CONTROLE COMMUN DE PHYSIQUE DES SECTIONS BILINGUES

CONTROLE COMMUN DE PHYSIQUE
DES SECTIONS BILINGUES
FRANCO-TCHEQUES ET FRANCO-SLOVAQUES
Année scolaire 2016 – 2017
Bac rose (Brno)
Durée 3h
Le sujet est constitué de cinq exercices indépendants de même importance. Les candidats peuvent
donc les résoudre dans l'ordre qui leur convient, en rappelant le numéro de l'exercice et des questions qui s'y
rapportent.
Si au cours de l'épreuve un candidat repère ce qui lui semble une erreur d'énoncé, il le signale dans sa
copie et poursuit sa composition en indiquant les raisons des initiatives qu'il est amené à prendre pour cela.
Les correcteurs tiendront compte des qualités de soin, de rédaction et de présentation.
L'utilisation des calculatrices est autorisée dans les conditions prévues par la réglementation.
Plan du sujet :
1. Questions de cours.........................…
2. Exercice à caractère expérimental.....
3. Problème.........................................…
4. Etude de document.........................…
5. Questionnaire à choix multiple..........
Physique nucléaire
Détermination expérimentale du vecteur accélération
Le redresseur
Le nombre de Reynolds et le paradoxe de D’Alembert
Optique ondulatoire et quantique
Contrôle commun de physique
décembre 2016
Questions de cours
Physique nucléaire
1- Un noyau est symboliquement représenté par
A
Z X,
définir les lettres X, A et Z.
2- Expliquer la différence entre un « nucléide », un « isotope » et un « élément chimique ».
3- Donner les lois de conservation lors de transformations ou réactions nucléaires.
4- Ecrire les équations bilan des transformations radioactives d’un noyau
β– et γ. Dans chaque cas, nommer les particules obtenues.
A
Z X,
pour les radioactivités α, β+,
5- Donner la loi de décroissance radioactive. Définir chacun des termes de cette loi.
6- Citer la définition de la demi-vie. Démontrer l’expression de la demi-vie en fonction de la constante
radioactive.
7- Définir les réactions de fission et de fusion nucléaire.
8- Représenter sur un schéma l’allure de la courbe d’Aston en y marquant les domaines de fissions et de
fusions nucléaires.
9- Calculer le défaut de masse d’un noyau d’azote
14 N.
7
14 N.
7
En déduire l’énergie de liaison par nucléon de l’azote
Conclure quant à la stabilité de l’azote.
Données :
m ( 147 N) = 14,0031 u ; m (neutron) = 1,0087 u ; m (proton) = 1,0073 u ; 1 u = 1,66·10-27 kg ;
e = 1,602·10-19 C.
Page 2 sur 10
Contrôle commun de physique
décembre 2016
Exercice à caractère expérimental
Détermination expérimentale du vecteur accélération
Un mobile autoporteur, de masse m = 350 g, relié à un point fixe O par un fil inextensible et de
masse négligeable, se déplace sur une table à coussin d’air horizontale. On lance le mobile et on
enregistre, à intervalles de temps τ égaux, les positions Mi du centre d’inertie G du mobile.
On donne τ = 50 ms.
A un instant donné, on coupe le fil qui lie le mobile avec le point O. On observe ainsi deux phases
dans l’enregistrement, à l’échelle 1 : 4, qui est fourni en annexe page 10.
Excepté la question 5-d), les différentes parties de cet exercice sont indépendantes.
1- Donner l’intervalle des points de l’enregistrement correspondant à ces deux phases.
2- a) Quelle sont les caractéristiques du vecteur accélération pendant la deuxième phase ? Justifier.
b) Quelle est la nature du mouvement dans la deuxième phase ?
c) En déduire la somme vectorielle des forces pendant cette deuxième phase. Justifier.
3- a) Représenter sur un schéma les force appliquées au mobile au cours de la première phase du
mouvement.
b) En déduire la direction et le sens de la somme vectorielle des forces extérieures appliquées au
mobile.
