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Mesure de l'énergie émise par le Soleil. L’énergie qu’il reçoit. Un corps. situé sur le sol terrestre et exposé aux rayons du Soleil. provient du Soleil. à travers l’espace. s’échauffe. Comment trouver, à partir de l’échauffement d’un corps exposé aux rayons solaires,
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Mesure de l'énergie émise par le Soleil Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
L’énergie qu’il reçoit Un corps situé sur le sol terrestre et exposé aux rayons du Soleil provient du Soleil à travers l’espace s’échauffe Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Comment trouver, à partir de l’échauffement d’un corps exposé aux rayons solaires, l’énergie libérée par le Soleil ? Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Il existe une relation entre les caractéristiques d’un corps et l’élévation de température qu’il subit lorsqu’il reçoit de l’énergie du milieu extérieur. Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Pour que la température d’un corps s’élève il doit recevoir une certaine quantité d’énergie Q donnée par la formule : Q = m . c . (f - i) avec : • i la température initiale du récepteur (en °C) • f la température finale du récepteur (en °C) • m la masse du récepteur (en kg) • c la chaleur massique du récepteur (en J.kg -1 .°C -1) • (constante physique, caractéristique de la matière dont est faite le corps) Q est exprimée en joules Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
L’énergie reçue par un corps exposé au Soleil dépend de la durée de l’exposition. Il est alors commode de considérer l’énergie reçue par unité de temps c’est-à-dire la puissance. Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Puissance absorbée par le récepteur : exprimée en watts avec : t = durée de l’exposition (en secondes) Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Entre le corps et le Soleil le rayonnement solaire a traversé l’espace interplanétaire puis l’atmosphère terrestre. L’espace interplanétaire, pratiquement vide, ne modifie pas le rayonnement issu du Soleil. Par contre, les molécules de l’atmosphère terrestre absorbent et diffusent la lumière du Soleil. L’énergie qui arrive sur le sol terrestre est donc inférieure à celle transportée hors atmosphère. Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
L’absorption du rayonnement solaire dépend de l’épaisseur d’atmosphère traversée qui varie au cours de la journée. Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
OZ = h , épaisseur de l’atmosphère, supposée constante au cours des mesures OM = x , longueur parcourue par les rayons solaires dans l’atmosphère , distance zénithale : angle que fait la ligne de visée avec le zénith L’épaisseur d’atmosphère traversée par les rayons solaires à un instant donné vaut : x = h . sec avec sec (sécante ) : fonction inverse du cosinus Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
L’absorption du rayonnement solaire obéit à une loi générale qui s’applique à tous les milieux. Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
x : épaisseur d ’une couche élémentaire du milieu absorbant Io : intensité du faisceau d’entrée I : intensité du faisceau au niveau de l’élément x IS : intensité du faisceau à la sortie Au cours de la traversée de l’épaisseur élémentaire x, une partie du faisceau est absorbée et son intensité diminue de : I = - k . I . x (k : caractéristique du milieu absorbant) Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
( ) ln = - k . x (relation 1) à l’entrée dans le milieu absorbant : x = 0 et I = Io ln Io = cte (relation 1) ln I = - k . x + ln Io ln I est une fonction affine de x I = I0. e- k x Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Comment varie la puissance du rayonnement solaire reçu au sol en fonction de l’inclinaison des rayons du Soleil et des conditions atmosphériques. Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
p : puissance reçue par le récepteur au sol pH.A.: puissance hors atmosphère x = h . sec La loi générale de l’absorption I = I0 . e- k x p = pH.A.. e-k.h.sec p dépend de la distance zénithale de la direction visée Mais p dépend aussi de h, épaisseur de la couche d’air et de k, caractéristique de la transparence de l’air Ces deux facteurs varient au cours du temps en fonction des conditions atmosphériques. Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Loi de Bouguer Au cours d’une observation de quelques heures on considère que les conditions atmosphériques restent stables donc que k.h reste constant. En posant : K = k.h la relation p = pH.A. e-k.h.sec devient p = pH.A. e-K.sec En notation logarithmique népérienne : ln p = ln pH.A – K.sec En notation logarithmique décimale : log p = log pH.A. - K' . sec avec K' = K . log e = 2,3 K Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Comment utiliser la loi de Bouger pour évaluer la puissance que recevrait le récepteur s’il était situé en dehors de l’atmosphère. Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Au cours de la journée, la hauteur du Soleil au dessus de l’horizon varie et sa distance zénithale également La relation log p = log pH.A. - K' . sec avec K' = constante log p est une fonction affine de sec Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
