1ES 21/22

Enseignement scientifique 1ère 1G06 / 1G11

Chapitre 1 : Le son, phénomène vibratoire

Chapitre 2 : Le son, une information à coder

Chapitre 5 : Le rayonnement solaire

Chapitre 1 : Le son, phénomène vibratoire

Cours du chapitre 1

Activités du chapitre 1

Exercices du chapitre 1

Activités du chapitre 1

Activité 3 : Le son émis par une corde vibrante

CORRECTION

Activité 4 : Visualiser et créer des sons

Les fichiers

CORRECTION

Activité 5 : Intensité sonore et niveau d'intensité sonore(Activité 2 p 210-211 de votre livre)

CORRECTION

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Activité 3 : Le son émis par une corde vibrante

1ère partie : Des vibrations particulières

1. Comment un son est-il obtenu avec une guitare ?

2. Comment évolue la fréquence du son émis par la corde de l’instrument si on la tend davantage ?

3. Si la fréquence d’une note jouée à la guitare est 440 Hz, calculer la fréquence de la note émise en pinçant la même corde en son milieu.

4. De quels paramètres la fréquence fondamentale du son émis par une corde dépend-elle ?

5. Quel phénomène se produit dans les instruments à vent ? De quels paramètres la fréquence du son émis dépend-elle ?

2ème partie : L’expérience de la corde de Melde

6. Quelle est la valeur de la fréquence fondamentale du son émis par la corde de 50 cm ?

7. Pour une même longueur de corde, quelle relation existe-t-il entre les valeurs de la fréquence fondamentale et celles des harmoniques ?

8. Expliquer comment prévoir théoriquement la valeur de la fréquence fondamentale mesurée avec une corde de 25 cm ?

9. Quelle est l’influence de la longueur de la corde sur la fréquence fondamentale du son émis ?

10. Comment peut-on expliquer le fait que les sons émis par les cordes d’une contrebasse soient plus graves que ceux émis par les cordes d’un violon ?

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Activité 4 : Visualiser et créer des sons

Le diapason

La trompette

Le saxophone

La guitare

Le piano

Le ukulélé

Le violon

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Activité 4 : Visualiser et créer des sons

Partie 1 : Visualiser des sons

1. Zoomer puis représenter l’allure du signal du diapason.

2. Zoomer puis représenter l’allure du signal de la trompette.

3. Décrire chacun de ces signaux.

4. Déterminer graphiquement la période de chacun des signaux.

5. En déduire leur fréquence.

6. Décrire le spectre du diapason et celui de la trompette.

7. Les fréquences déterminées précédemment correspondent-elles à la fréquence fondamentale de chaque signal ?

8. Relever la valeur de la fréquence des harmoniques sur le spectre de la trompette.

9. Quelle relation existe-t-il entre la valeur de la fréquence fondamentale et celles des harmoniques ?

10. Définir un son pur et un son composé à partir des observations précédentes.

11. Visualiser les signaux émis par le « la » de différents instruments, et les décrire.

12. Que remarque-t-on ?

Partie 2 : Produire des sons

13. Les sons de 100 Hz, 200 Hz et 300 Hz sont-ils des sons purs ou des sons composés ? Pourquoi ?

14. Quelle est la fréquence du son mixé ?

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15. Ce son est-il un son pur ou un son composé ? Pourquoi ?

Activité 5 : Intensité sonore et niveau d'intensité sonore(Activité 2 p 210-211 de votre livre)

Doc. 1 : Courbes de Fletcher et Munson

• L'échelle correspondant au niveau d'intensité sonore L est-elle linéaire ?

• L'échelle correspond à l'intensité sonore I est-elle linéaire ? Si ce n'est pas le cas, décrire l'évolution de la grandeur sur son axe.

• Pour la grandeur en ordonnée dont l'échelle n'est pas linéaire, calculer le logarithme de chacune des valeurs. Comment la fonction log transforme-t-elle un nombre écrit sous forme d'une puissance de 10 ?

• Déterminer à quel niveau d'intensité sonore chacun de ces sons sera perçu par l'oreille ?

• Lequel des deux sons donne la sensation d'être plus intense ?

Doc. 2 : Intensité sonore et niveau d'intensité sonore

• Rappeler l'expression de la surface S d'une sphère de rayon r, puis justifier l'expression de l'intensité sonore.

• Montrer que le niveau sonore est de 0 dB si l'intensité sonore vaut

Doc. 3 : Le son d'une sirène

• Calculer l'intensité sonore puis le niveau d'intensité sonore en dB à 1 m, 2 m, 4 m puis 8 m de la source.

