La photosynthèse et l'énergie du vivant : exercices corrigés d’enseignement scientifique 1re (PDF)

Le sucre de ton petit-déjeuner, le pain du sandwich, la banane de la pause : tout ça a commencé dans une feuille, avec du dioxyde de carbone, de l’eau et de la lumière. La photosynthèse fabrique la matière organique dont vit presque tout le vivant ; nos cellules la défont ensuite pour en récupérer l’énergie. Ce chapitre suit ce trajet, de la lumière captée par une plante jusqu’au bilan d’énergie d’une journée et à l’équilibre alimentaire. Les trois premiers exercices vérifient que le cours est compris, sans calcul : deux quiz et un texte à trous, corrigés dès que tu valides. Les deux suivants demandent des calculs : le rendement d’un champ de canne à sucre à La Réunion, puis le bilan d’énergie d’une journée de randonnée en montagne, avec un corrigé rédigé comme au tableau.

De la lumière à l'assiette, l'énergie du vivant

1La photosynthèse : la matière de l'air et de l'eau, l'énergie de la lumière

En bleu, la matière ; en orange, l'énergie.

Les organismes chlorophylliens (plantes vertes, algues, cyanobactéries) utilisent une infime partie de l'énergie solaire reçue par la Terre pour fabriquer de la matière organique à partir de matière minérale (eau, ions, dioxyde de carbone) : c'est la photosynthèse. Ils rejettent du dioxygène.

6 CO₂ + 6 H₂O énergie lumineuse⟶ C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

L'énergie lumineuse est convertie en énergie chimique, stockée dans le glucose puis dans toute la matière que la plante en tire (amidon, cellulose, lipides, et protéines grâce à l'azote des ions nitrate).

La lumière s'écrit au-dessus de la flèche : elle apporte l'énergie, mais aucun atome. Matière organique : des molécules où des atomes de carbone sont liés à des atomes d'hydrogène. Le CO₂ contient du carbone, mais il est minéral.

2Une infime partie de l'énergie solaire

Le rendement de conversion est la part de l'énergie solaire reçue qui se retrouve stockée dans la matière organique.

rendement = énergie stockée dans la matière organique énergie solaire reçue

Les deux énergies dans la même unité ; × 100 pour un pourcentage. De l'ordre de 1 % au plus pour une culture sur une année, moins de 0,1 % pour la Terre entière. Le reste est réfléchi, n'est pas utilisable par la chlorophylle ou finit en chaleur, et la plante consomme une partie de ses sucres en respirant.

3Nourrir presque toute la vie

Les producteurs (organismes chlorophylliens) fabriquent leur matière organique. Les consommateurs mangent d'autres êtres vivants ; les décomposeurs transforment la matière organique morte en matière minérale. La photosynthèse permet ainsi la nutrition de presque toutes les formes de vie.

blé → mulot → chouette effraie

La flèche se lit « est mangé par ». À chaque maillon, seule une faible part de l'énergie, souvent de l'ordre de 10 %, est stockée par le maillon suivant : le reste est dissipé en chaleur ou part vers les décomposeurs. Près de la moitié de la production mondiale de matière organique par photosynthèse a lieu dans les océans, surtout grâce au phytoplancton.

4De l'aliment au bilan d'énergie

Dans nos cellules, la respiration transforme les molécules organiques des aliments pour libérer leur énergie, utilisée par les cellules ou dissipée en chaleur : C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O.

E = P × Δt bilan = apports − dépenses

E : énergie dépensée, en kJ ; P : énergie dépensée par heure, en kJ/h ; Δt : durée, en h. Portion : énergie pour 100 g × masse ÷ 100 g. 1 kcal ≈ 4,18 kJ. Le corps dépense aussi au repos et en dormant : les durées d'un bilan sur une journée font 24 h.

