Oui
Lumière et dualité onde-particule
Sujet Bac Corrigé - Effet photoélectrique et photovoltaïque - Amérique du Nord 2026 Jour 1 - Ex 2 - Corrigé (Physique-chimie)
1 juin 2026
Terminale spécialité
💡 Pourquoi une plaque de zinc éclairée perd-elle des électrons, et combien de panneaux solaires faut-il sur un toit ? L'exercice 2 du bac 2026 de physique-chimie en Amérique du Nord (jour 1), sur 6 points, relie l'effet photoélectrique au photovoltaïque.
- L'effet photoélectrique : description, fréquence seuil et longueur d'onde du zinc dans l'ultraviolet.
- Le bilan d'énergie : démonstration de la vitesse d'éjection des électrons, puis calcul.
- Le panneau photovoltaïque : lecture de la puissance maximale, rendement, nombre de panneaux pour un particulier.
Le sujet officiel et le corrigé détaillé sont gratuits en PDF, avec les pièges à éviter à chaque question.
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Corrigé interactif · 9 questions
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Q1Décrire l'effet photoélectrique.
L'effet photoélectrique est l'émission d'électrons par un métal lorsqu'il est éclairé par un rayonnement de fréquence suffisante.
Chaque photon, d'énergie E=hν, cède toute son énergie à un électron du métal. L'électron n'est arraché que si cette énergie atteint le travail d'extraction : hν≥Wext.
Des électrons sont arrachés au métal éclairé, à condition que ν≥νS (fréquence seuil).
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Q2Calculer la fréquence seuil νS permettant une émission photoélectrique pour le zinc.
Données utiles h=6,63×10−34 J⋅s ; Wext(Zn)=4,3 eV ; 1 eV=1,60×10−19 J
À la fréquence seuil, l'énergie du photon est tout juste égale au travail d'extraction : hνS=Wext, donc νS=hWext.
νS=6,63×10−344,3×1,60×10−19=1,038×1015 Hz
νS=1,0×1015 Hz
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Q3En déduire la longueur d'onde correspondante et préciser le domaine des ondes électromagnétiques auquel elle appartient.
Données utiles c=3,00×108 m⋅s−1 ; νS=1,038×1015 Hz (Q.2)
λS=νSc
λS=1,038×10153,00×108=2,9×10−7 m
Le domaine visible s'étend de 400 nm à 800 nm environ ; ici λS<400 nm.
λS=2,9×10−7 m, soit environ 290 nm : domaine des ultraviolets.
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Q4On éclaire la plaque de zinc avec une radiation de longueur d'onde λ=250 nm. Justifier que l'effet photoélectrique se produit.
Données utiles λS=2,9×10−7 m (Q.3)
Indice Autre justification possible : ν=λc=1,20×1015 Hz, supérieure à νS ; ou encore Ephoton=4,97 eV, supérieure à 4,3 eV.
L'énergie d'un photon est E=λhc : plus la longueur d'onde est petite, plus le photon est énergétique.
Or λ=250 nm<λS≈290 nm, donc λhc>λShc=Wext.
λ<λS, donc Ephoton>Wext : le photon peut arracher un électron, l'effet photoélectrique se produit.
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Q5Montrer, en réalisant un bilan d'énergie, que la vitesse d'éjection des électrons s'écrit
v=me2h(ν−νS).
L'énergie hν du photon absorbé sert à extraire l'électron du métal ; le surplus est emporté par l'électron sous forme d'énergie cinétique :
hν=Wext+EcavecWext=hνSetEc=21mev2
Donc 21mev2=hν−hνS=h(ν−νS), soit v2=me2h(ν−νS).
v=me2h(ν−νS), expression attendue. Tu avais trouvé ?
Q6Calculer la valeur de cette vitesse.
Données utiles λ=250 nm ; c=3,00×108 m⋅s−1 ; νS=1,038×1015 Hz (Q.2) ; me=9,11×10−31 kg
Fréquence de la radiation : ν=λc=250×10−93,00×108=1,20×1015 Hz
v=9,11×10−312×6,63×10−34×(1,20×1015−1,038×1015)
v=4,9×105 m⋅s−1
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Q7Identifier le paramètre de la radiation qui a une influence sur la valeur de la vitesse. Préciser le sens dans lequel il faut le modifier pour augmenter la vitesse.
Dans v=me2h(ν−νS), les grandeurs h, me et νS (propre au zinc) sont fixées. Seule la fréquence ν dépend de la radiation.
La vitesse v est une fonction croissante de ν.
Le paramètre est la fréquence ν : il faut l'augmenter (donc diminuer la longueur d'onde) pour augmenter v.
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Q8Calculer le rendement d'un panneau photovoltaïque dans les conditions optimales de fonctionnement, pour un éclairement moyen de 800 W⋅m−2.
Données utiles Plum=E×S ; panneau de 1 346 mm sur 1 112 mm ; figure 2
Indice Rendement = puissance utile ÷ puissance reçue, les deux dans la même unité. Ici l'utile est électrique, la reçue est lumineuse ; le résultat est sans unité et inférieur à 1.
