Transcription de la vidéo
Une boîte métallique est placée à la lumière du soleil d’intensité constante et absorbe le rayonnement infrarouge. Pendant l’exposition de la boîte au soleil, la température du métal augmente. Laquelle des affirmations suivantes est correcte ? (A) L’absorption et l’émission de radiations infrarouges n’ont aucun effet sur la température. (B) Le métal perd plus d’énergie en se refroidissant que l’énergie du rayonnement infrarouge qu’il absorbe. (C) Le métal ne reçoit aucune énergie de la lumière du soleil. (D) Le métal perd exactement autant d’énergie par refroidissement que l’énergie du rayonnement infrarouge qu’il absorbe. Et, enfin, l’option de réponse (E) : le métal absorbe plus d’énergie du rayonnement infrarouge que l’énergie qu’il perd en refroidissant.
Lorsque nous considérons laquelle de ces cinq options de réponse décrit correctement ce qui se passe, nous pouvons nous rappeler que dans cette situation, nous avons une boîte métallique qui est en plein soleil. Et on nous dit que la boîte absorbe une partie du rayonnement infrarouge qu’elle reçoit. Pendant cette exposition, alors que la boîte est à la lumière du soleil, la température de la boîte augmente. Elle monte. Sachant tout cela, nous voulons choisir laquelle de ces options de réponse décrit correctement ce qui se passe.
En commençant par l’option (A), cette option indique que l’absorption et l’émission de radiations infrarouges n’ont aucun effet sur la température. Compte tenu de cette option, on nous a dit dans l’énoncé de notre problème que, lorsque la boîte absorbe le rayonnement infrarouge, sa température augmente. L’absorption du rayonnement infrarouge a un certain effet sur la température d’un objet, et en même temps l’émission de ce rayonnement aussi. Lorsqu’un objet émet un rayonnement infrarouge, il perd de l’énergie. Et par conséquent, nous nous attendons à ce que sa température baisse. Tout cela nous montre que l’option (A) ne sera pas notre choix.
L’option (B) dit que le métal perd plus d’énergie en se refroidissant que l’énergie du rayonnement infrarouge qu’il absorbe. Cette option nous indique que lorsque le métal peut rayonner ou émettre un rayonnement infrarouge, il perd de l’énergie. Et quelle que soit la quantité d’énergie perdue lors de processus de refroidissement, l’option (B) nous dit qu’elle est supérieure à la quantité d’énergie gagnée en absorbant la lumière du soleil. Physiquement, il est possible que quelque chose de ce genre se produise, que l’énergie totale perdue par un objet par le rayonnement soit supérieure à la quantité d’énergie qu’elle reçoit par absorption.
Mais dans notre cas, nous savons que cela ne se produit pas. Et la raison en est que la température de la boîte métallique augmente. Si la boîte perdait plus d’énergie qu’elle n’en gagnait, nous nous attendrions à ce que cette température aille dans le sens opposé, qu’elle diminue. Cependant, comme elle augmente, cela doit signifier que l’énergie perdue ne dépasse pas l’énergie gagnée.
L’option (C) nous dit que le métal ne reçoit aucune énergie de la lumière du soleil. Mais encore une fois, si l’objet n’a pas reçu d’énergie, alors comment sa température augmenterait-elle ? Cela ne pourrait se produire que s’il recevait de l’énergie d’une source inconnue. Mais nous pouvons raisonnablement supposer qu’une telle source n’existe pas parce que nous n’en sommes pas informés. Cela signifie donc que l’augmentation de la température dans la boîte métallique est due à l’énergie reçue de la lumière du soleil. Et en effet, l’énoncé de notre problème le confirme quand il dit que la boîte peut absorber le rayonnement infrarouge. Par ce moyen, il reçoit de l’énergie de la lumière du soleil. Donc, nous ne choisirons pas l’option (C) comme réponse non plus.
L’option (D) dit que le métal perd exactement autant d’énergie en se refroidissant que l’énergie du rayonnement infrarouge qu’il absorbe. Ainsi, cette option indique alors que le métal peut en effet recevoir de l’énergie de la lumière du soleil et qu’il dégage autant d’énergie en se refroidissant. Si tel était le cas, nous nous attendrions à ce que la température de notre objet ne change pas du tout car la variation nette d’énergie de l’objet est nulle. C’est-à-dire qu’autant d’énergie est reçue de la lumière du soleil que d’énergie est sortie en raison du refroidissement radiatif. C’est ce que propose l’option (D). Pourtant, si cela était vrai, nous nous attendrions à ce que la température de notre objet soit constante. Le fait qu’il se réchauffe signifie qu’il doit recevoir plus d’énergie qu’il n’en dégage. L’option (D) n’est pas non plus notre description correcte.
Cela nous laisse avec notre dernière option (E), qui dit que le métal absorbe plus d’énergie du rayonnement infrarouge que l’énergie qu’il perd en refroidissant. Ce choix nous indique qu’en effet, la boîte reçoit de l’énergie de la lumière du soleil, et en fait, elle rayonne une partie de cette énergie. Mais que dans l’ensemble, il reçoit plus d’énergie qu’il n’en émet. Et cela concorde avec l’observation selon laquelle la température de la boîte métallique augmente. Lorsque cela se produit, nous nous attendons à ce que plus d’énergie soit absorbée que libérée. Et en effet, c’est ce qui se passe. La bonne description de ce qui se passe dans ce scénario est que le métal absorbe plus d’énergie du rayonnement infrarouge que l’énergie qu’il perd en refroidissant.