• Comment évolue l'intensité sonore lorsqu'on multiplie la distance à la source sonore par 2 ?

• Comment évolue le niveau d'intensité sonore lorsqu'on multiplie la distance à la source sonore par 2 ?

• Sachant que les intensités sonores s'ajoutent, calculer le niveau d'intensité sonore avec deux sirènes, quatre sirènes puis huit sirènes.

• Comment évolue l'intensité sonore lorsqu'on multiplie le nombre de sources sonores par 2 ?

• Comment évolue le niveau d'intensité sonore lorsqu'on multiplie le nombre de sources sonores par 2 ?

Bilan

1. Expliquer la différence entre le niveau d'intensité sonore et l'intensité sonore.
2. Décrire comment évolue le niveau d'intensité sonore quand on s'éloigne de la source sonore.
3. Décrire comment évolue le niveau d'intensité sonore quand on multiplie les sources sonores.

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Exercices du chapitre 1

Exercice 10 p 221

Exercice 11 p 222

CORRECTION des exercices

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Chapitre 2 : Le son, une information à coder

Cours du chapitre 2

Activités du chapitre 2

Exercice

Exercice : le son : de l'analogique au numérique

Activités du chapitre 2

Activité 1 : Du son analogique au son numérique : la numérisation d’un signal sonore

Activité 2 : Le choix de la fréquence d'échantillonage (activité 2 p 244 - 245 du livre)

Activité 3 : La quantification d'un signal (activité 3 p 246 - 247 du livre)

Activité 4 : Taille des fichiers sonores

Activité 5 : Compression des fichiers sonores

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Activité 1 : Du son analogique au son numérique : la numérisation d'un signal sonore

Doc. 7 : Explication en vidéo

Questions

1. Doc. 1 et 2 : Dans quels éléments de la chaine l’information est-elle sous forme analogique ? Et sous forme numérique ? Justifier.

2. Doc. 2 : Quel est le rôle de la carte son ?

3. Doc. 4a : Comparer les trois graphiques. Qu’observez-vous lorsque la fréquence d’échantillonnage augmente ?

4. Doc. 4b : Comparer les trois graphiques. Qu’observez-vous lorsque la quantification augmente ?

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Activité 2 : Le choix de la fréquence d'échantillonage (activité 2 p 244 - 245 du livre)

Doc 1 : Numérisation en téléphonie

Doc 2 : Qualité d'un enregistrement musical

Doc 3 : Le critère de Shannon

Doc 4 : Une situation analogue

Questions

1. Montrer que le choix d’une fréquence d’échantillonnage dépend de la fréquence du signal qu’on souhaite numériser.

2. Montrer que la reproduction fidèle du signal analogique nécessite une fréquence d’échantillonnage au moins double de celui-ci.

3. Quels sont l’avantage et l’inconvénient d’enregistrer un fichier audio réalisé en choisissant une petite fréquence d’échantillonnage ? Quelle est la fréquence maximale d’échantillonnage d’un enregistrement musical ?

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Activité 3 : La quantification d'un signal (activité 3 p 246 - 247 du livre)

Introduction

Doc 1 : Format d'enregistrement

Doc 2 : Nombre de bits

Doc 3 : Signal numérique

Doc 4 : Incidence de la quantification

Questions

1. Quel est le lien possible entre le nombre de valeurs numériques possibles et le nombre de bits (document 2) ?

2. A l’aide du document 3, indiquer les 16 valeurs possibles pour 4 bits.

3. Quel est le nombre de possibilités pour un CD et un enregistrement numérique normal ?

4. Montrer, à l’aide du document 4, que le modèle d’enregistrement a une incidence sur la taille du fichier et la qualité de l’enregistrement.

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Activité 4 : Taille des fichiers sonores

Questions

1. Déterminer l’influence des paramètres de numérisation sur la taille d’un fichier, puis en déduire le lien entre taille et qualité audio d’un fichier (doc. 2).

2. Calculer la taille, en bits puis en Mo, d’une chanson de 3 minutes sur un CD et sur un SA-CD, et en déduire quel support permet une meilleure qualité audio (doc. 2 et 3).

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Activité 5 : Compression des fichiers sonores

Questions

1. Pourquoi est-il devenu nécessaire de compresser les fichiers numériques ? (doc. 1)

2. Vérifier qu’il est possible de reconstruire le signal original à partir du signal compressé lors d’une compression sans perte (doc. 2)

3. Déterminer les différences entre la compression sans perte et avec pertes (doc. 2 et 3).

4. Déterminer, entre les formats MP3-320 et FLAC, lequel fournit la meilleure qualité sonore, et expliquer pourquoi (doc. 4).