4- a) Déterminer le rayon R de la trajectoire pendant la première phase.
b) Calculer les vitesses aux points M8 et M12. Comparer ces vitesses.
c) En déduire le mouvement du mobile pendant cette première phase.
d) Donner l’expression du vecteur accélération dans le repère de Frenet.
e) En déduire la valeur du vecteur accélération pendant la première phase du mouvement.
5- a) Tracer les vecteurs vitesse v8 et v12 , en utilisant l’échelle : 1cm ≡ 0, 2 m ⋅ s −1 .
b) Tracer le vecteur ∆v = v12 − v8 au point M10.
c) En déduire les caractéristiques du vecteur accélération a10 au point M10.
d) Comparer ces résultats avec ceux des questions 3- et 4-.
e) Quel théorème est ainsi mis en évidence ? Justifier.
Page 3 sur 10
Contrôle commun de physique
décembre 2016
Problème
Le redresseur
On fait l’étude d’un instrument optique, appelé « redresseur ». Il est constitué de deux lentilles L1 et L2
convergentes identiques de diamètre 4,0 cm et de distance focale 3,0 cm. Les deux lentilles sont placées sur
un même axe, à 6 cm l’une de l’autre.
On place à 2,0 cm de la première lentille un objet AB de hauteur 1,0 cm, le point A étant sur l’axe commun
aux deux lentilles.
1-a) Calculer la vergence des lentilles utilisées.
b) Que peut on dire du foyer image de la première lentille et du foyer objet de la deuxième lentille ? Justifier.
c) Donner, sans faire de calcul, les caractéristiques de l’image A1B1 donnée par la première lentille. Justifier
avec un schéma.
On note O1 et O2 les centres optiques, F1 et F2 les foyers objets, F’1 et F’2 les foyers images des lentilles L1 et
L2.
2-a) Tracer, sur papier millimétré, un schéma à l’échelle du redresseur.
b) Placer l’objet AB et construire l’image A1B1 donnée par la lentille L1 en utilisant trois rayons principaux.
c) Retrouver par le calcul la position O1 A 1 de l’image A1B1.
d) En déduire le grandissement γ1 par la lentille L1.
L’image A1B1 sert d’objet pour la lentille L2, qui forme une image A2B2.
3-a) Construire, sur le schéma de la question 2, l’image A2B2.
b) Retrouver par le calcul la position O 2 A 2 de l’image A2B2.
c) En déduire le grandissement γ2 par la lentille L2.
d) Calculer le grandissement γ de l’image AB par le dispositif L1 et L2.
4-a) Recalculer les positions O1 A 1 et O 2 A 2 des images A1B1 et A2B2 d’un objet AB placé cette fois à 1 cm
de la lentille L1. Vous pourrez réutiliser, sans les démontrer, les expressions littérales de la partie 2 et de la
partie 3.
b) En déduire les grandissements γ1 et γ2 par les lentilles L1 et L2.
c) Calculer le grandissement γ de l’image AB par le dispositif L1 et L2.
Conclure en tenant compte de la question 3-d).
d) Expliquer le nom « redresseur » donné à cet instrument optique. A quoi peut-il servir ?
Page 4 sur 10
Contrôle commun de physique
décembre 2016
Etude de document
Turbulences : le nombre de Reynolds et le paradoxe de D’Alembert
Le nombre de Reynolds, du nom d’un grand scientifique anglais, est le rapport UL/ν, où U est une
valeur typique de la vitesse de l’écoulement, L une longueur caractéristique et ν la viscosité cinématique du
fluide. A bas nombre de Reynolds, on a ce que l’on appelle un écoulement laminaire, tel par exemple
l’écoulement autour d’une sphère en translation uniforme dans un fluide au repos à l’infini. Lorsqu’on
augmente ce nombre de Reynolds, l’écoulement devient dépendant du temps, pour atteindre un état de
turbulence développée aux très grandes valeurs. Autour d’une voiture rapide ce nombre de Reynolds vaudra
typiquement 104-105, et bien davantage autour d’un avion de ligne.
