Sujet de bac physique FR 2012

BACCALAUREAT EUROPEEN 2012
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DATE : 13 juin 2012
DUREE DE L’EXAMEN :
3 heures (180 minutes)
MATERIEL AUTORISE :
Calculatrice utilisée en mathématique en mode « Press-to-test »
et
calculatrice (non programmable et non graphique)
REMARQUES PARTICULIERES :
 Choisir 4 questions parmi les 6 questions données.
 Indiquer votre choix de questions en cochant d’une croix les cases appropriées
du document joint à cet effet.
 Utiliser une page différente pour chaque question.
PHYSIQUE

BACCALAUREAT EUROPEEN 2012 : PHYSIQUE
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Question 1
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Barème
Dans tout le sujet, on considère que l’énergie potentielle est nulle à l’infini.
L’exploration de la Lune commença lorsque la sonde spatiale soviétique Luna 2
s’écrasa sur le Lune le 14 septembre 1959.
a)
Démontrer que l'énergie cinétique d’un satellite de masse
m
en orbite circulaire de
rayon
r
autour d’une planète de masse
M
est donnée par la relation :
2
kG M m
Er
3 points
b)
Luna 2 a d'abord été lancée sur une orbite circulaire à une altitude de 240 km au-
dessus de la surface de la Terre.
i. Calculer la vitesse de Luna 2 sur cette orbite.
3 points
ii. Calculer l’énergie mécanique totale de Luna 2 sur cette orbite.
3 points
c)
A partir de cette orbite, Luna 2 a été lancée vers la Lune en allumant des
propulseurs. Ils lui ont donné l'énergie suffisante pour atteindre le point de gravité
zéro où la force de gravitation exercée par la Terre compense celle exercée par la
Lune.
i. Vérifier que le point de gravité zéro est situé à une distance de
8
3,46 10 m
du
centre de la Terre.
3 points
ii. Calculer l’énergie potentielle de Luna 2, due à la Terre et à la Lune, en ce point.
3 points
iii. En utilisant les réponses aux questions b) ii. et c) ii. ci-dessus, calculer l’énergie
que les propulseurs ont eu à donner à Luna 2 depuis son orbite de sorte qu'elle
soit capable d'atteindre le point de gravité zéro avec une vitesse négligeable.
4 points
d)
Une fois le point de gravité zéro franchi, Luna 2 a chuté vers la surface lunaire.
i. Démontrer que la relation donnant la vitesse de libération
libération
v
depuis la
surface d’un astre de masse
M
et de rayon
R
est
libération 2GM
R
v
.
2 points
ii. Luna 2 s'est écrasée sur la Lune à 97% de la vitesse de libération de la surface
lunaire.
Calculer la vitesse à laquelle Luna 2 s’est écrasée sur la Lune.
2 points
iii. Donner une raison pour laquelle Luna 2 ne s’est pas écrasée à 100% de cette
vitesse de libération.
2 points

BACCALAUREAT EUROPEEN 2012 : PHYSIQUE
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Question 1
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Barème
Données :
Constante de gravitation universelle
11 3 1 2
6 67 10 m ·kg ·s
– – –
G ,
Masse de la Terre
24
T5 97 10 kgM,
Rayon de la Terre
6
T6 37 10 mR,
Distance Terre-Lune (centre à centre)
8
T - L 3,84 10 md
Masse de la Lune
22
L7,35 10 kgM
Rayon de la Lune
6
L1,74 10 mR
Masse de Luna 2
Luna 2 390 kgm

BACCALAUREAT EUROPEEN 2012 : PHYSIQUE
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Question 2
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Barème
A l’intérieur de l’appareil décrit ci-dessous règne un vide poussé.
Dans ce sujet, la force de gravitation peut être négligée.
a)
Un faisceau d’électrons est émis par une source S avec une vitesse initiale négligeable.
Les électrons sont accélérés par une différence de potentiel
U
appliquée entre les
plaques métalliques P1 et P2 (voir figure ci-dessus).
Quand les électrons traversent l’ouverture O1, ils ont une vitesse
71
12,05 10 m s
v
.
i. Démontrer que la vitesse
1
v
d’un électron accéléré par une différence de
potentiel
U
est donnée par la relation
1e
2eU
m
v
où
e
m
est la masse de l’électron et
e
est la charge électrique élémentaire.
3 points
ii. Calculer la différence de potentiel
U
.
2 points
P1
P2
P3
P4
O1
O2
O3
R1
1
B
2
B
S

BACCALAUREAT EUROPEEN 2012 : PHYSIQUE
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Question 2
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Barème
b)
En O1, les électrons pénètrent dans une région où règne un champ magnétique
uniforme
1
B
. Ils parcourent une trajectoire circulaire de O1 à O2.
i. Démontrer que le rayon
R
de la trajectoire d’électrons, animés d’une vitesse
v
perpendiculaire à un champ magnétique
B
, est donné par la relation
e
m
ReB
v
3 points
ii. Calculer la valeur
1
B
du champ magnétique
1
B
sachant que
12,50 cmR
.
2 points
iii. Préciser la direction et le sens de
1
B
. Expliquer la réponse.
3 points
c)
La distance entre les plaques métalliques parallèles P3 et P4 vaut 3,00 cm.
Un champ magnétique
2
B
de même direction et de même sens que
1
B
, de valeur
24,67 mTB
, est appliqué entre elles.
Une différence de potentiel
U
est ajustée entre les deux plaques de sorte que les
électrons suivent la trajectoire rectiligne
23
OO
.
i. Calculer la différence de potentiel
U
.
3 points
ii. Déterminer la polarité des plaques P3 et P4. Justifier la réponse.
3 points
d)
Le champ
2
B
est maintenant désactivé.
Après leur passage à travers l’ouverture O2, située à mi-distance entre P3 et P4, les
électrons viennent frapper l’une des plaques.
Calculer la distance du point d’impact à partir de l’extrémité gauche de la plaque.
6 points
Données :
Masse de l’électron
–31
e9,11 10 kgm
Charge électrique élémentaire
19
1,60 10 Ce