I.yaie Majida Boulila Pr Khaled Mtbâa Serie Physique N"I 4tu Dipôle R-C Science - Math - Tech N"l : Exerc ice Exüience l E.(10-j-n On realise un circuit électrique, comportant en série, un générateur ideal de courant débitant un courânt d'intensité constante =0,2mÀ, I un Fisure 1 g intemrpteur K, un condensateur de capacité C inconnue et un voltmètre. A un instant pris comme origine des temps ( = 0), on ferme l'intemrpteur K 6 et on suit l'évolution de la tension u", aux bomes du condensateur au cours 4 du temps, ce qui a permis de tracer la courbe d'évolution de l'énergie électrique E" emmagasinée dans le condensateur en fonction du carré du z temps. (figure 1). l"/ Representer le schéma du montage qui permet de suivre l'évolution de la 0 tension u. au cours du temps. 2ol a) En exploitant le graphg determiner la capacité C du condensateur. b) I.a tension de service de ce condensateur est Us = 50V.Pendant quelle I t:(s:) I E 12 16 V \ d\lo\ charga ce ^. r',rdffiüË'--*[iffi igY,:',':'UtrS]r"**querasurrace Pour vérifier la valeur de la capacité C de ce condensateur, on réalise le montage suivant formé en séne r @igure2) !H,:Ë.,îf*ftii:i,*k'"*'.O * il5#'*"*decapacitécinitialerne"qdfà.\' **'î§Q) *,,.i, [k#ffiiiî;î"' .' Fisure 2 1 Hx'ff ,*n:'îitiffi ;l$"dts*,i*:tr#* bomes du résistor R, nous donne la cortül4a o/ Reoroduire le schéma du cicüf,et farre pour visualiser ces 2ol a)C)rrelle est la courbe o[i I jpiquer deffins,æ Justiiiàrhréponse. fr ftsnond ffi les comexions à u"(t) aufurgfs duLndensateur lcasioas §) à la tension un(t). Cor Ebè 8 possède ra même J1,,1ïlffi §ff ff :".iïTïoo'' a) LffiÏÊ.|'éqlttion différentrelle vérifiee par la tension ",, 3.l E figure 3. lL duô+ ,rrË c t- Ë dt RC 'RC b) La solution de cette équation différentielle est f ") u.(1)=A l1-r' I Exprimer Aet r en fonction des données. : Cou 'be .l au cours du temps s'écrit I \ (qls I 0 I Figure 3 \/ c) Deduire I'expression littérale de un(t). d) Determiner graphiquement la valeur de r en précisant la methode uûlisée. Déduire la valeur de la capacité C. 4'l Déterminer l'énergie Er dissipee par effetjoule dans le résistor à la fin de la décharge. Cette énergie Er varie+-elle si on remplace R par R' = 2R ? Justifier. Photoco r llohdi Rte l,tdhdio Km5 52 985 410 Pogc 1 sur 60 4 '= 5ol On remplace le résistor R par un résistor !2 et on le condensateur avec un génerateur de -ge "t :2E. f.e.m E' Dire si le condensateur se oharge plus vite, moins vite au de la même maniere que dans le cas précedent. Justifier. 6ol Determiner I'instant tr pour laquelle C(t)=+ ). avæ,Qo=gA. Exürience 3 On desire visualiser sur l'écran d'un oscilloscope analogique l'évolution de la tension u"(t) aux bomes du condensateur lors de sa charge. On remplace le générateur de tension par un GBF délivrant une tension en créneau uc(t) figure 4 d'amplitude a E:8V l"/ Déterminer la sensibilité verticale. 