REYNOLDS avait montré que deux écoulements de même nombre de Reynolds et dans lesquels les
géométries sont homothétiques sont en fait les mêmes à des transformations d’échelle près. Cette grande et
simple idée est celle qui permet de faire des essais en soufflerie avec des modèles réduits : diminuant la
taille, on a le même nombre de Reynolds en accélérant l’écoulement dans un facteur inverse de la réduction
des longueurs, si le fluide a la même viscosité. […]
Une tentation à laquelle il ne faut pas céder serait de simplement annuler la viscosité si le nombre de
Reynolds est grand. On retrouve alors un des grands paradoxes de l’histoire des sciences, le paradoxe de
d’Alembert. Dans une limite qui peut s’interpréter comme celle d’une viscosité nulle les Principia de
NEWTON (1686) montrent qu’un objet se déplaçant dans un fluide est soumis à une résistance proportionnelle
au carré de sa vitesse, une loi qui se vérifie avec une bonne précision. Cette loi fait apparaître le fameux Cx,
qu’on essaie d’abaisser en profilant les voitures. La traînée est proportionnelle au produit de la surface
frontale par la densité massique du fluide et par le carré de la vitesse relative par rapport au fluide. Le
coefficient de proportionnalité, un nombre sans dimension, est le Cx (x parce que c’est la force selon l’axe
des x, direction du déplacement).
Cette loi de Newton explique bien pourquoi une voiture consomme bien davantage lorsqu’on passe
d’une vitesse moyenne de 90 km/h à 130 km/h : la traînée augmente comme le carré de la vitesse, de même
que l’énergie dépensée pour un parcours donnée ! Or d’ALEMBERT montre que la solution des équations des
fluides parfaits (des équations d’Euler) donne un Cx exactement nul. Un résultat qui semble en contradiction
à la fois avec l’expérience et avec NEWTON, ce qui est beaucoup ! Le lien entre ce paradoxe de d’Alembert et
la réalité physique reste une question mal comprise.
(extrait de POMEAU Y., Chaos et turbulence, Le Bup, juin 2005, n° 875)
Remarque : 5 points seront attribués à la qualité de l’expression, de la syntaxe et de l’orthographe.
Questions :
1- Citer quatre scientifiques qui ont étudié l’écoulement des fluides.
2- De quels paramètres, la traînée F d’un milieu fluide dépend-elle ? Exprimer F par une formule.
3- Parmi les paramètres cités, quels sont ceux qui peuvent être modifiés par la forme de l’objet en
mouvement ?
4- Combien de fois, la traînée augmente-t-elle lorsque la voiture passe d’une vitesse moyenne de 90 km/h à
130 km/h ? Justifier.
Expliquer pourquoi ce résultat permet d’expliquer pourquoi une voiture consomme bien d’avantage à 130
km/h qu’à 90 km/h.
5- Déterminer la dimension (l’unité) du nombre de Reynolds en sachant que la viscosité cinématique
s’exprime en m2/s.
6- Comment appelle-t-on un écoulement qui ne dépend pas du temps ? Comment peut on qualifier un
écoulement qui dépend du temps ? Donnez deux exemples où l’on a ce second type d’écoulement.
7- On construit une maquette de voiture à l’échelle 1 : 6. Comment faut-il régler la vitesse de la soufflerie
pour obtenir un écoulement équivalent à celui de la vitesse réelle de 60 km/h ? Justifiez la réponse.
8- En quoi le paradoxe de d’Alembert consiste-t-il ? A-t-on résolu ce paradoxe ?
Page 5 sur 10
Contrôle commun de physique
décembre 2016
Questionnaire à choix multiples
Optique ondulatoire et quantique
Les questions qui suivent n'admettent qu'une seule réponse correcte. Aucune justification n’est demandée.
Sur votre copie, écrivez le numéro de la question et la lettre de la proposition choisie, p. ex. 1C, 2A, ... etc.
On donne : constante de Planck h = 6,63·10–34 J·s, électronvolt 1 eV = 1,60·10–19 J.
1- Quelle propriété ne possèdent pas les ondes électromagnétiques ?
a) la dilatation,
b) la dispersion,
c) la réflexion,
d) la réfraction.
2- On peut obtenir la figure de diffraction ci-contre avec :
a) un trou circulaire de même dimension que la longueur d’onde,
b) une fente horizontale de même dimension que la longueur d’onde,
c) une fente verticale bien plus grande que la longueur d’onde,
d) un fil vertical de même dimension que la longueur d’onde.
