Chapitre 9 : Energie transportée par la lumière 
Comment exploiter l’énergie transportée par la lumière ? 
Activité 1 : Quelle est la quantité d’énergie solaire disponible sur Terre ? 
Document 1 : Irradiance sur Terre 
La puissance reçue à l’extérieur de l’atmosphère sur une surface de 
1 mètre carré est d’environ 1 350 W. 
On dit que l’irradiance est de 1 350 W.m-2. 
Le rayonnement au niveau du sol varie entre 0 et 1 000 W.m-2, en 
fonction de l’alternance jour / nuit, de la latitude, de l’altitude et des 
conditions climatiques. 
Document 2 : Energie solaire moyenne (ou gisement solaire) disponible en France 
Document 3 : Energie solaire moyenne disponible sur Terre (en kWh par m2 et par an) 
Document 4 : Le solarimètre 
Un pyranomètre, appelé aussi solarimètre, permet de mesurer l’irradiance solaire, c’est-à-dire la puissance 
lumineuse du Soleil reçue sur une surface de 1 m2. 
L’irradiance s’exprime en W.m-2. 
1 èreSTI2D Chapi tre 9 : Energie transportée par la lumière  
Page 1 | 8 
Questions : 
1) [Analyser] Citer deux phénomènes qui expliquent pourquoi tout le rayonnement extra-atmosphérique 
n’est pas disponible au sol ; (Doc. 1) 
Phénomène d’absorption et de réflexion (les rayons ne parviennent pas jusqu’au sol). 
2) [S’approprier] Quelle est l’énergie solaire moyenne, par mètre carré et par an, disponible pour un 
habitant en Alsace ?  
Moins de 1 220 kWh.m-2. 
3) [Raisonner] Indiquer les régions du globe où l’exploitation de l’énergie solaire semble la plus pertinente. 
Les pays chauds (climat équatorial et tropical) : Sud de l’Amérique du Nord, Amérique centrale, Amérique 
du Sud (Pérou), Afrique saharienne et Afrique du sud, Inde et Asie centrale, Océanie (Australie). 
I. 
Grandeurs photométriques : 
1) Puissance transportée par la lumière : flux énergétique ΦE : 
Bilan : 
Tout faisceau lumineux transporte de l’énergie électromagnétique. 
La puissance rayonnée par une source lumineuse s’appelle le flux énergétique ΦE et s’exprime en Watt 
(W) : 
�
�E = E
 Δt
 2) Irradiance : 
Bilan : 
L’irradiance, notée I, aussi appelée éclairement énergétique, quantifie la puissance d’un rayonnement 
d’une source lumineuse frappant une surface d’un mètre carré perpendiculairement à sa direction. 
1 èreSTI2D Chapi tre 9 : Energie transportée par la lumière  
Page 2 | 8 
3) Puissance lumineuse : 
Bilan : 
La puissance lumineuse reçue P par une surface S est donnée par la relation suivante : 
P = I * S 
Avec : P la puissance en W ; 
I l’irradiance reçue par la surface en W.m-2 ; 
S la surface en m2. 
Exercice 1 : Réchauffement solaire de lait 
Capacité thermique massique de l’eau : ceau = 4180 J.kg-1.K-1. Le lait est 
ici assimilé à de l’eau. 
1) Déterminer la masse de 300 mL de lait sachant que la masse 
volumique du lait est ρ = 1 032 kg.m-3 ; 
V = 300 mL = 0,3 L = 0,0003 m3 = 3.10-4 m3. 
meau = ρeau * Veau = 1 032 * 3.10-4 = 3,096.10-1 kg. 
2) Déterminer l’énergie nécessaire pour réchauffer 300 mL de lait de 6 °C (température du frigo) à 
25 °C (température ambiante). On considèrera que la capacité thermique massique du lait est 
égale à celle de l’eau ; 
Θi = 6 °C et Θf = 25 °C donc ΔΘ= Θf - Θi = 25 - 6 = 19 °C. 
Q = m * clait * ΔT = 3,096.10-1 * 4180 * 19 = 24,6.103 J. 
3) En supposant que le lait soit dans un biberon dont la surface exposée au Soleil (dont le 
rayonnement vaut 1 000 W.m-2) est de 100 cm2, déterminer la durée nécessaire pour le réchauffer 
à 25 °C et commenter ce résultat. 
I = 1.103 W.m-2 
S = 100 cm2 = 1.10-2 m2 
P = I * S = 1.103 * 1.10-2 = 10 W. 
Q = E = P * Δt donc Δt = Q / P = 24,6.103 / 10 = 2,46.103 s soit 41 min. 
C’est trop long pour un bébé qui a faim. 
Exercice 2 : Réchauffement solaire d’une piscine 
On étudie le réchauffement d’une piscine rectangulaire de 8 m de long sur 4 m de large et de 1,2 m de 
profondeur. 
