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IMPRIMÉ PAR L’ÉCOLE 2011 SERVICE DES RESSOURCES ÉDUCATIVES PHYSIQUE 053-504 Juin 3e année du 2e cycle du secondaire Épreuve de compétence 2 Cahier de l’élève Table régionale, Science et technologie au secondaire Régions de Laval, des Laurentides et de Lanaudière Durée : 2 heures 30 minutes Physique Épreuve de compétence 2 Annexe 1 FORMULES OPTIQUE sin C MÉCANIQUE n2 n1 vm s t v t Ek n1 sin 1 n2 sin 2 a Hi i f Ho f o 1 s v i t at 2 2 Hi q d H ou i i Ho d0 Ho p s Gr Hi Ho E p mgh F ma (v f v i ) t 2 Fg mg v f v i at 2f i o s 1 1 1 1 1 1 ou f p q d 0 di f P 1 mv 2 2 Fg v f2 v i2 2a Gm1m2 d2 Fél kx W t W F s Note : Les formules sont écrites sous leur forme scalaire. GRANDEURS NOM SYMBOLE VALEUR Vitesse de la lumière dans le vide c 3,00 108 m/s Accélération gravitationnelle terrestre g 9,8 m/s2 2 Physique Épreuve de compétence 2 1. Les satellites géostationnaires Depuis 50 ans, des satellites artificiels ont été mis en orbite autour de la Terre. Certains d’entre eux, les satellites de communication ou GPS, sont appelés satellites géostationnaires. Ces derniers se déplacent continuellement sur une orbite précise qui encercle la planète. Cependant, pour un observateur sur Terre, ces satellites semblent immobiles dans le ciel. Expliquez ce phénomène et appuyez vos explications par des calculs appropriés. A Observateur Satellite B Terre A : distance entre le satellite et le centre de rotation de la Terre : 42 162 km B : distance entre un observateur et le centre de rotation de la Terre : 6378 km Vitesse de rotation de la Terre (à l’équateur) : 1673 km/h Vitesse de rotation du satellite : 11 061 km/h Formule pour trouver la circonférence : C = 2πr À des fins de calculs, vous devrez traiter ces données comme étant issues d’un mouvement rectiligne uniforme. 3 Physique Épreuve de compétence 2 2. Aide humanitaire Afin de venir en aide à une population éprouvée par un grave sinistre, l’Armée canadienne décide de parachuter des vivres et de l’équipement médical dans une clairière à proximité de l’endroit où vivent les sinistrés. Image Erick Sauvé (CSDL) a) Afin d’être parachuté, le matériel destiné aux sinistrés sera placé dans de grosses boîtes de 1m3. Un seul format de parachute et deux formats de boîtes sont disponibles: Boîte de forme cubique : 1,00 m x 1,00 m x 1,00 m Boîte de forme de prisme rectangulaire : 1,42 m x 1,42 m x 0,50 m Pour éviter d’endommager le matériel et les équipements, il est souhaitable que la vitesse de descente soit la plus petite possible, pour permettre un atterrissage en douceur. Lequel des deux formats de boîtes devrait-on choisir? Justifiez votre réponse en l’illustrant, par des diagrammes de forces, celles qui agissent sur les boîtes. b) Avant le décollage, le pilote de l’avion a remis à la tour de contrôle, un plan de vol qui lui permettra de survoler la clairière. Celui-ci prévoit un trajet de 230,0 km en direction nord-est. La durée du vol prévue est de 55,00 minutes. Peu après le départ, le pilote s’aperçoit qu’un vent soufflant à 55,0 km/h, en provenance du nord-ouest, vient de se lever et qu’il faut modifier les caractéristiques du plan de vol. Son copilote lui suggère de s’orienter vers le nord à une vitesse de 237,0 km/h. Est-ce que cette modification au plan de vol permettra de s’assurer que la cargaison soit larguée à l’endroit prévu? Illustrez et justifiez votre réponse avec des calculs appropriés. 