5L'équilibre alimentaire et la santé

Il a deux aspects : quantitatif (les apports d'énergie compensent les dépenses, sur la durée) et qualitatif (tous les nutriments nécessaires, vitamines et minéraux compris). Le manque durable de l'un d'eux est une carence.

Un déséquilibre durable augmente le risque de dénutrition (par manque), d'obésité, de diabète de type 2 ou de maladies cardiovasculaires (par excès ou mauvaise qualité).

Prévalence : nombre de personnes atteintes divisé par l'effectif de la population, à un moment donné. Elle décrit une population, pas le destin d'une personne.

La carte du chapitre : la photosynthèse et son rendement, les chaînes alimentaires, le bilan d'énergie et l'équilibre alimentaire. Les exercices de la page s'appuient sur ces repères.

Avant de te lancer : pour les exercices 4 et 5, cherche au brouillon avant d’ouvrir le corrigé : c’est en te trompant que tu progresses. Les exercices réussis se cochent au fur et à mesure, et la page retient où tu en es.

Exercice 3

La photosynthèse et l'énergie du vivant en un paragraphe

★★★

Le cours en un texte à trous

Les organismes , comme les plantes vertes et les algues du phytoplancton, captent une de l'énergie solaire reçue par la Terre. Avec cette énergie, ils fabriquent de la matière organique à partir de matière : l'eau, les ions et le . L'énergie lumineuse est ainsi convertie en énergie , stockée dans les molécules organiques. De maillon en maillon, cette matière nourrit . Dans nos cellules, la transforme les molécules organiques des aliments en consommant du dioxygène : elle libère l'énergie dont le corps a besoin, et une grande partie de cette énergie finit en . Le bilan d'énergie compare, sur une même durée et dans la même unité, les apports des aliments et les du corps. L'équilibre alimentaire a deux aspects : la bonne quantité d'énergie et la des apports. Une alimentation qui apporte assez d'énergie peut manquer d'un nutriment indispensable : c'est une . Un excès d'apports répété pendant des années augmente le risque .

Exercice 4

Calculer le rendement de la photosynthèse d'un champ de canne à sucre

★★★

Application : de la lumière au sucre de canne

À La Réunion, la canne à sucre est la principale culture de l’île. C’est une grande herbe dont les tiges, gorgées d’un jus sucré, sont broyées à l’usine pour en extraire le sucre de canne, le saccharose. Un agriculteur de la côte ouest suit une parcelle bien arrosée pendant une année de croissance.

Document - Une parcelle de canne à sucre en une année (valeurs arrondies)

Surface de la parcelle : 1 hectare, soit $1{,}0 \times 10^{4}\ \text{m}^2$ .
Énergie solaire (rayonnement du Soleil) reçue en un an par chaque mètre carré de sol : $6{,}5 \times 10^{9}\ \text{J}$ .
Matière sèche produite en un an par la culture (tiges, feuilles et racines) : 40 tonnes, soit $4{,}0 \times 10^{7}\ \text{g}$ .
Énergie contenue dans un gramme de matière sèche de canne : environ $17\ \text{kJ}$ , soit $1{,}7 \times 10^{4}\ \text{J}$ .
Tiges récoltées : 100 tonnes de cannes fraîches, soit $1{,}00 \times 10^{8}\ \text{g}$ , qui contiennent $13\ \%$ de saccharose en masse.
Énergie contenue dans un gramme de saccharose : environ $17\ \text{kJ}$ , soit $1{,}7 \times 10^{4}\ \text{J}$ .

Donnée : le rendement de conversion de la photosynthèse est la part de l’énergie solaire reçue qui se retrouve stockée dans la matière organique : $\text{rendement} = \dfrac{E_{\text{stockée}}}{E_{\text{reçue}}}$ .

