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Un objet est placé à proximité d’une source qui émet un rayonnement infrarouge d’intensité constante. Au départ, la température de l’objet commence à augmenter. Quelle en est la raison ? (A) Dans un intervalle de temps donné, l’objet absorbe autant d’énergie du rayonnement infrarouge qu’il en perd par refroidissement. (B) Dans un intervalle de temps donné, l’objet absorbe plus d’énergie du rayonnement infrarouge qu’il n’en perd par refroidissement. (C) Dans un intervalle de temps donné, l’objet absorbe moins d’énergie du rayonnement infrarouge qu’il n’en perd par refroidissement.
Dans cet exemple, nous avons une source de rayonnement infrarouge. Et près de cette source, nous avons un objet. On nous dit que la source émet un rayonnement infrarouge d’intensité constante. Parallèlement à cela, juste après avoir placé l’objet à proximité de la source, nous notons que la température de l’objet commence à augmenter. Nous voulons choisir laquelle de ces trois explications en est la raison.
Chaque explication décrit deux processus concurrents. Dans un processus, l’énergie est transférée à l’objet par absorption du rayonnement infrarouge. En concurrence avec cela, il y a le fait que cet objet se refroidit naturellement, émettant un rayonnement infrarouge dans son environnement. L’énergie est donc transférée à l’objet par son absorption du rayonnement infrarouge. Et l’énergie est transférée en dehors de l’objet par refroidissement.
La clé pour choisir la bonne explication est de reconnaître que la température de l’objet ici augmente. Cela signifie que, dans l’ensemble, plus d’énergie est transférée à l’objet qu’il n’en perd. L’option de réponse (B) donne la bonne explication. La température de l’objet commence à augmenter car, dans un intervalle de temps donné, l’objet absorbe plus d’énergie du rayonnement infrarouge qu’il n’en perd par refroidissement.
Voyons maintenant la deuxième partie de cette question.
Laquelle des affirmations suivantes est vraie ? (A) Lorsque la température de l’objet augmente, l’objet émet plus d’énergie par unité de temps. La quantité d’énergie absorbée par l’objet par unité de temps reste la même. (B) Lorsque la température de l’objet augmente, l’objet absorbe plus d’énergie par unité de temps. La quantité d’énergie émise par l’objet par unité de temps reste la même. (C) Lorsque la température de l’objet augmente, la quantité d’énergie absorbée par l’objet par unité de temps diminue. La quantité d’énergie émise par l’objet par unité de temps augmente.
Finalement, il y a une autre option de réponse à examiner. C’est l’option (D). Avant de le faire, évaluons ces trois affirmations pour voir si l’une d’entre elles est vraie. Dans toutes ces déclarations, nous parlons de l’augmentation de la température de notre objet. Nous avons donc notre source de rayonnement infrarouge. Et peu de temps après avoir placé notre objet à proximité, la température de l’objet augmente.
L’option de réponse (A) indique que lorsque cela se produit, l’objet émet plus d’énergie par unité de temps, tandis que la quantité d’énergie que l’objet absorbe par unité de temps reste la même. L’idée est donc que lorsque la température de cet objet augmente, plus d’énergie lui est perdue par refroidissement par unité de temps. Cela est généralement vrai pour les objets chauds. Plus un objet est chaud, c’est-à-dire que sa température est élevée, plus l’énergie est perdue par unité de temps par refroidissement.
Dans le même temps, l’affirmation (A) dit que la quantité d’énergie que l’objet absorbe par unité de temps reste la même. Cela est cohérent avec le fait que le rayonnement infrarouge provient de notre source d’intensité constante. Quelle que soit la température de l’objet, l’objet absorbe la même quantité de rayonnement infrarouge par unité de temps. L’option (A) semble alors être une possibilité prometteuse pour notre réponse finale.
Regardons ensuite l’option (B). Elle indique que lorsque la température de l’objet augmente, l’objet absorbe plus d’énergie par unité de temps. Le problème pourtant c’est que cette affirmation n’est pas compatible avec le fait que l’intensité du rayonnement infrarouge atterrissant sur l’objet est constante. De plus, l’option (B) dit que la quantité d’énergie émise par l’objet même lorsque sa température augmente reste la même par unité de temps. Ce n’est pas vrai non plus. Un objet plus chaud aura tendance à émettre plus d’énergie qu’un objet plus froid. Pour plusieurs raisons, nous ne choisirons pas l’option de réponse (B).
