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Vidéo de question : Analyser un cube de Leslie Physique

Un cube Leslie est un cube en aluminium creux et étanche qui a des faces verticales, chacune avec une couleur et une réflectivité particulières, comme indiqué dans le tableau. On peut tester la capacité de chaque face du cube à émettre un rayonnement infrarouge en remplissant le cube d’eau bouillante et en alignant un capteur infrarouge sur chaque face du cube, à la même distance du cube, à plusieurs centimètres de celui-ci. Les thermomètres sont placés en contact avec chaque face. Laquelle des options suivantes décrit correctement les relevés de température des thermomètres? [A] Tous les thermomètres lisent différentes températures. [B] Tous les thermomètres lisent la même température. [C] Les thermomètres des faces A et B lisent la même température. [D] Les thermomètres des faces A et C lisent la même température. Quelle face du cube produit la lecture la plus élevée sur un capteur infrarouge? [A] A [B] B [C] C [D] D Quelle face du cube produit la lecture la plus faible sur un capteur infrarouge? [A] A [B] B [C] C [D] D

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Transcription de vidéo

Un cube Leslie est un cube en aluminium creux et étanche qui a des faces verticales, chacune avec une couleur et une réflectivité particulières, comme indiqué dans le tableau. On peut tester la capacité de chaque face du cube à émettre un rayonnement infrarouge en remplissant le cube d’eau bouillante et en alignant un capteur infrarouge sur chaque face du cube, chacune à la même distance du cube, à plusieurs centimètres de celui-ci. Les thermomètres sont placés en contact avec chaque face. Laquelle des options suivantes décrit correctement les relevés de température des thermomètres ? (A) Tous les thermomètres indiquent différentes températures. (B) Tous les thermomètres indiquent la même température. (C) Les thermomètres sur les faces A et B indiquent la même température. (D) Les thermomètres sur les faces A et C indiquent la même température.

Commençons par libérer de l’espace en haut de notre écran, et nous dessinerons cet objet appelé un cube de Leslie. L’idée avec un cube de Leslie est que ses quatre faces verticales - cette face ici, cette face ici, celle-ci que nous ne pouvons pas voir, et celle-ci que nous ne pouvons pas voir - ont des couleurs différentes ainsi que différentes réflectivités qui affectent les propriétés thermiques du cube. Dans notre tableau, on nous dit que ces quatre faces du cube sont appelées A, B, C et D. Appelons cela face, la face A. La face ici est B. L’autre face que nous ne pouvons pas voir de cette perspective est C. Et nous dirons que cette face devant à droite est D. Notre tableau nous indique que les faces A et B sont colorées en noir, tandis que les faces C et D sont colorées en blanc.

Une autre façon dont les faces sont différentes est dans ce qu’on appelle leur réflectivité. Il s’agit d’une mesure de la façon dont ces faces réfléchissent la lumière incidente. À nos yeux, une surface très réfléchissante peut sembler brillante et lisse. En revanche, une face à faible réflectivité peut sembler terne et même un peu rugueuse. Les quatre faces de notre cube de Leslie ont ces différentes propriétés. Lorsque nous remplissons le cube de Leslie avec de l’eau bouillante, le cube, car il est en métal, chauffe rapidement jusqu’à la température de l’eau. Si nous attachons ensuite des thermomètres à chacune de ces quatre faces verticales, nous voulons choisir l’option de réponse qui nous indique le plus précisément ce que ces thermomètres liront.

Supposons que les seules différences entre nos quatre faces de cube sont leur couleur et leur réflectivité. De toutes les autres façons, ces faces, dirons-nous, sont les mêmes. Les quatre faces sont également en contact avec une eau bouillante, et elles sont toutes composées du même matériau, elles répondent donc thermiquement à cette eau de la même manière. Par conséquent, même si certaines des faces sont de couleur noire et certaines sont de couleur blanche et certaines ont une réflectivité élevée et certaines ont une faible réflectivité, cela n’aura pas d’effet sur la température mesurée de chaque face. Rappelons que nos thermomètres sont en contact physique direct avec chacune des faces A, B, C et D. Ils ne mesurent pas le rayonnement à distance de ces faces, mais plutôt par contact direct, leur température.

Ces quatre faces du cube de Leslie sont en fait toutes à la même température. Leurs différences de couleur et de réflectivité affectent la façon dont elles émettent un rayonnement infrarouge, mais elles n’affectent pas la température réelle de ces faces. Nous choisissons l’option (B).

Regardons maintenant la deuxième partie de cette question.

Quelle face du cube produit la valeur la plus élevée sur un capteur infrarouge ?

La façon dont nous faisons une lecture avec un capteur infrarouge est différente de celle dont nous l’avons faite avec un thermomètre. Un capteur infrarouge est un appareil qui peut ressembler à une caméra que nous plaçons à une petite distance, peut-être de quelques centimètres, de l’une des faces de notre cube. Le capteur capte le rayonnement infrarouge de cette face. Dans cette partie de notre question, nous imaginons faire cela pour nos quatre faces, puis comparer ces quatre mesures.

Commençons par rappeler que nos quatre faces ont exactement la même température, dans ce cas environ 100 degrés Celsius. Toute différence dans le rayonnement infrarouge qu’elles dégagent dépend de leur couleur et de leur réflectivité. À une température donnée, les couleurs plus sombres ont plus tendance à dégager un rayonnement infrarouge que les couleurs plus claires. Il est souvent possible de confirmer cela par une chaude journée lorsque le soleil est haut dans le ciel. Si nous tenons notre main près de la surface d’un trottoir de couleur claire, puis nous nous déplaçons et plaçons notre main près de la surface d’asphalte de couleur sombre, nous pourrons peut-être sentir que l’asphalte semble plus chaud. Même lorsque les températures de ces deux surfaces différentes sont les mêmes, cet effet aura toujours lieu.

Quelle que soit la face de notre cube produisant la valeur la plus élevée, ce sera une avec une couleur plus sombre. Ce ne sera ni la face D ni la face C. En comparant les faces A et B, nous voyons que l’une a une réflectivité élevée et l’autre a une faible réflectivité. C’est la face à faible réflectivité qui aura tendance à émettre plus de rayons infrarouges qu’une face à forte réflectivité. Une surface très réfléchissante est moins susceptible d’absorber un rayonnement incident. Et le rayonnement infrarouge émis est dû à un processus d’absorption en amont. Une surface meilleure, pourrait-on dire, pour absorber, une avec une faible réflectivité aura tendance à émettre plus de rayons infrarouges. Des quatre faces verticales de notre cube, c’est en fait la face B qui produit la valeur la plus élevée sur un capteur infrarouge.

Voyons maintenant la dernière partie de notre question.

Quelle face du cube produit la valeur la plus faible sur un capteur infrarouge ?

Tout comme nous avons constaté qu’une face de couleur sombre et à faible réflectivité produisait une valeur élevée sur un capteur infrarouge, pour trouver la face produisant la valeur la plus faible, nous rechercherons les propriétés opposées. Nous allons chercher une face qui a une couleur claire, ce sont les faces C et D, et de celles-là, la face qui a la plus haute réflectivité. À une température donnée, une face avec ces propriétés émettra le moins de rayonnement infrarouge. Par conséquent, lorsque nous plaçons un capteur infrarouge devant les quatre faces, c’est la valeur devant la face C qui est la plus basse.

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