2"/ Calculer la fréquence N de la tension uc(t). 3"/ Justifier en faisant le calcul nécessaire est ce que les valeurs de R et C util convenables ou non pour visualiser la charge totale du condensateur. Figurc I I I SV : XV par div SH : 5üs par div I I erctce sont I I a I ! I GBt I t I I I I I I I I I R I I I I I I I 0 Exercice N"2 : Expérience I : On se propose de e : 0,25mm de Le gen un capacité C d'un condensateur plan d'épaisseur S, pour ce-fait on realise le circuit de la fig-l te un courant constant dont l'intensité est I 0,02mA, a condensateur par I'intermédiaire d'une interface de prise de données courbe de la figure 2 qui traduit les variations de la tension u. aux bornes condensateur en fonction du lem ps: 1ol a) Etabli hiquement l'equation de la droite u. = f (t) b) Verifier théoriquement la forme de cette droite. En déduire la valeur de la capacité C. 2ol Sachant que la permittivité absolue du diélectrique constituant [e eF.m I condensateur est e =3,537 .10 , calculer S. 3ol Calculer l'énergie électrique emmagasinée par le condensateur à t: : :0 Figure I Fisare 2 1s 10 ls la charge portee par l'armature B du ,/ lt 15 -1I / condensateur. I 0 Itohdi Rtc r[ohdio (!D5 B u.(rr) c) 4ol Déterminer à l'instant tr _t : J_ l- t(s) 12345 Poge 2 sr!' 60 ExrÉience 2 : læ condensateur précédent de capacite C = 5.10{F préalablement décharge, est branché dans le circuit de la fig-3. I. On donne le graphe de la frgure - 4 traduisant les variations de l'énergie électrique Ec en fonction du ternps 1o/ : Montrer qu'il s'agit de phénomène de charge du condensateur. 1K T-R'I 2ol Indiquer le sens réel du courant électrique et le sens de déplacement des électrons 3'l a) ,'"1 z Etablir l'équation différentielle en fonction de q(t) régissant le phenomène réalisé et montrer qu'elle peut s'écrire sous la forme 4=L,o Figrue 3 q dr R' c ) \ / l. \ :0s. b) Deduire I'expression de l'intensité du courant à t c) Vérifier que q(t): C.E (1 - e ' ) est une solution de l'équation différentielle precédente et déduire l'express lon r der. 4'l a) t \ \ \ I a N I Etablir I'expression de l'énergie électrique Ec en Fisure J \ I a fonction temps. b) tr. l"/ Déterminer les valeurs de E et de r . En déduire On bascule l'interrupteur sur la position 2 Preciser [e phénomène physique qui se : eau du condensateur à la fermeture de I'interrupteur K, 2'l Exprimer la constante de temps , 3"/ Preciser en j ustifiant si le t ondeR,R'etC est égale supérieure ou inférieure au temps de charge du condensateur. ion aux bornes du condensateur au cours 4"/ On donne r" (l ) = üx. celle de ur,(t) tension aux bomes de de ce I' IIIIIIII I résistor 0 II graphe de la figure -5 qui représente les variations 5ol On I du temps. un'(t) en Déterminer graphiquernent la valeur de la constante temps z ', expliquer la méthode utilisée. D#uire la valeur de R'. 