La canne fabrique son saccharose à partir du glucose de la photosynthèse. D’où viennent les atomes de carbone du saccharose ? D’où vient l’énergie chimique qu’il contient ?
Calculer l’énergie solaire $E_{\text{reçue}}$ reçue par la parcelle en un an.
Calculer l’énergie $E_{\text{stockée}}$ dans la matière sèche produite en un an.
En déduire le rendement de conversion de la photosynthèse de cette parcelle, en pourcentage. Ce résultat est-il cohérent avec l’expression du programme « une infime partie de l’énergie solaire » ? Que devient le reste de l’énergie solaire reçue ? Donner deux raisons.
Calculer la masse de saccharose contenue dans les cannes récoltées, puis la part de l’énergie solaire reçue par la parcelle qui se retrouve dans ce sucre.

Voir le corrigé

1. La canne fabrique du glucose par photosynthèse, dans ses feuilles :

$\text{dioxyde de carbone} + \text{eau} \xrightarrow{\ \text{énergie lumineuse}\ } \text{glucose} + \text{dioxygène}$

puis elle transforme ce glucose en saccharose. Les atomes de carbone du saccharose viennent donc du dioxyde de carbone de l’air, absorbé par les feuilles ; l’eau et les ions du sol, puisés par les racines, n’apportent aucun atome de carbone. L’énergie chimique qu’il contient vient de la lumière du Soleil, captée par la chlorophylle et convertie en énergie chimique. La matière vient de l’air et de l’eau, l’énergie vient de la lumière.

2. Chaque mètre carré reçoit $6{,}5 \times 10^{9}\ \text{J}$ en un an, et la parcelle mesure $1{,}0 \times 10^{4}\ \text{m}^2$ . On multiplie l’énergie reçue par mètre carré par la surface :

$E_{\text{reçue}} = 6{,}5 \times 10^{9}\ \text{J/m}^2 \times 1{,}0 \times 10^{4}\ \text{m}^2 = 6{,}5 \times 10^{13}\ \text{J}$

Les mètres carrés se simplifient : il reste des joules. Pour les puissances de 10, on additionne les exposants : $10^{9} \times 10^{4} = 10^{13}$ .

3. Chaque gramme de matière sèche contient $1{,}7 \times 10^{4}\ \text{J}$ , et la culture en a produit $4{,}0 \times 10^{7}\ \text{g}$ :

$E_{\text{stockée}} = 4{,}0 \times 10^{7}\ \text{g} \times 1{,}7 \times 10^{4}\ \text{J/g} = 6{,}8 \times 10^{11}\ \text{J}$

On multiplie les nombres, $4{,}0 \times 1{,}7 = 6{,}8$ , puis les puissances de 10, $10^{7} \times 10^{4} = 10^{11}$ .

4. On divise l’énergie stockée par l’énergie reçue, toutes deux en joules :

$\text{rendement} = \dfrac{E_{\text{stockée}}}{E_{\text{reçue}}} = \dfrac{6{,}8 \times 10^{11}\ \text{J}}{6{,}5 \times 10^{13}\ \text{J}} \approx 1{,}0 \times 10^{-2}$

Les joules se simplifient : un rendement est un nombre sans unité. Vérification : $6{,}8 \div 6{,}5 \approx 1{,}05$ et $10^{11} \div 10^{13} = 10^{11-13} = 10^{-2}$ . En pourcentage : $1{,}0 \times 10^{-2} \times 100 = 1{,}0\ \%$ .

Sur $100\ \text{J}$ d’énergie solaire reçue par la parcelle, environ $1\ \text{J}$ se retrouve stocké dans la matière de la canne. C’est bien une infime partie, alors que la canne à sucre compte parmi les plantes cultivées qui produisent le plus de matière par hectare. À l’échelle de la Terre entière, la part stockée est encore plus faible, moins de $0{,}1\ \%$ : une grande partie du rayonnement tombe sur des déserts, des sols nus, des glaces ou des océans pauvres en phytoplancton.