3- Dans lequel de ces cas est-il possible d’obtenir des interférences destructives?
a) si la différence de marche est un multiple de la longueur d’onde,
b) si les ondes proviennent de deux sources différentes,
c) si les ondes arrivent en opposition de phase,
d) si les ondes ont des fréquences différentes.
4- Quelle série de domaines d’ondes électromagnétiques est classée selon des fréquences croissantes :
a) ultraviolet – infrarouge – visible,
b) ultraviolet – visible – infrarouge,
c) infrarouge – visible – ultraviolet,
d) infrarouge – ultraviolet – visible.
5- La nature corpusculaire de la lumière se manifeste dans
a) l’effet de Compton,
b) l’effet de redressement d’une diode
c) l’expérience de Young,
d) l’expérience de Torricelli.
6- Choisir la proposition correcte :
a) L’énergie du photon dépend de la masse de celui-ci suivant la formule E = mc².
b) L’énergie d’un photon dépend du milieu.
c) La célérité d’un photon dépend du milieu.
d) La célérité du photon est dans chaque milieu égale à c.
7- Le photon interagit avec
a) un champ électromagnétique,
b) un champ électrique uniquement,
c) un champ magnétique uniquement,
d) des systèmes de particules.
8- Choisir parmi les rayonnements ionisants celui qui n’est pas réalisé par un flux de photons :
a) rayonnement infrarouge,
b) rayonnement électromagnétique,
c) rayonnement γ,
d) rayonnement β
Page 6 sur 10
Contrôle commun de physique
décembre 2016
9- Un photon de fréquence de 7,5·1014 Hz a une énergie de
a) 3,11 eV,
b) 7,96 eV,
c) 7,96·10–38 eV,
d) 3,11·10–38 eV
10- Un photon rouge de longueur d’onde de 750 nm dans le vide a une fréquence de
a) 7,5·1015 Hz,
b) 4,0·1014 Hz,
c) 7,5·1014 Hz,
d) 2,25·1014 Hz
Les questions 11 à 13 se rapportent à la figure ci-contre qui représente les niveaux d’énergie de l’atome
d’hydrogène.
11- Le photon créé lors de la transition du 3e niveau excité au niveau
fondamental a une énergie de
a) 12,09 eV,
b) 12,75 eV,
c) 14,41 eV,
d) –12,09 eV.
12- Un photon d’énergie de 2,00 eV arrive sur un atome d’hydrogène qui est
dans le 1er niveau excité.
a) Le photon est absorbé, l’atome passe au 2e niveau excité.
b) Le photon est absorbé, l’atome passe au 3e niveau excité.
c) Le photon est absorbé ou bien il n’interagit pas avec l’atome.
d) Le photon n’interagit pas, l’atome reste au 1er niveau excité.
E (eV)
0
– 0,85
– 1,51
– 3,40
– 13,6
13- Un électron d’énergie de 2,00 eV arrive sur un atome d’hydrogène qui est
dans le 1er niveau excité.
a) L’électron peut céder une partie de son énergie, l’atome passe alors au 2e niveau excité.
b) L’électron peut céder une partie de son énergie, l’atome passe alors au 3e niveau excité.
c) L’impact de l’électron provoque l’ionisation de l’atome.
d) L’électron peut céder une partie de son énergie, l’atome passe alors au niveau fondamental.
14- Le faisceau de lumière laser est
a) divergent,
b) convergent,
c) cohérent,
d) pétillant.
15- Celui qui a proposé le premier au monde de modéliser la lumière par des quanta est
a) Albert Einstein,
b) Enrico Fermi,
c) Max Planck,
d) Mirek Kubera.
Page 7 sur 10
Contrôle commun de physique
décembre 2016
Page 8 sur 10
Contrôle commun de physique
décembre 2016
Page 9 sur 10
Contrôle commun de physique
décembre 2016
Questionnaire à choix multiples
Optique ondulatoire et quantique
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
a b c d
a b c d
a b c d
a b c d
a b c d
a b c d
a b c d
a b c d
a b c d
a b c d
a b c d
a b c d
a b c d
a b c d
a b c d
Page 10 sur 10