5. Calculer les taux de compression des fichiers sonores du document 4 (doc. 4 et 5).

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Exercice

Questions

1. Montrer qu’une chanson de trois minutes, enregistrée en stéréo et échantillonnée à une fréquence de 44,1 kHz avec une quantification de 16 bits représente un fichier audio d’environ 32 Mo.

2. Combien pourrait-on en stocker sur une carte micro SD de 128 Go ?

3. Que devient la taille de cette chanson si on la compresse au format MP3 avec un taux de compression de 90 % ?

4. Combien la carte SD de 128 Go pourra-t-elle alors en contenir ?

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Exercice : le son : de l'analogique au numérique

Questions

1. A partir de l'exploitation des graphiques, recopier la ou les bonnes réponses.

2. Indiquer la condition que doit vérifier la fréquence d'échantillonnage si on veut numériser fidèlement un son analogique de fréquence f.

3. Justifier que le choix de la fréquence d'échantillonnage permet une numérisation fidèle des sons sur un CD audio.

4. Donner l'intervalle des fréquences des sons audibles par les humains.Indiquer, e, justifiant, si tous les sons correspondant à ces fréquences sonttransmis lors d'une audioconférence numérisée.

5. Un morceau de musique de 4 minutes 27 secondes est enregistré en stéréo sur un CD audio. Justifier par un calcul que la taille du fichier enregistré est de 47 Mo.

6. Si on admet que le taux de compression du format CD au format MP3 à 128 nkbits/s est égal à 91%, calculer la taille du fichier MP3 correspondant à l'enregistrement précedent.

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Chapitre 5 : Le rayonnement solaire

Les documents distribués !!!

Activité 1 : L'énergie du Soleil

Activité 2 : Le projet ITER

Activité 3 : Quelques repères historiques sur l'étude du rayonnement thermique

Activité 4 : La température des étoiles

Exercices

Les documents distribués à télécharger :

Les activités

Le cours

Les exercices

Activité 1 : L'énergie du Soleil

Document 1 : La production d'énergie dans les étoiles

Document 2 : Les réactions nucléaires au sein du Soleil

Document 3 : La fusion au coeur des étoiles

Document 4 : Une conséquence surprenante de la formule d'Einstein

Questions

1. Quel type de réaction se produit au sein du Soleil ? 2. Ecrire l’équation globale de cette réaction. 3. Pourquoi considère-t-on que le Soleil libère, par seconde, une énergie de 3,87x1026 J ? 4. Enoncer la relation d’Einstein, aussi appelée équivalence masse-énergie. 5. Démontrer que « le Soleil perd quatre millions de tonnes par seconde ».

CORRECTION

Activité 2 : Le projet ITER

Document 1 : Maitriser la puissance du Soleil ? Le projet ITER

Document 2 : ITER, un projet controversé

Questions

1. Quel est le but du projet ITER ? 2. La réaction nucléaire envisagé dans le projet ITER est-elle la même que celle se produisant au sein du Soleil ? 3. Les températures nécessaires pour réaliser la fusion nucléaire dans le réacteur de ITER sont-elles les mêmes qu’au cœur du Soleil ? 4. Lister les avantages et les inconvénients du projet ITER. Pourquoi les physiciens comme Georges Charpak s’élèvent-ils contre le projet ITER ?

CORRECTION

Activité 3 : Quelques repères historiques sur l'étude du rayonnement thermique

Document 1 : Quelques repères historiques

Document 2 : Vocabulaire

Questions

1. Nommer le premier physicien à avoir déterminé la température du Soleil. A-t-il obtenu un résultat précis ? 2. De quelle grandeur dépend la longueur d’onde λmax ? 3. Compléter le tableau suivant en utilisant le spectre thermique.

Activité 4 : La température des étoiles

Document 1 : Rayonnement du corps noir

Document 2 : Loi de Wien

Document 3 : Courbe spectrale du rayonnement émis par le Soleil

Document 4 : Des étoiles très lumineuses

Questions

1. Commenter les différences entre les trois courbes spectrales tracées dans le doc. 3. 2. Expliquer pourquoi le Soleil peut être considéré comme un corps noir dont la température de surface est de 5 627 °C. 3. D’après la loi de Wien, préciser comment évolue la longueur d’onde d’émission maximale λmax quand la température diminue. 4. Déterminer la longueur d’onde d’émission maximale pour les étoiles Aldébaran et Rigel. 5. Appliquer la loi de Wien pour en déduire la température de surface de ces étoiles. 6. Relier la température de surface de ces étoiles à leur couleur apparente. 7. Expliquer comment déterminer la température de surface d’une étoile.