Le reste, environ $99\ \%$ , n’est pas stocké. Parmi les raisons :

une partie de la lumière est réfléchie par les feuilles, les traverse ou tombe entre les plantes ;
près de la moitié du rayonnement solaire (l’infrarouge surtout) n’est pas utilisable par la chlorophylle ;
la conversion elle-même dissipe de l’énergie sous forme de chaleur ;
la canne consomme une partie des sucres qu’elle fabrique pour respirer.

Cette énergie non stockée finit, pour l’essentiel, sous forme de chaleur.

5. Les cannes contiennent $13\ \%$ de saccharose en masse, soit $0{,}13$ :

$m_{\text{saccharose}} = 0{,}13 \times 1{,}00 \times 10^{8}\ \text{g} = 1{,}3 \times 10^{7}\ \text{g}$

soit 13 tonnes de saccharose. Son énergie vaut :

$E_{\text{saccharose}} = 1{,}3 \times 10^{7}\ \text{g} \times 1{,}7 \times 10^{4}\ \text{J/g} \approx 2{,}2 \times 10^{11}\ \text{J}$

La part de l’énergie solaire reçue qui se retrouve dans ce sucre vaut :

$\dfrac{E_{\text{saccharose}}}{E_{\text{reçue}}} = \dfrac{2{,}2 \times 10^{11}\ \text{J}}{6{,}5 \times 10^{13}\ \text{J}} \approx 3{,}4 \times 10^{-3}, \text{ soit } 0{,}34\ \%$

Le saccharose des cannes récoltées ne contient qu’environ un tiers de l’énergie stockée par la canne ( $2{,}2 \times 10^{11}\ \text{J}$ sur $6{,}8 \times 10^{11}\ \text{J}$ ) : le reste est dans les fibres des tiges, les feuilles et les racines.

Réflexe à retenir : pour un rendement, écris les deux énergies dans la même unité, divise la partie par le tout, puis multiplie par 100. Compare ensuite à l’ordre de grandeur du cours : de l’ordre de 1 % au plus pour une culture.

Je l’ai réussi (ta coche reste enregistrée sur cet appareil)

Exercice 5

Calculer le bilan d'énergie d'une journée : apports et dépenses

★★★

Type évaluation : une journée de randonnée en montagne

Yanis, 17 ans, 65 kg, passe une journée de randonnée dans les Pyrénées avec sa famille. Le soir, il se demande si ce qu’il a mangé a compensé l’énergie qu’il a dépensée.

Document 1 - Ses activités de la journée (énergie dépensée par heure : valeurs indicatives pour une personne de 65 kg, dépense de repos comprise)

Activité	Durée	Énergie dépensée par heure
sommeil	9 h	260 kJ/h
assis ou debout, au calme (voiture, repas, soirée)	8 h 45 min	380 kJ/h
marche sur terrain plat	45 min	960 kJ/h
randonnée en montée, sac sur le dos	3 h 15 min	2 000 kJ/h
randonnée en descente	2 h 15 min	1 100 kJ/h

Document 2 - Ce qu’il mange dans la journée

Petit-déjeuner (pain, beurre, confiture, bol de lait) : $2\,600\ \text{kJ}$ .
Pique-nique : un sandwich au poulet ( $2\,300\ \text{kJ}$ ) et une banane de $120\ \text{g}$ (sans la peau).
Pendant la marche : $80\ \text{g}$ d’un mélange de fruits secs (raisins secs, amandes, noisettes).
Dîner : $4\,400\ \text{kJ}$ .

Étiquettes : banane, $380\ \text{kJ}$ pour $100\ \text{g}$ ; mélange de fruits secs, $2\,000\ \text{kJ}$ pour $100\ \text{g}$ .

Donnée : l’énergie $E$ dépensée pendant une activité vaut $E = P \times \Delta t$ , où $P$ est l’énergie dépensée par heure (en kJ/h) et $\Delta t$ la durée de l’activité (en h).

