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QCM : Biomasse - Auto-évaluation
Énergie
1. Quel facteur de conversion peut-on utiliser pour estimer rapidement, de tête, le nombre de kilowattheures (kWh) produits en une année à partir d'une puissance moyenne exprimée en W pour une installation ?
A) Environ 1 kWh
B) Environ 100 kWh
C) Environ 1 000 kWh
D) Environ 10 kWh
Commentaire:
Une année compte environ 8 760 heures, soit un peu moins de 10 000. On obtient un facteur d’environ 10 : une installation délivrant 1 W de puissance moyenne produit donc environ 10 kWh par an.
2. Que représente la productivité primaire nette (PPN) d’un écosystème ?
A) La quantité totale d’énergie solaire reçue par l’écosystème.
B) La quantité d’énergie ou de biomasse produite par les producteurs primaires, disponible pour les niveaux trophiques supérieurs après respiration.
C) La quantité totale d’énergie fixée par la photosynthèse avant toute perte respiratoire.
D) L’énergie dissipée sous forme de chaleur lors des échanges entre organismes.
Commentaire:
La productivité primaire nette correspond à la production brute (photosynthèse) diminuée de la respiration
3. Que sont les organismes hétérotrophes dans un écosystème ?
A) Des organismes qui tirent leur énergie et leur matière organique de la consommation d’autres êtres vivants.
B) Des organismes capables de produire leur propre matière organique à partir de substances minérales.
C) Des organismes qui réalisent la photosynthèse pour transformer l’énergie lumineuse en énergie chimique.
D) Des organismes dépourvus de respiration cellulaire.
Commentaire:
Les hétérotrophes ne produisent pas leur propre matière organique : ils se nourrissent d’autres organismes (végétaux, animaux ou débris organiques). Cela inclut les animaux, les champignons et la plupart des bactéries.
4. En tenant compte de la constante solaire \((1{,}36 \times 10^3\ \text{W·m}^{-2})\), de l’albédo terrestre (≈ 0,3) et de la fraction d’énergie absorbée par l’atmosphère, quelle est la puissance solaire théoriquement disponible à la surface de la Terre pour la photosynthèse ?
A) De l’ordre de 100 PW
B) De l’ordre de 10 PW
C) De l’ordre de 10 000 PW
D) De l’ordre de 1000 PW
Commentaire:
La puissance totale reçue par la Terre vaut environ $$1{,}36 \times 10^3 \times \pi R_T^2 \approx 170 000 TW = 170 PW $$. En tenant compte de l’albédo (réflexion ≈ 30 %) et de l’absorption atmosphérique, la puissance effectivement disponible au sol s'obtient en divisant cette valeur de 170 PW par un facteur 2. La puissance maximale exploitable pour la photosynthèse est donc de l’ordre de 90 PW, soit .
5. Sur 1 000 photons solaires reçus par la surface terrestre, combien sont effectivement utilisés pour la production de biomasse par photosynthèse ?
A) Environ 1 photons sur 10 000
B) Environ 1 photon sur 1 000
C) Environ 1 photons sur 100 000
D) Environ 1 photons sur 100
Commentaire:
Le rendement global de la photosynthèse est très faible : à peine 0,1 % de l’énergie solaire incidente est convertie en énergie chimique dans la biomasse. Autrement dit, sur 1 000 photons reçus, seul 1 photon environ contribue réellement à la production de matière organique.
6. Quel est l’ordre de grandeur (en PWh·an⁻¹) de la production annuelle de biomasse sur Terre (ordre de grandeur suffisant) ?
A) Environ 10³ PWh·an⁻¹
B) Environ 10¹ PWh·an⁻¹
C) Environ 10⁵ PWh·an⁻¹
D) Environ 10⁰ PWh·an⁻¹
Commentaire:
On part d’une puissance solaire disponible pour la photosynthèse d’environ 100 PW \(≈ 10^{17} W\). Seul 1 photon sur 1 000 participe effectivement à la production de biomasse, soit une puissance utile de \(10^{14}\) W. En utilisant le facteur de conversion 1 W ≈ 10 kWh/an, cela correspond à environ \(10^{15}\) kWh/an, soit \(10^{18}\) Wh/an, c’est-à-dire environ 1 000 PWh/an de biomasse produite chaque année.