6"/ Sur le graphe precédent, représenter I'allure de la courbe de variation de la tension aux bomes du résistor R' si on double la valeur de R'. 7'l Calculer l'énergie dissipee par effet joule dans chaque résistor ,(s II II IIIIII I IITIII IITIII IITTIIII IIIIIIII 't -3 I Figrue 5 R a R' à la fin de la décharge. l ohdi Rt. Krn5 ^,lohdio Poge 3 slr 60 Exscice N"3 : Le circuit élecfique representé par la figure 4 est constitué des éléments suivants : * Un générateur de tension ideale de f e.m. E. ï Deux résistors de resistances Rl :200f) et R2 inconnue. * Un condensateur de capacité C initialement dechargee. * Deux interrupteurs ouverts Kr et Kz. * Un oscilloscope à deux voies. I. A I'instant de date t : 0s, on ferme l'interrupteur Kr (l'intemrpteur K2 reste ouvert). 1ol Expliquer le phénomène qui se produit au niveau du condensateur à la fermeture de l'intemrpteur K. 2"/ CompléEr, sur la figure l, le branchement de l'oscilloscope à deux voies pour visualiser (r": ) sur la voie Yr â * La tension uso(t) aux bomes du résistor Rr(unr : Rr.i) sur la voie -l'. (Yz avec in * l,a tension uee(t) aux bomes du condensateu. t lK;i ï r C - TE} B ..8-c.. / Justifier I'inversion de signe de Yz pour visualiser la tension r Définir la constânte de temps d'un dipôle RC. 4"/ a) Montrer que l'équation différentielle régis la dimension d'un temps. aux bome du condensateur s'écrit 3o du dt + u signe) I L' ) D a A -----..--'t a : ti avec rl u I C tt l,a solution génerale de cette t't b) la forme uc(t) = A. e "' + B. Montrer t que u"(t):E(t-""') 5"/ Sur la voie Yr, on obtient variations de la tension uc(t) aux bomes du condensateur la representee par I a figLre 2. En exploitant la courbe, m E et la valeur de la constante de tempsr, du circuit. En deduire la valeur de C 6"/ a\ Montrer que ua différentielle régissant les uc(v) variations de [a tensi cours du temps peut s'écrire I0 I sous la 0 avec r, R1C. Rl- Montrer b) c) d) ^,(r\ = Ee = I rl 4 remarquables. Determiner l'instant tr pour lequel la tension u.(t) est 2 égaleàu^,(t). I Exprimer u" en fonction de E, tr et t. En déduire le pourcentage de charge du condensateur aux instants: tr et tz : 6,6 tr I 7 6 sur la figure I'allure de la courbe unr(t) visualisee par Y, en precisant les valeurs des points II. I 9 3 0 { It il { 0.2 0.4 0,6 0.8 /tlohdi Rt€ *lohdao l(m5 1 Figure 2 Lorsque le condensateur est complètement chargé, on ouvre l'intemrpteur instant choisi comme nouvelle origine de ternps (t 0s). : t(s) I Kl et on ferme Kz à un Pog" 4 §u. 60 1ol a) Ecrire la loi des mailles correspondante. b) Monter qu'à la daæ t = 0s la tension unz = -E. ! 2ol La tension aux bornes du résistor Rz est donnee par I'expression u^r(t) = -Bs " avec r, : RuC Sachant qu'à la date t = 0,35s I'energe électrostatique restante dans le condensateur est E" = 12,5.10-3J, déduire la valeur de Ru (On prendra : C = I mF et Ln(0,5) = -0,7). 