Convertir chaque durée du document 1 en heures, en écriture décimale, puis vérifier qu’elles couvrent bien les 24 h de la journée.
Calculer la dépense de chaque activité, puis la dépense totale de la journée.
Calculer l’énergie apportée par la banane et par les fruits secs, puis les apports totaux de la journée.
Calculer le bilan d’énergie de la journée (apports moins dépenses) et conclure. D’où vient l’énergie qui a manqué à Yanis ce jour-là ?
Dans la montée, Yanis a chaud et respire plus vite. En partant de la banane, décrire le trajet de l’énergie depuis le Soleil jusqu’à ses muscles, en nommant les conversions d’énergie, puis expliquer pourquoi il a chaud.

Voir le corrigé

1. Une heure compte 60 minutes : $45\ \text{min} = \dfrac{45}{60}\ \text{h} = 0{,}75\ \text{h}$ et $15\ \text{min} = \dfrac{15}{60}\ \text{h} = 0{,}25\ \text{h}$ . Les durées valent donc :

sommeil : $9\ \text{h}$ ;
au calme : $8\ \text{h}\ 45\ \text{min} = 8{,}75\ \text{h}$ ;
marche sur terrain plat : $45\ \text{min} = 0{,}75\ \text{h}$ ;
montée : $3\ \text{h}\ 15\ \text{min} = 3{,}25\ \text{h}$ ;
descente : $2\ \text{h}\ 15\ \text{min} = 2{,}25\ \text{h}$ .

$9\ \text{h} + 8{,}75\ \text{h} + 0{,}75\ \text{h} + 3{,}25\ \text{h} + 2{,}25\ \text{h} = 24\ \text{h}$

Les cinq activités couvrent bien toute la journée, sommeil compris : aucune heure n’est oubliée.

2. Pour chaque activité, on applique $E = P \times \Delta t$ :

sommeil : $E = 260\ \text{kJ/h} \times 9\ \text{h} = 2\,340\ \text{kJ}$ ;
au calme : $E = 380\ \text{kJ/h} \times 8{,}75\ \text{h} = 3\,325\ \text{kJ}$ ;
marche sur terrain plat : $E = 960\ \text{kJ/h} \times 0{,}75\ \text{h} = 720\ \text{kJ}$ ;
montée : $E = 2\,000\ \text{kJ/h} \times 3{,}25\ \text{h} = 6\,500\ \text{kJ}$ ;
descente : $E = 1\,100\ \text{kJ/h} \times 2{,}25\ \text{h} = 2\,475\ \text{kJ}$ .

Les heures se simplifient : des kilojoules par heure multipliés par des heures donnent des kilojoules. La dépense totale est la somme :

$D = 2\,340\ \text{kJ} + 3\,325\ \text{kJ} + 720\ \text{kJ} + 6\,500\ \text{kJ} + 2\,475\ \text{kJ} = 15\,360\ \text{kJ}$

La montée est le plus gros poste de dépense, mais le sommeil et les heures au calme représentent encore $5\,665\ \text{kJ}$ , plus du tiers de la journée.

3. Les étiquettes donnent l’énergie pour $100\ \text{g}$ : on la multiplie par la masse mangée divisée par $100\ \text{g}$ .

$E_{\text{banane}} = 380\ \text{kJ} \times \dfrac{120\ \text{g}}{100\ \text{g}} = 456\ \text{kJ}$

$E_{\text{fruits secs}} = 2\,000\ \text{kJ} \times \dfrac{80\ \text{g}}{100\ \text{g}} = 1\,600\ \text{kJ}$

Les apports totaux de la journée valent :

$A = 2\,600\ \text{kJ} + 2\,300\ \text{kJ} + 456\ \text{kJ} + 1\,600\ \text{kJ} + 4\,400\ \text{kJ} = 11\,356\ \text{kJ}$

4. Le bilan d’énergie compare les apports et les dépenses, sur la même journée et en kJ :

$\text{bilan} = A - D = 11\,356\ \text{kJ} - 15\,360\ \text{kJ} = -4\,004\ \text{kJ}$

soit environ $-4\,000\ \text{kJ}$ . Le bilan est négatif : ce jour-là, Yanis a dépensé environ $4\,000\ \text{kJ}$ de plus que ce que ses aliments lui ont apporté. Ses repas n’ont couvert qu’environ les trois quarts de ses dépenses.