Exercices

Exercice 1 : Proxima Centauri

Exercice 2 : Arcturus

Exercice 3 : Masse perdue par le Soleil

Exercice 4 : Réaction de fusion au sein du Soleil

Exercice 5 : Sirius

Exercice 6 : Couleur des étoiles

Exercice 7 : Lave d'un volcan

Exercice 8 : Bételgeuse et Rigel

Exercice 1 : Proxima Centauri

Proxima Centauri C est l’étoile la plus proche du système solaire. Cette étoile, beaucoup plus petite et plus froide que notre Soleil, rayonne une puissance d’environ 6,9×1023 W.1. Calculer l’énergie rayonnée chaque seconde par Proxima Centauri (en joule). 2. A l’aide de la relation d’Einstein, calculer la masse équivalente perdue chaque seconde par Proxima Centauri.

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Exercice 1 : Proxima Centauri

Proxima Centauri C est l’étoile la plus proche du système solaire. Cette étoile, beaucoup plus petite et plus froide que notre Soleil, rayonne une puissance d’environ 6,9×1023 W.1. Calculer l’énergie rayonnée chaque seconde par Proxima Centauri (en joule). 2. A l’aide de la relation d’Einstein, calculer la masse équivalente perdue chaque seconde par Proxima Centauri.

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Exercice 2 : Arcturus

Arcturus est une étoile de la constellation du Bouvier située à 37 années-lumière de la Terre. C’est une étoile rouge en fin de vie. La puissance rayonnée est P=7,53×1028 W.Calculer la perte de masse de cette étoile en une seconde.

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Exercice 2 : Arcturus

Arcturus est une étoile de la constellation du Bouvier située à 37 années-lumière de la Terre. C’est une étoile rouge en fin de vie. La puissance rayonnée est P=7,53×1028 W.Calculer la perte de masse de cette étoile en une seconde.

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Exercice 3 : Masse perdue par le Soleil

La puissance rayonnée par le Soleil est 3,84×1026 W.1. Calculer l’énergie rayonnée par le Soleil en une seconde. 2. En déduire la masse perdue par le Soleil chaque seconde. 3. Calculer l’énergie rayonnée par le Soleil en un jour. 4. En déduire la masse perdue par le Soleil chaque jour.

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Exercice 3 : Masse perdue par le Soleil

La puissance rayonnée par le Soleil est 3,84×1026 W.1. Calculer l’énergie rayonnée par le Soleil en une seconde. 2. En déduire la masse perdue par le Soleil chaque seconde. 3. Calculer l’énergie rayonnée par le Soleil en un jour. 4. En déduire la masse perdue par le Soleil chaque jour.

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Exercice 4 : Réaction de fusion au sein du Soleil

Dans les étoiles, la fusion des noyaux d’hydrogène en hélium s’effectue selon un cycle de réactions que l’on peut résumer par l’équation suivante : 1. Calculer la variation de masse entre les produits et les réactifs de cette réaction de fusion. 2. En déduire l’énergie libérée par la fusion de quatre noyaux d’hydrogène à l’aide de la relation d’Einstein. 3. On admet que chaque seconde, le Soleil transforme environ 720 millions de tonnes d’hydrogène en hélium. Quelle quantité d’énergie le Soleil produit-il chaque seconde ?

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Exercice 4 : Réaction de fusion au sein du Soleil

Dans les étoiles, la fusion des noyaux d’hydrogène en hélium s’effectue selon un cycle de réactions que l’on peut résumer par l’équation suivante : 1. Calculer la variation de masse entre les produits et les réactifs de cette réaction de fusion. 2. En déduire l’énergie libérée par la fusion de quatre noyaux d’hydrogène à l’aide de la relation d’Einstein. 3. On admet que chaque seconde, le Soleil transforme environ 720 millions de tonnes d’hydrogène en hélium. Quelle quantité d’énergie le Soleil produit-il chaque seconde ?

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Exercice 5 : Sirius

De par sa couleur et sa température, Sirius fait partie des étoiles dites de type A. On a représenté son spectre en bleu. On a tracé en noir la courbe modélisant l’intensité d’émission en fonction de la longueur d’onde.

Données : Loi de Wien : λmax×T=2,9×10-3 m.K

1. Repérer la longueur d’onde pour laquelle l’intensité lumineuse émise par Sirius est maximale pour chacune des courbes. 2. La courbe noire est celle qui permet de déterminer la température de l’étoile. A l’aide de la loi de Wien, déterminer la température approximative de la surface de Sirius.

