540,654
Forme du zincpoudregrenaille récemment
fabriquéegrenaille de fabrication ancienne recouverte d'une couche de carbonate de zincVolume de la solution
d'acide sulfurique versée (mL)100100100Concentration initiale en
ions oxonium (mol/L)0,500,500,50 BACCALAUREAT BLANC PHYSIQUE - CHIMIEPage 10 sur 16On trace les courbes x = f(t) pour les trois expériences et on obtient le graphique de la figure 4 ci-
dessous.3.3.2.1. A partir des courbes obtenues lors des expériences 4 et 5 (fig.4) et de vos connaissances,
indiquer quelle est l'influence de la surface de zinc en contact avec la solution sur la vitesse de réaction.3.3.2.2. En milieu humide, le zinc se couvre d'une mince couche de carbonate de zinc qui lui donne
un aspect patiné. A partir des courbes obtenues (fig.4) et de vos connaissances, indiquer quelle est
l'influence de cette couche de carbonate de zinc sur la vitesse de réaction.3.4. Pluie acides et gouttières
Les précipitations naturelles et non polluées ont un pH acide, leur acidité étant due au dioxyde de
carbone qui se dissout dans l'eau. En France, la concentration moyenne en ions oxonium rencontrés dans les eaux de pluies est égale à 1,0.10-5 mol.L-1.Les trois facteurs cinétiques étudiés dans la partie 3.3 permettent-ils d'expliquer la longévité des
gouttières en zinc dans les habitations ? Une dizaine de lignes seront nécessaires pour traiter
correctement cette question. BACCALAUREAT BLANC PHYSIQUE - CHIMIEPage 11 sur 16 EXERCICE 3 - CANDIDATS NON SPECIALISTES - Autocollant bleu ou rouge ? - 5 ptsLes physiciens de l'APS (American Physical Society) ont distribué des autocollants rouges à placer à
l'arrière des véhicules afin de faire sourire les observateurs les plus avisés... Traduction : " Si cet autocollant est bleu, alors vous conduisez trop vite » A l'aide des différents documents proposés, vous devez rédiger un texte d'une demi-pageenviron dans lequel vous expliquerez le phénomène physique caché derrière cette photographie
en détaillant la situation et vous donnerez des raisons (notamment à l'aide d'un calcul) pour lesquelles cet autocollant ne peut avoir qu'un caractère humoristique. Il sera tenu compte de la qualité de l'expression et de l'orthographe.Document 1 : effet Doppler-Fizeau
On considère une source lumineuse monochromatique et un observateur recevant le rayonnementémis par cette source.
Si la source est immobile par rapport à l'observateur, celui perçoit la longueur d'onde ①0.
Si la source se déplace à la vitesse v par rapport à l'observateur, alors celui-ci perçoit la longueur
②d'onde g 0.Pour des vitesses de source largement inférieures à la célérité c de la lumière dans le vide, et 0
vérifient les égalités suivantes : Si la source s'éloigne de l'observateur Si la source se rapproche de l'observateur (1+v c)⋅λ0λ=(1-v c)⋅λ0Document 2 : étoile chromatique Les valeurs indiquées représentent les longueurs d'ondes dans le vide, exprimées en nm. BACCALAUREAT BLANC PHYSIQUE - CHIMIEPage 12 sur 16Autocollant rouge EXERCICE 3 bis - CANDIDATS SPECIALISTES - Des vitrages intelligents ? - 5 pts Document 1 : et si tous nos écrans et vitrages devenaient des panneaux photovoltaïques ? Imaginez une ville où toutes les vitres des bâtiments et des véhicules, tous les panneaux,lampadaires...contiendraient des cellules photovoltaïques invisibles. Cela pourrait devenir réalité
grâce à la technologie WYSIPS (pour " What You See Is Photovoltaic Surface »), brevetée par la
société Sunpartner Technologies. L'objectif de Sunpartner Technologies est de transformer n'importe
quel support en une micro-centrale électrique solaire. Tout appareil électronique comprenant un écran
(smartphone, liseuse électronique, montre, objet connecté), mais aussi les vitres et les surfaces
opaques pouvant fonctionner en toute indépendance vis-à-vis des réseaux électriques, WYSIPS
pourrait ainsi permettre d'atteindre l'autonomie énergétique de tous les objets et équipements
électroniques exposés à la lumière naturelle ou artificielle.Pour ce faire, les chercheurs ont créé un film transparent et intégrable à toutes sortes de produits.
Lorsqu'on y regarde de plus près, ce composant assemble une couche mince photovoltaïque dematériau semi-conducteur - du silicium amorphe - avec un réseau de microlentilles qui rend les
cellules photovoltaïques invisibles à l'oeil nu. Le composant de base est constitué d'un verre ultra-fin
ou d'un film flexible organique dont l'épaisseur peut aller de 0,5 mm à 0,1 mm. avec un taux de
transparence allant jusqu'à 92 %, il préserve la qualité visuelle et la fonctionnalité de l'écran.