L’énergie qui a manqué vient de ses réserves : son corps a puisé dans le glycogène (une réserve de glucose stockée dans le foie et les muscles) et dans ses graisses, qui sont elles aussi de la matière organique. Un seul jour ne dit rien d’une tendance : si les jours suivants sont plus calmes, son bilan peut redevenir proche de zéro. Pour plusieurs jours de randonnée d’affilée, il devrait en revanche manger davantage.

5. On remonte le trajet de l’énergie, du Soleil aux muscles :

Dans le bananier : la chlorophylle des feuilles capte la lumière du Soleil. Par la photosynthèse, l’énergie lumineuse est convertie en énergie chimique, stockée dans les sucres et l’amidon de la banane.
Dans le tube digestif de Yanis : la digestion découpe ces grosses molécules en petites, comme le glucose, que le sang apporte aux cellules de ses muscles. L’énergie reste sous forme chimique.
Dans les cellules des muscles : la respiration transforme le glucose en consommant du dioxygène, et rejette du dioxyde de carbone et de l’eau. L’énergie chimique est libérée : une partie fait travailler les muscles (Yanis monte et porte son sac), la plus grande partie est dissipée en chaleur.

Le bilan de la respiration, pour le glucose, est l’inverse de celui de la photosynthèse :

$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\ \text{O}_2 \longrightarrow 6\ \text{CO}_2 + 6\ \text{H}_2\text{O}$

Dans la montée, ses muscles travaillent beaucoup : ils respirent davantage, donc dégagent davantage de chaleur. C’est pourquoi Yanis a chaud et transpire. Il respire aussi plus vite pour apporter à ses muscles plus de dioxygène et rejeter le dioxyde de carbone produit. L’énergie dépensée par Yanis a donc été captée, au départ, par des plantes : c’est la photosynthèse qui nourrit presque tout le vivant.

Réflexe à retenir : pour un bilan d’énergie, vérifie que les durées font 24 h, mets toutes les énergies en kJ, puis calcule apports moins dépenses. Conclus pour ce jour-là : c’est la répétition sur plusieurs semaines qui fait une tendance.

Je l’ai réussi (ta coche reste enregistrée sur cet appareil)

Les trois réflexes à retenir

Pour une plante, sépare la matière et l’énergie. La matière organique est fabriquée à partir du dioxyde de carbone de l’air, de l’eau et des ions du sol ; l’énergie vient de la lumière, convertie en énergie chimique. La lumière n’apporte aucun atome : elle s’écrit au-dessus de la flèche.
Pour un rendement ou une part d’énergie, divise la partie par le tout, dans la même unité, puis multiplie par 100. La photosynthèse ne stocke qu’une infime partie de l’énergie solaire reçue : de l’ordre de 1 % au plus pour une culture, moins de 0,1 % pour la Terre entière. D’un maillon à l’autre d’une chaîne alimentaire, la part stockée est souvent de l’ordre de 10 %.
Pour un bilan d’énergie, compare apports et dépenses sur la même durée et en kJ, sommeil compris, puis conclus avec prudence. Le bilan dit la quantité ; l’équilibre alimentaire demande aussi la qualité (vitamines, minéraux, fibres). Et une prévalence décrit une population, pas une personne. La carte en haut de page rassemble les autres repères du chapitre.

Exercices corrigés — La photosynthèse et l'énergie du vivant

Photosynthèse : d'où viennent la matière et l'énergie d'une plante

Chaîne alimentaire, énergie des aliments et équilibre alimentaire