log p sec on faitdes mesures à différents moments de la journée et on construit le graphique log p = f (sec ) pH.A. par extrapolation, l’ordonnée à l’origine correspond à sec = 0, c ’est à dire x = 0 « comme si » le récepteur était « hors atmosphère » pH.A. est la puissance que recevrait le récepteur s’il était situé en dehors de l’atmosphère Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Dispositif expérimental permettant de capter et mesurer l’énergie du rayonnement solaire sur le sol terrestre Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Description du dispositif expérimental 1. Le récepteur pièce de métal avec surface noire mate (pour absorber toutes les radiations) 2. Une enceinte isolante 3. Un support orientable 4. Un thermomètre 5. Un chronomètre Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Description du dispositif expérimental 1. Le récepteur pièce de métal avec surface noire mate (pour absorber toutes les radiations) 2. Une enceinte isolante boite garnie de polystyrène avec une plaque de fermeture en verre et un obturateur (pour minimiser tout échange de chaleur avec l’extérieur) 3. Un support orientable 4. Un thermomètre 5. Un chronomètre Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Description du dispositif expérimental 1. Le récepteur pièce de métal avec surface noire mate (pour absorber toutes les radiations) 2. Une enceinte isolante boite garnie de polystyrène avec une plaque de fermeture en verre et un obturateur (pour minimiser tout échange de chaleur avec l’extérieur) 3. Un support orientable avec cercle gradué et fil à plomb (pour orienter la surface perpendiculairement aux rayons solaires) 4. Un thermomètre 5. Un chronomètre Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Description du dispositif expérimental 1. Le récepteur pièce de métal avec surface noire mate (pour absorber toutes les radiations) 2. Une enceinte isolante boite garnie de polystyrène avec une plaque de fermeture en verre et un obturateur (pour minimiser tout échange de chaleur avec l’extérieur) 3. Un support orientable avec cercle gradué et fil à plomb (pour orienter la surface perpendiculairement aux rayons solaires) 4. Un thermomètre (pour repérer l’élévation de température du récepteur après exposition). 5. Un chronomètre Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Description du dispositif expérimental 1. Le récepteur pièce de métal avec surface noire mate (pour absorber toutes les radiations) 2. Une enceinte isolante boite garnie de polystyrène avec une plaque de fermeture en verre et un obturateur (pour minimiser tout échange de chaleur avec l’extérieur) 3. Un support orientable avec cercle gradué et fil à plomb (pour orienter la surface perpendiculairement aux rayons solaires) 4. Un thermomètre (pour repérer l’élévation de température du récepteur après exposition). 5. Un chronomètre (pour mesurer la durée de l’exposition) Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Description du dispositif expérimental 1. Le récepteur pièce de métal avec surface noire mate (pour absorber toutes les radiations) 2. Une enceinte isolante boite garnie de polystyrène avec une plaque de fermeture en verre et un obturateur (pour minimiser tout échange de chaleur avec l’extérieur) 3. Un support orientable avec cercle gradué et fil à plomb (pour orienter la surface perpendiculairement aux rayons solaires) 4. Un thermomètre (pour repérer l’élévation de température du récepteur après exposition). 5. Un chronomètre (pour mesurer la durée de l’exposition) Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Comment procéder aux mesures et aux calculs à différents moments de la journée Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Caractéristiques du récepteur parallélépipède en cuivre masse m = 1,108 kg chaleur massique du cuivre c = 385 J.kg-1 .K-1 surface s exposée aux rayons solaires = 51 cm2 = 5,1.10-3 m2 Orientation du récepteur La face supérieure doit être perpendiculaire aux rayons solaires. Parfaire l’orientation en utilisant le guide de lumière placé sur la face latérale du récepteur. Pendant toute l’opération, le couvercle obturateur doit être rabattu . Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Mesures Couvercle fermé mesurer la distance zénithale : noter la température initiale du récepteur : 1 Ouverture du couvercle déclencher le chronomètre et noter l’instant : t1 Fermeture du couvercle arrêter le chronomètre et noter l’instant : t2 noter la température finale du récepteur : 2 Durée d’exposition recommandée : 10 minutes Entre chaque expérience, placer le récepteur à l’ombre pour qu’il revienne à la température ambiante Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Fiche de relevé Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
pH.A. est proportionnel à (f - i)H.A. Calculs puissance que recevrait le récepteur s’il était situé en dehors de l’atmosphère Si la durée d ’exposition est la même pour toutes les mesures m, c et t sont constants Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
log (f - i) log (f - i)H.A sec Au lieu de construire le graphique : log p = f (sec ) on peut simplement construire le graphique : log(f - i) = f (sec ) L’ordonnée à l’origine de la droite de Bouguer donne log (f - i)H.A. (f - i)H.A. et puissance reçue hors atmosphère sur la surface s du récepteur Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Puissance rayonnée par le Soleil dans tout l’espace Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
La puissance totale rayonnée par le Soleil dans l’espace se répartie de manière sphérique à partir du centre ; en particulier à travers la sphère de rayon R égal à la distance Terre-Soleil Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
puissance reçue hors atmosphère sur la surface s du récepteur puissance reçue sur une surface de 1 m2 située hors atmosphère (Constante solaire) Puissance totale rayonnée par le Soleildans l’espace la surface de la sphère traversée par la totalité des rayons solaires au niveau de la Terre a pour valeur : S = 4 R2 PSoleil = ESoleil . 4 R2 avec R = distance Terre-Soleil = 150.109 m Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon
Température de la surface du Soleil Club d'Astronomie Lycée Saint Exupéry Lyon