Données : 
Masse volumique de l’eau : ρ = 1000 kg.m-3. 
Capacité thermique massique de l’eau : ceau = 4180 J.kg-1.K-1. 
1) Calculer l’énergie nécessaire pour élever la température de l’eau de 1 °C ; 
ΔT = 1 °C = 1 K. 
On sait que V = L * l * h = 8 * 4 * 1,2 = 38,4 m3. 
mlait = ρlait * Vlait = 1000 * 38,4 = 3,84.104 kg. 
Q = m * ceau * ΔT = 3,84.104 * 4180 * 1 = 1,61.108 J. 
2) Pendant le jour, l’eau se réchauffe grâce au rayonnement solaire. En supposant que le 
rayonnement solaire est de 500 W.m-2, déterminer l’énergie que reçoit la piscine durant 12 h ; 
I = 500 W.m-2; 
Δt = 12 h = 12 * 3600 = 4,32.104 s 
S = L * l = 8 * 4 = 32 m2; 
P = I * S = 500 * 32 = 1,6.104 W; 
E = P * Δt = 1,6.104 * 4,32.104 = 6,9.108 J. 
3) En réalité, seule 50% de cette énergie est absorbée par l’eau. 
a. Que deviennent les 50 % non absorbés ? 
Eréelle = E / 2 = 6,9.108 / 2 = 3,45.108 J. 
Les 50 % non absorbés sont réfléchis et servent à chauffer l’atmosphère. 
b. Déterminer l’augmentation de température de l’eau de la piscine qui en résulte. 
Eréelle = Q’ = m * ceau * ΔT donc ΔT = Eréelle / (m * ceau) = 3,45.108 / (3,84.104 * 4180) = 2,1 K soit 2,1 °C. 
1 èreSTI2D Chapi tre 9 : Energie transportée par la lumière  
Page 3 | 8 
4) Pourquoi couvre-t-on la piscine d’une bâche à bulles la nuit ? 
On couvre la piscine pour maintenir l’énergie absorbée afin que la température ne baisse pas. 
Exercice 3 : Association de modules solaires 
Voici les courbes de puissances délivrées par trois 
modules solaires en série en fonction de la tension U 
éclairées à 100% dans le 1er cas et à 67% dans le 2nd 
cas (un module est masqué). 
1) Faire le schéma de l’installation qui a permis 
d’obtenir ces graphiques ; 
2) Quelle est la puissance maximale délivrée 
dans chacune des situations ? 
Situation 1 : Pmax = 4,5 mW. 
Situation 2 : Pmax = 180 μW. 
II. Le laser : 
1) Lumière émise par un laser : 
Activité 2 : Principe du laser 
Du simple pointeur de poche jusqu’aux monstres utilisés dans l’industrie des métaux, en passant par les 
lasers de chirurgie, l’acronyme laser désigne des sources de lumière artificielles très différentes par leur 
puissance et donc leur emploi, mais qui reposent sur le même principe physique commun (l’émission 
stimulée) prédite par Einstein en 1917. 
> Pointeur laser de la taille d’un stylo : 
> Laser avec une puissance de sortie de plusieurs kilowatts : 
1 èreSTI2D Chapi tre 9 : Energie transportée par la lumière  
Page 4 | 8 
Principe : 
Le mot LASER est formé à partir des initiales de « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiations 
». 
La lumière émise par une lampe à incandescence ou un tube fluorescent provient des variations d’énergie 
au sein des atomes du filament ou du gaz contenus dans le tube. Ces variations d’énergie sont aléatoires 
et créent des photons émis de manière incohérente. 
L’émission stimulée, principe physique sur lequel se base le fonctionnement du laser, consiste à provoquer 
ces variations d’énergie de manière synchronisée. Dans ce cas les photons émis sortent du laser en 
possédant tous la même énergie. Les photons émis ayant tous la même énergie, le rayonnement à la 
propriété d’être monochromatique (d’une seule couleur). 
La simultanéité et le synchronisme des émissions permettent d’obtenir des rayons de puissances 
instantanées énormes (dépassant le Gigawatt) et la structure du laser rend le faisceau très directif. 
A titre de comparaison les photons émis par une lampe à incandescence pourraient être assimilés à un 
groupe de personnes s’éparpillant dans le plus complet désordre tandis qu’un faisceau laser 
correspondrait à une troupe marchant au pas cadencé donc avec une fréquence commune parfaitement 
déterminée et les individus admirablement alignés ! 
Questions : 
1) 
[Analyser] Quelles sont les 3 principales qualités d’un laser ? 