3"/ Calculer l'énergie dissipee par effet joule dans le résistor R2 entre I'instant t: 0 et l'instant de date ît= tz. Exercice N"4 : Le circuit électrique representé par la figure ci-contre est constitué des éléments suivant : * Un générateur de tension idâl de f.e.m E. 1 Deux rêistors de resistance Rr et Rz. 1 Un condensateur de capacité C =lpF initialement dechargé. * Un commutateur K. I. E E Rl A l'instant de date t:0, on place le commutateur (K) dans la position 1 Fieure) 1"/ Que se passe-t-il dans le circuit. 2"/ Compléær sur la (fig2) le branchement de I'oscilloscope à sualiser i la tension z,- (l ) aux bornes du condensateur sur la voie Yt * I-a tension rz^ (l ) aux bornes du résistor sur laÈ;voie (Y Justiher l'inversion du signe de Yz pour vis uali ^,(t) 'elle a la dimension d'un temps 3"/ Définir la constânte de temps d'un dipôle R 4'l a) Etablir l'équation différentielle b) l,a solution générale de cette 5o/ Sur la voie Ae -* +B zr(17 ant{Fig3) E (Justifier), f. Déduire [a val b) Déterminer (t): =RrC Yt on obti a) q du condensateur on Montrer que S(t\ =Q^Q t ô [a valeur de la constante de lre c) utilisée leur de Rr sur la (Fig3) I'allure de la courbe de zr, (/ ) 6ol Rep visualiser par I/, r) i - l/ n ll 5) 00: 0.6 en précisant les valeurs des points I Fiswe3 remarquable. 7"/ Calculer l'énergie emmagasinée par le condensateur lorsque la tension enûe ses bomes est u c = lI. 1"/ 21,t R, A une date pris comme nouvelle origine des temps on bascule le commutateur sur la position 2. a) Quel est le phénomène râlisé. b) Montrer que l'équation différentielle régissant zo, a pour expression À,tahdi 41 Rt. üohdio Km5 : Pog€ 5 slr 60 ( u. du. ----ll-L --lr t+& '1. .Rl = 0 avec r^ = r, + dr r, 2ol En utilisant la loi des mailles montrer tension au bome de R, s'exprime 0 I pr -r' Z=I I I g. -0.5 3ol On donne sur la (fig4) la tension au bornes de Rr au cours du temps. a) Déterminer la valeur de la tension aux bomes de Rr à t : I Fipure IH + 'l a 0s. b) t II tlII I I II I I I qu'a la date t = 0s la u*, = -+ En déduire la valeur de r, ainsi que la valeur de Ru. Exercice N"5 : Dans le but d'étudier la charge et la décharge d'un condensateur de capacité C, on râlise le circuit électrique de la figure.3 ci-contre, formé par un générateur de courant d'intensité constante I = E mA, trois cond ohmiques de resistances Rt, Rz et Rr, condensateur de capacité C i déchargé et un commutateur K. I. A un instant de date t = 0, on bascule le commutateur K en Figür. - 3 Un système non représenté permet d'ouvrir le commutateur K à t = A l'aide d'un système d'acquisition approprié, on suit l'évo on de tension aux bomes du générateur et celle aux bornes du conducteur ohmique de resistancgRz. t les courbes (a) et (b). (annexe figure-.