Collège Notre-Dame de Jamhour • • • • Examen2 de physique (chapitres 6 ,7,8 et 9 ) Classe de 1ère S Durée : 90 minutes 2/ 6 / 2014 L’usage des calculatrices non programmables est autorisé . Cotation : 20 points. Soigner la présentation. Sauf indication contraire toute réponse doit être justifiée. Exercice 1 (3 points) Niveaux d’énergie d’un atome Notations : h est la constante de Planck (en J.s ) ; c est la célérité de la lumière (en m.s-1) ; λ est la longueur d’onde (en m) associée à un photon et ν ( lire « nu ») est sa fréquence (en Hz) . Données : (E2 – E1) > (E3 – E2) et (E3 – E1) > (Eétat ionisé – E2) On considère, pour un atome donné, les transitions représentées ci-dessous : Pour les réponses on utilisera les notations et données au début de l’exercice ainsi que les notations qui figurent sur le diagramme ci-dessus. On ne s’intéresse qu’aux transitions indiquées sur le diagramme . 1. Quelles sont les transitions qui correspondent à une absorption ? 2. Quelle est l’expression de la plus grande longueur d’onde d’un photon émis ? 3. Quelle est l’expression de la plus grande fréquence d’un photon absorbé ? Page 1 of 5 Exercice 2 (3points) Électron entre 2 plaques chargées Donnée : La charge élémentaire vaut: e = 1,6.10-19C . Le schéma n’est pas demandé . Un électron de charge q, de masse m, est accéléré, à partir de sa position de repos en A, entre deux plaques A et B d’un condensateur plan aux bornes duquel règne une tension UAB négative. Il est soumis à la seule force électrique constante. (Le poids de l’électron est négligeable et l’on considère qu’il n’y a pas de frottement) . a. Déterminer l’expression littérale du travail de la force électrique entre A et B . b. En appliquant le théorème de l’énergie cinétique à l’électron entre A et B , montrer que l’expression de la vitesse VB de cet électron au point B est donnée par : − 2eU AB VB2 = m c. En exploitant le graphique ci-dessous et l’expression trouvée en b. , calculer la masse m d’un électron . Page 2 of 5 Exercice 3 (7 points) Orbite de satellite et force de gravitation gz R T2 = 2 avec r = RT + z Données : g0 r où RT est le rayon de la Terre et z l’altitude de l’objet (ou satellite ) étudié . g0 (à l’altitude zéro) = 9,81 m.s-2 ; RT = 6,370 km La période de rotation propre de la Terre est T = 24,0 h = 86,4.103 s. 1. Au niveau du sol (à l’altitude zéro), la valeur de la force de gravitation sur un objet de masse m a pour expression F0 = m.g0 . F(r) est la force de gravitation sur un objet de masse m en orbite circulaire autour de la Terre r étant le rayon de son orbite. R2 Montrer que F(r) = m.g0. 2T . r 2. Le satellite H de télécommunication Hotbird 4, supposé ponctuel et de masse m est en orbite géostationnaire autour de la Terre. Sa trajectoire est circulaire. La force de gravitation est la seule force extérieure. Son mouvement est étudié dans le référentiel géocentrique . a. Quel est le plan de l’orbite géostationnaire ? (sans justifier) . b. Montrer que le mouvement est uniforme. Faire un schéma, sans considération d’échelle, sur lequel figureront la Terre de r r centre O, le centre H du satellite, la force F (r) et le vecteur accélération a . c. On désigne par v la vitesse linéaire de H. g R2 Montrer que v2 = 0 T r d. On désigne par TH la période de révolution de ce satellite . Exprimer TH en fonction de v et de r . 2 TH 4π 2 = r3 g 0 RT2 f. Application numérique : Calculer le rayon r de l’orbite et l’altitude z de H . e. En déduire que 3. Le système SPOT d’observation de la Terre est composé de plusieurs satellites en orbite pratiquement circulaire d’altitude égale à 830 km. Le plan de l’orbite est incliné d’un angle de 81,2° par rapport au plan équatorial afin que ces satellites survolent régulièrement les régions d’un pôle à l’autre . a. Un satellite SPOT peut-il être géostationnaire? (un seul argument suffit pour justifier la réponse) b. En exploitant la 3eme loi de Kepler (sans l’énoncer) , calculer la période TSPOT des satellites SPOT. Page 3 of 5 Exercice 4 ( 7 points ) Balle de tennis Les frottements sont négligés. Le mouvement d’une balle de tennis de masse m est filmé. Les images sont traitées par un logiciel adapté (Généris) . Ce logiciel fournit les valeurs (x, z, t ) avec x et z en m et t en s . r r Les coordonnées x et z du centre d’inertie de la balle sont relevées dans un repère (O; i , k ) défini par un axe (Ox) horizontal orienté vers la droite et un axe (Oz) vertical ascendant. La date t = 0 ainsi que les coordonnées x0 = z0 = 0 sont choisies sur la première image. Le logiciel donne les 4 graphes suivants . Page 4 of 5 I- En exploitant les graphes répondre aux questions suivantes : 1. Parmi ces 4 graphes, lequel représente la trajectoire de la balle? 2. Donner la nature du mouvement projeté sur (Ox) . Montrer que la valeur de la coordonnée vx du vecteur vitesse est : vx ≈ 2,2 m.s-1 . 3. Déterminer la valeur de la coordonnée vz (0) du vecteur vitesse à la date t = 0 . 4. Déduire des questions 2. et 3. la valeur de l’angle de tir (schéma explicatif exigé). II- Étude énergétique Rappel : Les frottements sont négligés et par suite l’énergie mécanique Em du système {balle, Terre} est constante. Données : g = 10 m.s-2 Le niveau de référence de l’énergie potentielle (Epp = 0) est celui passant par O . 1. Calculer, en fonction de m, Em0 (à t = 0 ) . 2.a. Quelle est la valeur de la vitesse de la balle au point S culminant (le plus haut) ? b. Quelle est alors, en fonction de m, la valeur de l’énergie cinétique EC (S ) de la balle en S ? 3.a. Calculer, l’altitude ZS de S en utilisant la conservation de l’énergie mécanique entre O et S b. Comparer ce résultat à la valeur lue sur l’un des graphes . Page 5 of 5