Monochromatique, faisceau très directif, puissances instantanées énormes (GW) 
2) 
[S’approprier] Donner la signification française de l’acronyme laser ; 
Amplification de lumière par émission stimulée de radiations / Amplificateur d’ondes lumineuses par 
émission stimulée. 
3) 
[Analyser] Sur quel principe physique est basé le laser ? 
Emission stimulée : tous les photons ont tous la même énergie. 
4) 
[S’approprier] Citer 3 applications de la vie courante qui intègrent un laser. 
Découpe, soudure, gravure, perçage, épilation, effaceur de tatouage, décryptage de CD et DVD, 
imprimante laser, industrie : usinage, télécommunication : fibre optique, correction myopie, tumeur, lecteur 
code barre....  
5) 
[Raisonner] À puissance égale, une lumière provenant d’un laser est beaucoup plus dangereuse 
que la lumière d’une lampe, pourquoi ? 
Tous les photons ont la même énergie (simultanéité et synchronisme des émissions de photons) et la 
puissance totale est énorme (GW). 
6) 
[Raisonner] La puissance d’un laser augmente inversement à la longueur d’onde. Les lasers rouges 
(λ = 660 nm) sont-ils plus ou moins puissants que les lasers verts (λ = 520 nm) ? 
La longueur d’onde du vert est plus petite que la longueur d’onde du rouge donc la puissance du laser vert 
est supérieure à celle du laser rouge. 
Bilan : 
Le laser ou Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplification de lumière par 
émission stimulée de radiations) émet une lumière monochromatique (une seule longueur d’onde) et 
d’une très grande directivité. 
Le faisceau laser possède une très grande densité d’énergie. 
2) Effets des lasers sur la santé et mesures de protection : 
Les lasers ont une très grande densité d’énergie ce qui peut être dangereux pour les yeux et la peau. 
Il faut toujours respecter les recommandations prescrites par l’INRS (Institut National de Recherche et de 
Sécurité). 
1 èreSTI2D Chapi tre 9 : Energie transportée par la lumière  
Page 5 | 8 
Règles spécifiques à une utilisation en sécurité de rayonnements lasers INRS (extraits) : - - - - - - 
Etiquetage associé à la classe du laser utilisé, visible, lisible et rédigé en français : c’est le 1er 
niveau de consignes que les opérateurs doivent respecter ; 
Maitrise de la commande : seule une personne autorisée doit pouvoir commander l’émission du 
rayonnement ; 
Protection individuelle des yeux : si l’opérateur doit accéder au local dans lequel a lieu l’émission 
laser, il doit porter des lunettes de protection ou de réglage laser adaptées ; 
Protection individuelle des mains ou des corps ; 
Evitement des réflexions du faisceau primaire vers l’opérateur. La présence d’objets réfléchissants 
dans le local ou le port de bijoux sont à éviter. Le plan dans lequel le faisceau circule doit être plus 
bas que la hauteur des yeux en position assise ; 
Confinement du rayonnement : chaque fois que l’application le permet, le rayonnement laser ne 
doit pas avoir lieu vers l’extérieur. 
Exercice 4 : Irradiance d’un laser 
Surface d’un cercle de diamètre D : S = Π × (D
 2
 )2 
1) Estimer l’irradiance des faisceaux laser suivants : 
P = I * S donc I = P / S 
a. Laser de poche de puissance 1 mW, dont le diamètre du faisceau circulaire vaut 1 mm ; 
P = 1 m W = 1.10-3 W ; 
D = 1 mm = 1.10-3 m ; 
�
� =Π×(D
 2
 )2 = π * (0,5.10-3)2 =7,9.10-7 m2. 
I = P / S = (1.10-3) / (7,9.10-7) = 1,3.103 W.m-2. 
b. Bistouri laser de puissance 15 W, dont le diamètre du faisceau circulaire vaut 0,4 mm. 
P = 15 W ; 
D = 0,4 mm = 0,4.10-3 m ; 
�
� =Π×(D
 2
 )2 = π * (0,2.10-3)2 = 1,3.10-7 m2. 
I = P / S = (15) / (1,3.10-7) = 1,2.108 W.m-2. 
2) Estimer la puissance d’un laser de découpe de tôle d’acier dont l’irradiance vaut 50 GW.m-2 pour 
un faisceau circulaire de 0,3 mm de diamètre. 
I = 50 GW.m-2 = 50.109 W.m-2; 
D = 0,3 mm = 0,3.10-3 m ; 