|-) 1"/ a) Sur la partie concernée du circuit (annexe figu les tensions aux bomes des différents dipôles et le sens de déplacem ons. b) Montrer que la courbe (a) correspond à I aux bomes du générateur c) Utiliser les courbes (a) et (b) pour expressions de uc et ua, en fonction du temps d) En e) 2"/ Déterminer la valeur changer la valeur de Rr ou II. A lir appliquant la loi des maill générateur en fonction de Rr, Déduire les valeurs de R1, A un instant pris I'aide d' prendra l'expression de la ænsion uc aux bornes du I,C queC=5.10-3F. uc aux bomes du condensateur aprà l'ouverture de K. Doit--on cette valeur plus rapidement. nouvelle origine du ternps on bascule le commutateur K à la position 2. mémoire on visualise Ia tension zp,aux bornes du conducteur ohmique de uc aux bornes du condensateur. On obtient les courbes(annexe figure-7-). On = r0û0 O. (annexe 1," I sur figure-6-) les connexions avec l'oscilloscope 2" / a) En appl1 uant [a loi des mailles au circuit, montrer que (R, + Rj) u*,(t) + It2uc (t) = 0 et vérifier que sul u*.(q:b) c) # Montrer que l'équation différentielle vérifiee par i est donnée par "fr : +i=Oarec"=(R,+R)C. I-a solution de I'equation differentielle précédente est i($: A.s-ot. Determiner les expressions de A et o. d) Determiner à partir de I'une des courbes (annexe figure-.7) la valeur de R:. D&luire la valeur de t. ilohdi Rr? flohdio &î5 Pog. 6 srr 60 Tc rnl 1') :l Ir I I C I ttG 0 Figure-,1 I I Figure-6 Figurê-5 (s uc(t) Figu \ I I \ \uIr(t) ohdi Rtc lÂohdio Kn5 I I a rtJ ! Poge 7 str 60 Dipô'le RC I Phlsique Buc:S-M-T Série 900 2017 - 2018 €5er.re- |CS Eeccâ:uen ce l 1Ë) _S w 1» e C Xe. a 4 a x5 C ï or o -lJ T L=cîJ--.-F"n , *+jffiH#ot$qQ- -l {3) à e/* J" w(Lÿ4 4:" =ê o -8tô n[r,t o -)6 Ee- = 5. Jo-q. ti ^Ex.oeüerr cu v E =5. t, 2) â § @) c_ q- À"1Bn^r -) qr c- Èq.= ;2- Ierà,Àn §r T =T a'a ,L" -4 ^,- 'o C- '|l8" .ff,J*"t$. trn lrtorrrieb-. lô4 = ap.)ô3 "21o. c § P 5 *tr. aC- C. C L\c- :E 6 §o » lo â Àq t o t-I* r1 E Jle+,[le-Ë=o t&1 ,t( e -r R.r" = E oux}\e=US=5Tl{ L lô ,tô F. <"nq -Àlc- = t-- ,J J q^ Jlc.oR"H; d"tc. , L[c- - E Ë TF-Eë- EE Poge 1 su 14 la : A-Ad J*q = zA e rl. -t," (l) )t )l( {c=d-cEz22 -*]wï= * ê7cd-l- * *r1pl" C. R C. Llr A ;tlc-J-., A A.eL. -.tRc AC * çlc Ae A RE z 4 àt-s-À,1" p RC Ea A= z --l-Po)\ + t?c Rc I c p4 rrc /b t$*- t d.o.", r6 J- :) C= _=E 6'/ § P e- )r, wrî-e..m Rçnn N I*__ pl^* Q^Àr^.o\erL\-s 3r dôl''ÿî5J.X, c -! lôsF .2,'R- flc- Or= -/t *)* . -=Q,C I 92.5R'C=J,SRC P''* Rf , + er)&2 -l&=Jt.l)S rh= o g'*A E ,t q\e- Vqrie_ R. t"- ), OIJùQ<:- e"Q eÿ1 B*5 GJ =Ë -Ë_baE l,-, nQ- ) & ol.o^,*. J" -r.t+) e E ,4t "28 V.r -Ë, -Ë è *rf -x I on Jlq -rrltg = E .-uF Ll- ) = Ë + =er =*cE -§ 2, fr=Ë =) e-"{-tc=o aÉ &2- . h,l o 3 E, Ë R , Ue- : *c(Elu* R.C- ,t- Ë. Lf) ^Ed = Ferr**^- l§o 3 -t vt*\e. §g 1(1) = s d"u*Lt) = rQ- e e -u C -â c t */c Ê. ,rl - CE 2) )= z -4J 2 { {) L", e, =- L-C) 4 2. Pogc 2 sr 14 -U = L- (.*) Lr = -Y.L.