On peut ainsi imaginer que les surfaces vitrées des bâtiments, des voitures, trains, avions ou de tout
autre moyen de transports alimentent n'importe quel type d'appareil électrique. Selon latransparence, variant entre 70 % et 90 % en fonction des besoins, la production énergétique sera
évidemment plus ou moins élevée. Le rendement de ce type de panneau reste pour l'heure
assez faible, autour de 5,0 % pour une transparence de 70 %, mais sur des grandes surfaces comme des verrières ou des fenêtres de buildings, cela ouvre des utilisations prometteuses. Un film photovoltaïque transparentUne verrière recouverte de film photovoltaïque semi transparentD'après http://www.natura-sciences-com
Document 2 : spectre de la lumière blanche
BACCALAUREAT BLANC PHYSIQUE - CHIMIEPage 13 sur 16Document 3 : récupérer l'énergie des photons " bleus » avec des panneaux solaires hybrides
organiques/semi-conducteursDes chercheurs de l'Université de Cambridge ont réussi à augmenter le rendement d'une celle solaire
hybride en récupérant efficacement l'énorme énergie des photons bleus jusque là peu exploités. Les
cellules solaires actuelles arrivent ainsi à générer un électron à partir d'un photon, mais
seulement sur une partie du spectre lumineux. Pour y arriver, les chercheurs ont ajouté un semi-conducteur organique appelé pentacène lors de la fabrication de leur cellule photovoltaïque. Ils ont
ainsi réussi à créer une cellule solaire hybride capable de générer deux électrons à partir d'un
photon bleu. La cellule est capable d'absorber à la fois la lumière rouge et la lumière bleue, portant
ainsi le rendement maximum théorique à 44 % ! D'après http://www.photovoltaique-organique.com Document 4 : la théorie des bandes et l'effet photovoltaïqueLe comportement électrique des conducteurs, semi-conducteurs et isolants électriques est modélisé
par la théorie des bandes énergétiques. Selon ce modèle, les niveaux d'énergie des électrons des
atomes d'une structure cristalline forment des bandes d'énergies appelées bandes permises. Seuls les
électrons de la bande de conduction (BC) contribuent à la conduction ; les électrons de la bande
de valence (BV) n'y contribuent pas. Pour les conducteurs, BC et BV se chevauchent. Ainsi, certains électrons sont libres d'évoluer dans la structure cristalline. En revanche, pour les semi-conducteurs et les isolants, BC et BVsont séparées par une bande d'énergie interdite Eg appelée énergie de gap. Si cette énergie n'est
pas fournie aux électrons - par l'agitation thermique ou par des photons- ils ne peuvent passer dans la
bande de conduction et participer à la conduction du courant électrique du matériau.La différence entre semi-conducteur et isolant réside dans la valeur Eg de cette bande interdite :
Eg = 1,14 eV pour le silicium semi-conducteur alors que Eg peut atteindre 10 eV pour desisolants comme la silice. Si cette énergie est fournie sous l'effet du rayonnement lumineux incident
alors c'est l'effet photovoltaïque. Pour améliorer la conductivité contrôlée des semi-conducteurs au
silicium, on les dope (ajouts d'impuretés) avec d'autres éléments ayant un électron de valence de plus
(dopage n) ou de moins (dopage p) que le silicium. Cela a pour effet de créer des niveaux d'énergie
dans la bande interdite, proches de BV et BC. D'après J.-P. PEREZ, " Electromagnétisme - Vide et milieux matériels », Masson, 2011 BACCALAUREAT BLANC PHYSIQUE - CHIMIEPage 14 sur 16Document 5 : puissances électriques délivrées par un module photovoltaïque rectangulaire au
silicium de surface S = 50,0 cm x 30,0 cm , dans deux conditions d'éclairementDocument 6 : rendement énergétique
Le rendement énergétique d'un panneau photovoltaïque est donné par : η=Pél Pray avec Pél (W) puissance électrique fournie par le panneau et Pray (W) puissance lumineuse du rayonnement reçu.La puissance lumineuse reçue par une surface S (en m2) sous un éclairement E (en W.m-2) est donnée
par : Pray = E*S Document 7 : carte du rayonnement solaire moyen annuel sur la France en W.m-2Données :
masse de l'électronme = 9,11.10-31 kg constante de Planckh = 6,63.10-34 J.s célérité de la lumière dans le videc = 3,00.108 m/s1 électronvolt (eV)1eV = 1,60.10-19 J
BACCALAUREAT BLANC PHYSIQUE - CHIMIEPage 15 sur 16I - L'effet photovoltaïque à la loupe
1. Expliquer ce qui différencie un matériau isolant d'un matériau semi-conducteur et d'un conducteur
électrique dans la théorie des bandes.
2. A température ambiante, l'agitation thermique correspond à un apport d'énergie d'environ
25 meV. Un matériau semi-conducteur au silicium dopé n peut-il devenir conducteur sous l'effet de
cette agitation thermique ? Justifier la réponse.3. Exprimer puis calculer la longueur d'onde pour laquelle les cellules photovoltaïques au silicium
fonctionnent.4. Situer cette longueur d'onde dans les domaines des ondes électromagnétiques et proposer en
justifiant, une raison du rendement limité des cellules photovoltaïques traditionnelles au silicium.