�
� =Π×(D
 2
 )2 = π * (0,15.10-3)2 = 7.10-8 m2. 
I = P / S donc P = I * S = 50*109 * 7.10-8 = 3,5.103 W. 
Exercice 5 : Panneau solaire 
Par ciel bleu et clair, le rayonnement solaire disponible peut atteindre 1 000 W.m-2. 
Données : 
Masse volumique de l’eau : ρ = 1,00 kg.L-1. 
Capacité thermique massique de l’eau : ceau = 4180 J.kg-1.K-1. 
1) Déterminer la puissance que reçoit un chauffe-eau solaire rectangulaire de dimension 1,50 m x 1,60 
m ; 
l = 1,50 m et L = 1,60 m donc S = l * L = 1,50 * 1,60 = 2,40 m2 ; 
P = I * S = 1 000 * 2,40 = 2400 W. 
2) Quelle énergie est disponible au bout d’une heure de fonctionnement ? Exprimer cette énergie en 
joule ; 
Δt = 1 h = 3600 s 
E = P * Δt = 2400 * 3600 = 8,64.106 J. 
3) Le débit normalisé de fluide caloporteur dans le capteur est de 72 L.h-1.m-2. 
a. Quel volume de fluide circule dans le panneau durant 1 h ; 
Débit D = 72 L.h-1.m-2 
En 1 h, il s’écoule donc 72 L par m2. 
D = V / S donc V = D * S = 72 * 2,40 = 172,8 L. 
1 èreSTI2D Chapi tre 9 : Energie transportée par la lumière  
Page 6 | 8 
b. En déduire la masse correspondante. 
ρ = m / V donc m = ρ * V = 1,00 * 172,8 = 172,8 kg. 
4) En considérant que le fluide caloporteur est de l’eau, déterminer l’élévation ΔT = Tf – Ti de 
température que provoque l’exposition au Soleil du fluide pendant 1 h ; 
E = m * ceau * ΔT donc ΔT = E / (m * ceau) = 8,64.106 / (172,8 * 4180) = 12 °C soit 12 K. 
5) Faut-il augmenter ou diminuer le débit pour augmenter ΔT ? 
Pour augmenter ΔT, il faut diminuer m donc diminuer le volume donc diminuer le débit. 
6) Faut-il augmenter ou diminuer la capacité thermique massique du fluide caloporteur pour augmenter 
ΔT ? 
Pour que ΔT augmente, il faut diminuer cfluide. 
Exercice 6 : Dermatologie et biotechnologie 
L’énergie lumineuse d’un laser est utilisée en dermatologie. 
Au contact des cellules de la peau, l’énergie lumineuse est convertie en chaleur. Ainsi, un tir laser sur la 
peau peut avoir 3 effets : - - - 
Si la durée du tir est inférieure au TRT (le Temps de Relaxation 
Thermique mesure la durée mise par un tissu pour évacuer la chaleur 
par conduction), alors il y a rupture des vaisseaux : c’est la 
photothermolyse ; 
Si la durée du tir est de l’ordre de la TRT, alors il y a coagulation du 
sang dans les vaisseaux : c’est la photocoagulation ; 
Si la durée de tir est supérieure à la TRT, alors il y a juste échauffement 
des tissus sans effet dermatologique. 
On traite l’érythocouperose (dilatation permanente et visible de minuscules 
vaisseaux sanguins de la peau du visage) à l’aide d’un faisceau laser dont les 
caractéristiques sont les suivantes : - - - - 
Laser à colorant pulsé ; 
Durée d’impulsion : 0,45 ms ; 
Energie par cm2 : 6 J ; 
Diamètre du faisceau : 7 mm. 
Questions : 
1) Un vaisseau sanguin possède un TRT de 8,2 ms. Réalise-t-on une 
photothermolyse ou une photocoagulation ? 
TRT de 8,2 ms et durée d’impulsion : 0,45 ms. 
Impulsion inférieure au TRT donc photothermolyse. 
2) Quelle est l’énergie du tir laser ? 
�
� =Π×(D
 2
 )2 = π* (3,5.10-3)2 = 3,8.10-5m2 = 0,38 cm2. 
6 J pour 1 cm2  
x pour 0,38 cm2 donc x = 6 * 0,38 = 2,28 J. 
3) Déterminer le volume V où est déposée l’énergie du laser si on suppose que celle-ci pénètre sur 
une profondeur e = 1,5 mm ; 
�
� =Π×(D
 2
 )2 × e = π* (3,5.10-3)2 *(1,5.10-3) = 5,7.10-8 m3. 
4) A quelle masse correspond ce volume si on suppose que la masse volumique des tissus touchés 
est de 1 200 kg.m-3 ? 
ρ = m / V donc m = ρ * V  = 1200 * 5,7.10-8 = 6,8.10-5 kg.  
5) Déterminer l’élévation de température occasionnée par le tir laser. 
E = Q = m * ctissus * ΔT 
ΔT = E / (m * ctissus) = 2,28 / (6,8.10-5 * 3700) = 9 °C. 
1 èreSTI2D Chapi tre 9 : Energie transportée par la lumière  
Page 7 | 8 
1èreSTI2D Chapi tre 9 : Energie transportée par la lumière  Page 8 | 8 
 