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Exercice 5 : Sirius

De par sa couleur et sa température, Sirius fait partie des étoiles dites de type A. On a représenté son spectre en bleu. On a tracé en noir la courbe modélisant l’intensité d’émission en fonction de la longueur d’onde.

Données : Loi de Wien : λmax×T=2,9×10-3 m.K

1. Repérer la longueur d’onde pour laquelle l’intensité lumineuse émise par Sirius est maximale pour chacune des courbes. 2. La courbe noire est celle qui permet de déterminer la température de l’étoile. A l’aide de la loi de Wien, déterminer la température approximative de la surface de Sirius.

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Exercice 6 : Couleur des étoiles

Le Soleil présente un maximum d’émission à une longueur d’onde λmax⁡1 =500 nm, Sirius à λmax⁡2 =290 nm, et Antarès à λmax⁡3 =810 nm.1. Sur un même graphique, tracer les allures des spectres de rayonnements émis par chaque étoile. 2. En déduire la couleur de chaque étoile dans le ciel nocturne sachant qu’une apparait blanche, une autre rouge et l’autre bleue. 3. Déterminer la température de surface de chacune de ces étoiles.

Données : Loi de Wien : λmax×T=2,9×10-3 m.K

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Exercice 6 : Couleur des étoiles

Le Soleil présente un maximum d’émission à une longueur d’onde λmax⁡1 =500 nm, Sirius à λmax⁡2 =290 nm, et Antarès à λmax⁡3 =810 nm.1. Sur un même graphique, tracer les allures des spectres de rayonnements émis par chaque étoile. 2. En déduire la couleur de chaque étoile dans le ciel nocturne sachant qu’une apparait blanche, une autre rouge et l’autre bleue. 3. Déterminer la température de surface de chacune de ces étoiles.

Données : Loi de Wien : λmax×T=2,9×10-3 m.K

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Exercice 7 : Lave d'un volcan

Pour mesurer la température de la lave, les vulcanologues utilisent des pyromètres optiques. Ces appareils captent le rayonnement infrarouge émis par un corps et fournissent une estimation de sa température de surface, sans entrer en contact avec celui-ci. 1. La température de la lave éjectée par un volcan est comprise entre 600 °C et 1 300 °C environ. Déterminer l’intervalle de longueurs d’onde dans laquelle se produit l’émission maximale. 2. Expliquer l’intérêt du pyromètre pour les vulcanologues.

Données : Loi de Wien : λmax×T=2,9×10-3 m.K Relation entre la température T (en K) et θ (en °C) : T=θ+273,15

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Exercice 7 : Lave d'un volcan

Pour mesurer la température de la lave, les vulcanologues utilisent des pyromètres optiques. Ces appareils captent le rayonnement infrarouge émis par un corps et fournissent une estimation de sa température de surface, sans entrer en contact avec celui-ci. 1. La température de la lave éjectée par un volcan est comprise entre 600 °C et 1 300 °C environ. Déterminer l’intervalle de longueurs d’onde dans laquelle se produit l’émission maximale. 2. Expliquer l’intérêt du pyromètre pour les vulcanologues.

Données : Loi de Wien : λmax×T=2,9×10-3 m.K Relation entre la température T (en K) et θ (en °C) : T=θ+273,15

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Exercice 8 : Bételgeuse et Rigel

Bételgeuse et Rigel sont des étoiles appartenant à la constellation d’Orion. Ces deux étoiles se différencient, entre autres, par leur couleur : Rigel est une supergéante bleue alors que Bételgeuse est une supergéante rouge. 1. A partir des spectres et en utilisant la loi de Wien, déterminer les températures de surface des étoiles Bételgeuse et Rigel. 2. Dans la vie courante, en peinture par exemple, le rouge est une couleur dite « chaude », contrairement au bleu. Ces qualificatifs s’appliquent-ils aux étoiles ?

Données : Loi de Wien : λmax×T=2,9×10-3 m.K

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Exercice 8 : Bételgeuse et Rigel

Bételgeuse et Rigel sont des étoiles appartenant à la constellation d’Orion. Ces deux étoiles se différencient, entre autres, par leur couleur : Rigel est une supergéante bleue alors que Bételgeuse est une supergéante rouge. 1. A partir des spectres et en utilisant la loi de Wien, déterminer les températures de surface des étoiles Bételgeuse et Rigel. 2. Dans la vie courante, en peinture par exemple, le rouge est une couleur dite « chaude », contrairement au bleu. Ces qualificatifs s’appliquent-ils aux étoiles ?

Données : Loi de Wien : λmax×T=2,9×10-3 m.K

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