Dans les conditions optimales, la puissance électrique fournie est maximale. Sur la courbe de puissance à 800 W⋅m−2 de la figure 2, on lit Pmax=140 W (pour U≈22 V).
Surface du panneau : S=1,346×1,112=1,497 m2.
Puissance lumineuse reçue : Plum=E×S=800×1,497=1,20×103 W.
η=PlumPmax=800×1,346×1,112140=0,117
η≈0,12, soit un rendement d'environ 12 %.
Pmax=140 WU≈22 VP (W)U (V) Figure 2 du sujet : courbe de puissance à 800 W⋅m−2 et lecture du maximumTu avais trouvé ?
Q9Déterminer le nombre de panneaux à installer pour couvrir la moitié de la consommation annuelle du particulier. Commenter le résultat.
Données utiles consommation annuelle 7 500 kW·h ; rendement moyen annuel 10 % ; énergie reçue 4,1 kW⋅h⋅m−2 par jour ; S=1,497 m2 (Q.8)
Énergie électrique à produire en un an : Ebesoin=27500=3750 kW⋅h.
Énergie lumineuse reçue par un panneau en un an : Erec¸ue=4,1×365×1,497=2,24×103 kW⋅h.
Énergie électrique produite par un panneau en un an : E1=0,10×Erec¸ue=224 kW⋅h.
Nombre de panneaux : N=E1Ebesoin=2243750=16,7, que l'on arrondit à l'entier supérieur.
Commentaire : 17 panneaux occupent 17×1,497≈25 m2, une surface compatible avec la toiture d'une maison, si elle est bien orientée. La production varie toutefois selon la saison et l'heure : elle ne coïncide pas toujours avec les besoins.
Il faut installer 17 panneaux, soit environ 25 m2 de toiture : le projet est réaliste.
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L'effet photoélectrique et ses applications : un exercice de 6 points
Le deuxième exercice du bac 2026 de physique-chimie en Amérique du Nord (jour 1) porte sur la lumière et l'aspect particulaire du rayonnement. Il compte 6 points et 9 questions. La première partie étudie l'émission d'électrons par une plaque de zinc éclairée, la seconde exploite les caractéristiques d'un panneau photovoltaïque. Les calculs sont accessibles, mais la gestion des unités et des arrondis décide de la note.
Partie 1 : l'effet photoélectrique sur le zinc
La description attendue tient en deux idées : un métal éclairé émet des électrons, et chaque photon d'énergie E = hν cède toute son énergie à un électron, qui n'est arraché que si hν atteint le travail d'extraction. Il est utile de rappeler que, sous la fréquence seuil, aucun électron ne sort, quelle que soit l'intensité lumineuse : seul le modèle du photon explique ce seuil.
La fréquence seuil s'obtient par νS = Wext/h, avec Wext converti en joules : 4,3 eV correspondent à 6,88 × 10-19 J. On trouve νS = 1,0 × 1015 Hz, mais il faut garder en mémoire la valeur non arrondie, 1,038 × 1015 Hz. La longueur d'onde associée vaut environ 290 nm, dans le domaine des ultraviolets.
Pour justifier que l'effet se produit à 250 nm, on compare les longueurs d'onde en se souvenant que l'inégalité s'inverse : l'effet a lieu si ν est supérieure à νS, donc si λ est inférieure à λS. Comparer les fréquences ou les énergies des photons est aussi accepté.
Le bilan d'énergie et la vitesse des électrons
La démonstration repose sur la conservation de l'énergie : hν = Wext + Ec, avec Wext = hνS et Ec = ½ mev2. Le calcul numérique donne v = 4,9 × 105 m·s-1. C'est le passage le plus piégeux de l'exercice : la différence de deux fréquences proches amplifie l'arrondi, et la valeur arrondie de νS conduirait à 5,4 × 105 m·s-1. Il ne faut pas oublier non plus de convertir 250 nm en mètres. Seule la fréquence de la radiation influence la vitesse : il faut l'augmenter, donc diminuer la longueur d'onde. L'intensité lumineuse, elle, fixe le nombre d'électrons émis.
Partie 2 : le panneau photovoltaïque
Le rendement se calcule à partir de la puissance maximale lue sur la courbe à 800 W·m-2, soit 140 W, et de la puissance lumineuse reçue par un panneau de 1,497 m2. On obtient un rendement d'environ 12 %. Attention à lire l'axe des puissances et non celui des intensités, et à convertir les dimensions en mètres.
La dernière question demande le nombre de panneaux couvrant la moitié d'une consommation annuelle de 7 500 kW·h, avec un rendement moyen de 10 %. Le calcul donne 16,7, qu'on arrondit à l'entier supérieur : 17 panneaux, soit environ 25 m2 de toiture. Le commentaire peut évoquer la surface disponible et le décalage entre production et besoins selon la saison et l'heure.
Conseils pour réussir cet exercice
Convertissez systématiquement les énergies en joules, conservez les valeurs intermédiaires non arrondies et arrondissez un nombre d'objets à l'entier supérieur lorsque le besoin doit être couvert.