Données : 
Capacité thermique massique des tissus touchés : 3 700 J.kg-1.K-1. 
Volume d’un cylindre de diamètre D et de hauteur e : e D V    = )2 2 ( 
 
Savoirs et compétences attendus pour ce chapitre : Où dans le 
cours ? ☺   
 Est-ce que je sais que... ? 
✓ Calculer la puissance reçue par une surface, l’irradiance du 
rayonnement étant donnée ; 
✓ Citer les principales caractéristiques de la lumière émise par un laser. 
Je suis capable de : 
✓ Utiliser un appareil pour déterminer ou mesurer une irradiance (ou 
éclairement énergétique, en W.m-2) : pyranomètre, solarimètre, etc. ;  
✓ Estimer l’irradiance d’un laser, la puissance émise étant connue, pour 
conclure sur ses domaines d’utilisation et les mesures de protection 
associées ; 
✓ Effectuer expérimentalement le bilan énergétique et déterminer le 
rendement d’un panneau photovoltaïque. 
 
I. 
 
II.1) 
 
 
T.P.13. 
 
II. 
 
 
T.P.13. 
 
 
 
Chapitre entier 
 
 
Chapitre entier 
 
 
 
 
Chapitre entier 
 
 
 
Chapitre entier 
 
 
 
 
Chapitre entier 
 
   
   
 
   
   
   
Autres compétences à acquérir au cours de l’année :  
✓ S’approprier (Ap) : Enoncer une problématique ; rechercher et 
organiser l’information en lien avec la problématique étudiée ; 
représenter la situation par un schéma ; 
✓ Analyser / Raisonner (Ra) : Formuler des hypothèses ; proposer une 
stratégie de résolution ; planifier des tâches ; évaluer des ordres de 
grandeur ; choisir un modèle ou des lois pertinentes ; choisir, 
élaborer, justifier un protocole ; faire des prévisions à l’aide d’un 
modèle ; procéder à des analogies ; 
✓ Réaliser (Ré) : Mettre en œuvre les étapes d’une démarche ; utiliser 
un modèle ; effectuer des procédu