\+) 6 / o-3 L4 t, §l. :, tt ) 6 /1* 1 trN q cF-d" a V *x \t ou Ic ,LL)Tc,Ë{ It v BV )r )r-eÀou d,n*- C"pr*b$eh * J-.tr^ IC .-&&' \^/) e J,3 e, a §Coo= ;drc Csrre/o gV. Doux # d^b I r;; tô' $#rJ* rË= l[= \ r3] CL ^l -T. !. tô& N="s% "J*§&"L 9= sY 9= ExG /À . §Y\ tnq. 2t =€, ï ,2, Q.* A^ Q-e,l-c, n Poç 3 sr 14 nt9g Ex -:=É -,re\d -c kI =ÀA J e.t..,L *ro- =Jrry îia^"JE- u*;* üef Jle = aL-t (ll-14-e- utr , --o oh= â,o 5-o ..Àc = I{.L -G ô I(s) -5') 2".)6 5 c_ u.'cJton = h Y.§l Lt = l1[o; pet lgx 7-) -T- @ {} on* t bCe.;l'1 J,_l"S^,,* Jle- -o}"elul.\ )r"J* h*'§=?Grh 8ytcl T- ota 1è c JLI =,,1 4O 2J Llc- 6x l3e. = {zx 5 lôl+ O g É .L es.lf 3+ /G lsil"l"r' q { R tt4 E ue -!-.2 l+ ,A ,' -{"lg = Ee= n è 3)"\ ,s Ee: e I h s 3= {* î ST (- J,Ë -? 2.lo] e-x9 C e. Cxg- _9 ee- t-*t*Lo-,tO C- C= , Io qs§hÀ Ïhllr'",-LQ"- t- r d"^h I 4 .t d"* r- f*"dtnÀ o^^"t1, J. ELIT E:, C- J* èB^§(J..=$o", 1==.t B r L L2- on .8.: -,{oe r-t Uc- (+ t à9 L**'noh*.--gJ ) Pogc 4 sr t4 §.,,§. -t ot§l=o drF;[") = * Q-E CE C JJ- Ëc- (, 1 L é')" ÿcEà (,r - -- B \ôs xh., G nf ,Ee- = 3, Ê'r^" ô- t,tr =QE-QÉe L/u Jo Ë e- = 1=o e>YIa( + "1 t+) .&+= \")=H )*,. # e e J LE ?T o T- J§q r-# ) = Ê,'. C. , €rf,r À" l-E \z eY.It 'rtÈ e Eq =.J T J- J^.c = Rl-ro = Q,l. o -æ ex|-rr* -M l- t- t R("+ §C= 6,RC S2"5C =ô §n§' R-c (- c_ -. + 45 39 "# e à .lob c XDtr^â e a! 0rÿ R+R ')"{ J+t L R,. E R+A/ e e C ) € ZI I t [. ( Àô ,-§ aa tlr1* EC, - g. lo -r- .L ot Ec. /-= E: c = Wb: s.lôÿ /t l;) 2x 3. Âô 5 i;È e GV /{c c =rU J .L '=h* RJ"C Q, 6l ÿg C1 -,.1"ç = ;os*raPogc 5 sr 14 Ê .sr e,tr L., Ltr Y"=kn*R) c (.'= BRC = \" *\oo, U ql e or q=ql 3.,1.rÿ.5t;6 = .1,.ÿ r. d R +lR, . *R' U=.) = A*, t+{= E 3 Q.' -.LR' e. §I=r' f{Ê, = a Âpl = - h, olri =-r,'l+8 ÿ o ooL -+-Fâo --l.,tpl =O uR' (sL) r Etr { e tlc=o L Ê r *t"1^. or rË) U =-ËL \d -L 2-. ort N{, = gxâ=-hÿ 3 e = SctE*- J*e t-/ Pi1 àl to, U ,&R, I N onR =R I d"F $c vl/ Es= I T €.ÿ/ QE 2) r J -G - hs./ "=.J lh< Pogc 6 sr 14 ÿl ,ns L e6od a-=A ({--r7td g= (+) (+ -ê à '(A=* ü * .,ê f- -- (tl'n' ta- fu.l=[à<=au= t-=U T'l - o=(o)à5ç1 .=ts c=8+u +' q.+v = tqrn\ f1 h -4, ÿ =-P 6 \3 "î),o !- l) 2 I "l^'o- I P \r8 '!rÂm.^1rft a*o? ln ldp lÿ( U ( ?' *l' =fn",,J'p +o? ft+Y- .f> 2 : a 2_ à (z F/ ?U g + \T )cT 22:a ' I}ev + aüF- fT*'dl, I "{)o- b i,-ev qs r/ ftoÂte ( 5-=11n , TT"*P t rc/*,lx a C aup-: {P ,drr 1 -.,|)o- sî,-e V : 'àîr etq f ,/r* 3 l U + ,nF =D'f \ Jô a td ?n- + I8,T ,fO A='l-ha {wro ,(D \.lr',I^'TrD j+ I ? 3=; u*a ,*l-.+ ,,(Q o=I-Hf{nèrr I 1r- b- -§tïk,t ruP-:t ? ?rL :_n__ :"ü"try!:o6@ "r 1qa D 'sàqmÊ*,1 1' \rrlo-"YT l6 =3f I 2ry 2 t{** Çx3 6E\ - E-^ LJ "-d,t-* uo[v ) §eluYnclo"rl.I' E =tlc$-=tr(.ov lo *Jl,,"ttt-hry,;t .E? no,a o 5 q= Its o gÀ err qq .C? +e- =) C -C= orL = 1.16 3 69\ \J)-ql t-J *o- E P, t- t{-)-h/&,tI) Cg.- * 4-s, = dtCtA dJ-- * âuÈ Jl^ -s + E ruÊtl) = Ë _tr e -*L1- :L,'. 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