7. Quel est l’ordre de grandeur de la longueur d’onde de la lumière bleue dans le spectre visible ?
A) Environ 50 nm
B) Environ 5 µm
C) Environ 5 mm
D) Environ 500 nm
Commentaire:
La lumière visible s’étend de 400 à 700 nm. La lumière bleue correspond aux longueurs d’onde les plus courtes du visible, autour de 450 à 500 nm, soit un ordre de grandeur de 500 nanomètres.
8. Quel est l’ordre de grandeur (en électronvolts, eV) de l’énergie nécessaire pour arracher un électron externe d’un atome ou d’une molécule, comme dans la photosynthèse ou l’effet photoélectrique ?
A) Environ 10⁻³ eV
B) Environ 10² eV
C) Environ 1 eV
D) Environ 10⁶ eV
Commentaire:
L’énergie des photons visibles (de 400 à 700 nm) se situe entre 1,5 et 3 eV, ce qui correspond à l’énergie typique nécessaire pour arracher un électron externe (ionisation ou excitation photochimique). C’est cette gamme d’énergie qui rend la photosynthèse et l’effet photoélectrique possibles.
9. Quelle est la longueur d’onde (en mètres) d’un photon capable d’expulser un électron dont l’énergie de liaison est de \(3 \times 10^{-19}\ \text{J}\) ?
A) Environ 660 nm
B) Environ 560 nm
C) Environ 760 nm
D) Environ 460 nm
Commentaire:
On utilise la relation \(E = \dfrac{hc}{\lambda}\). Avec \(E = 3\times10^{-19}\ \text{J}\), \(h = 6,63\times10^{-34}\ \text{J·s}\) et \(c = 3\times10^8\ \text{m·s}^{-1}\), on obtient : \[ \lambda = \dfrac{hc}{E} \approx \dfrac{6{,}63\times10^{-34} \times 3\times10^8}{3\times10^{-19}} \approx 6,6\times10^{-7}\ \text{m} = 660\ \text{nm}. \] C’est donc une lumière rouge visible, d’ordre de grandeur 700 nm, capable d’arracher un tel électron.
10. Si l’on réalisait une photosynthèse artificielle à partir de pigments photosynthétiques isolés, non liés à de la matière vivante, quel rendement énergétique pourrait-on espérer par rapport à la photosynthèse naturelle ?
A) Un rendement nettement supérieur, pouvant atteindre plusieurs dizaines de pourcents.
B) Un rendement identique à celui de la photosynthèse naturelle.
C) Un rendement nul, car les pigments ne peuvent fonctionner qu’au sein d’une cellule vivante.
D) Un rendement très faible, inférieur à 0,1 %, car l’absence de métabolisme rend le processus inefficace.
Commentaire:
Dans la photosynthèse naturelle, une grande partie de l’énergie solaire captée est utilisée par la plante pour sa croissance et son métabolisme, ce qui limite le rendement global autour de 0.1 - 4 %. Dans une photosynthèse artificielle, si les pigments étaient stabilisés et directement reliés à un système de conversion énergétique, le rendement théorique pourrait atteindre plusieurs dizaines de pourcents, car toute l’énergie captée pourrait être consacrée à la conversion chimique ou électrique, sans pertes biologiques.
11. Pourquoi le rendement de la photosynthèse marine est-il généralement plus faible que celui de la photosynthèse continentale ?
A) Parce que la concentration en CO₂ est beaucoup plus faible dans l’océan que dans l’atmosphère.
B) Parce que la température de l’eau empêche les réactions photochimiques de se produire efficacement.
C) Parce qu’une partie importante de la lumière est absorbée ou diffusée par l’eau, limitant l’énergie disponible pour les organismes photosynthétiques.
D) Parce que les organismes marins ne possèdent pas les mêmes pigments chlorophylliens.
Commentaire:
Dans le milieu marin, la lumière est rapidement atténuée par absorption et diffusion dans la colonne d’eau. De plus, la variabilité des nutriments et la courte durée de vie du phytoplancton limitent la productivité. Ainsi, le rendement global de la photosynthèse marine est inférieur à celui des écosystèmes terrestres, malgré une surface éclairée plus vaste.
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