En regardant ensuite l’option (C), on conclut que lorsque la température de l’objet augmente, la quantité d’énergie absorbée par l’objet par unité de temps diminue. Si cela était vrai, nous nous attendrions à ce que l’objet devienne moins capable d’absorber le rayonnement infrarouge à mesure que sa température augmente ou que l’intensité du rayonnement de notre source diminue avec le temps. Aucune de ces possibilités n’est cependant vraie. Nous nous attendons plutôt à ce que la quantité d’énergie absorbée par l’objet par unité de temps soit constante.
Alors, cette partie de l’explication de l’option (C) n’est pas correcte. Mais notez que la partie qui suit qui dit que la quantité d’énergie émise par l’objet par unité de temps augmente est correcte. C’est la même chose que la partie de notre réponse dans l’option (A) qui dit que l’objet émet plus d’énergie par unité de temps. L’option (C) est alors partiellement correcte mais pas complètement.
Sachant que nous ne choisirons pas les options (B) ou (C), supprimons-les pour faire de la place à l’option (D), que nous n’avons pas vue jusqu’à présent. Cette dernière option de réponse dit ceci. À mesure que la température de l’objet augmente, la quantité d’énergie absorbée par l’objet par unité de temps augmente. La quantité d’énergie émise par unité de temps par l’objet augmente. Tout comme pour le choix de réponse (C), une partie du choix de réponse (D) est exacte. Il est vrai que lorsque la température de l’objet augmente, la quantité d’énergie qu’il émet par unité de temps augmente.
Mais regardez cette autre partie de l’affirmation. On nous dit aussi dans l’option (D) que la quantité d’énergie absorbée par l’objet par unité de temps augmente. Cela signifierait que lorsque la température de l’objet augmente, sa capacité à absorber le rayonnement infrarouge augmente également ou que le taux de rayonnement infrarouge de la source augmente. Aucun de ces faits n’est cependant vraie. La quantité d’énergie absorbée par l’objet par unité de temps n’augmente pas. Cela confirme que l’option (A) est la seule de nos affirmations complètement correcte. Lorsque la température de l’objet augmente, l’objet émet plus d’énergie par unité de temps. La quantité d’énergie absorbée par l’objet par unité de temps reste la même.
Voyons maintenant la dernière partie de notre question.
Après un certain temps, la température de l’objet cesse d’augmenter et devient constante. Quelle en est la raison ? (A) L’objet a cessé d’émettre de l’énergie. (B) L’objet a cessé d’absorber l’énergie de la source infrarouge. (C) L’objet émet plus d’énergie par unité de temps qu’il n’absorbe de la source infrarouge. (D) La quantité d’énergie que l’objet absorbe de la source infrarouge par unité de temps est maintenant égale à la quantité d’énergie que l’objet perd par unité de temps par refroidissement.
Pensons à nouveau à notre source émettant un rayonnement infrarouge et à notre objet. La source émet un rayonnement d’intensité constante, et notre objet l’absorbe à un rythme constant. En même temps, l’énergie est transférée hors de notre objet par refroidissement. Même lorsque la température de notre objet devient constante, ces deux processus d’absorption et d’émission de radiations se poursuivent. Cela signifie que les options de réponse (A) et (B) ne peuvent pas être correctes. Tant que l’objet continue à absorber le rayonnement de la source, il émet de l’énergie. Et il n’y a aucune raison qu’il cesse d’absorber le rayonnement infrarouge de la source.
L’option de réponse (C) indique que l’objet émet plus d’énergie par unité de temps qu’il n’absorbe de la source infrarouge. Cependant, si cela se produisait, nous nous attendrions à ce que la température de l’objet baisse. Au lieu de cela, on nous dit que cette température est maintenant constante. Même si l’option (C) est correcte, que l’objet émet toujours de l’énergie et l’absorbe toujours, le taux relatif auquel ces phénomènes se produisent n’est pas décrit par l’option (C).
Enfin, l’option (D) indique que la quantité d’énergie que l’objet absorbe de la source par unité de temps est maintenant égale à la quantité d’énergie que l’objet perd par unité de temps par refroidissement. Cette option décrit un équilibre des taux de transfert d’énergie. La vitesse à laquelle l’énergie est transférée à l’objet par absorption est égale à la vitesse à laquelle l’énergie est perdue. Cela est cohérent avec la température de l’objet qui n’augmente ni ne diminue, mais reste la même.
Pour notre réponse finale, nous choisissons l’option (D). La quantité d’énergie que l’objet absorbe de la source infrarouge par unité de temps est maintenant égale à la quantité d’énergie que l’objet perd par unité de temps par refroidissement.