4 Physique Épreuve de compétence 2 3. Le bon chemin Un camionneur, en retard et incertain de son itinéraire, termine son petit déjeuner chez « La belle patate » située au point A sur la carte ci-dessous. Celui-ci doit livrer une très lourde marchandise à un commerçant situé au point B. Deux routes s’offrent à lui : la route 10, beaucoup plus longue et sans dénivellation et la route 20, beaucoup plus courte, mais qui grimpe au sommet d’une montagne pour ensuite la redescendre. Cependant, compte tenu de la puissance de son moteur, il sait qu’il pourra la monter, mais qu’il ne pourra pas atteindre la vitesse maximale permise en grimpant jusqu’au sommet. De plus, il sait que la vitesse de son camion ne peut dépasser 91 km/h. et que descendre la côte de la route 20 prend 7 minutes. Il vous donne les caractéristiques de son camion et des routes à prendre. Caractéristiques du camion: Puissance efficace maximale 150 kW Masse (avec chargement) 13 800 kg Vitesse maximale en toute situation 91,0 km/h Caractéristiques des routes: La route 10 (ligne continue): Longueur : 150 km Temps requis pour la descente à 91 km /h : 7 minutes Sommet : 1500 m. La route 20 (ligne pointillée) Route 10 : 150 km Route 20 : B 1500 m A Image modifiée de maps.google.com Combien de temps prendra-t-il pour livrer sa marchandise en empruntant la route 20? Est-ce que la durée de son voyage sera plus courte s’il emprunte la route 10? 5 Physique Épreuve de compétence 2 4. La Ronde Par une belle journée ensoleillée, Sophiane et son amie Anaïs vont à La Ronde. Il fait si beau qu’il y a beaucoup de monde et les files d’attente sont interminables. Elles doivent donc choisir quels manèges elles tiennent absolument à essayer. Elles aiment toutes les deux les sensations fortes : Sophiane aime beaucoup les vitesses élevées, tandis qu’Anaïs recherche les fortes accélérations. Voici les caractéristiques des manèges qu’elles n’ont jamais essayés : Manèges Schémas Boomerang Caractéristiques Vitesse maximale au bas de la pente de départ réduite de 5,6 m/s à cause de la friction. Hauteur de départ, en haut de la pente 35,6 m 35,6 m Accélération maximale ressentie : 51 m/s2 Vampire Vitesse maximale : 80,5 km/h Accélération maximale ressentie : 4,0 G Orbite Montée du chariot : 45 m en 2,0 secondes en accélération constante. Goliath 53,0 m Vitesse maximale au bas de la descente est de 65 km /h à cause de la friction. Accélération maximale ressentie : 37 m/s2 70 o Note : 1G = 9,8 m/s2 Quel sera le manège préféré de Sophiane? Quel sera le manège préféré d’Anaïs? Justifiez votre choix en fonction des préférences de chacune. 6 Photos : http://fr.wikipedia.org/ Descente : chute libre 45,0 m Physique Épreuve de compétence 2 5. La fourmi Le club des taxonomistes de Rawdon a mis sur pied un projet d’identification des insectes de leur région pour les élèves du primaire. Pour cette activité, le club prête aux élèves divers outils, dont des loupes. Par un matin ensoleillé, Mathieu, 6 ans, trouve son premier spécimen à identifier : une fourmi! Commençant son travail de taxonomiste, il utilise sa loupe pour regarder l’insecte. a) Sachant que la loupe est une lentille biconvexe, expliquez et illustrez pourquoi Mathieu réussit à voir sa fourmi beaucoup plus grosse qu’elle ne l’est en réalité. Il décide ensuite de mesurer sa fourmi et note que sa taille est de 1,0 cm. Il note également que la lumière du Soleil fait un point le plus petit au sol à 6,0 cm de la loupe. b) Si la taille apparente de la fourmi est de 4,0 cm, à quelle distance de la loupe est la fourmi sachant que la distance entre le foyer et la fourmi est de 1,5 cm? 7 Physique Épreuve de compétence 2 6. La fibre optique, une technologie récente? La fibre optique, un tube flexible qui transporte la lumière, est-elle une technologie récente? Pas vraiment. Même à l'époque des Grecs anciens, le phénomène du transport de la lumière dans des cylindres de verre était déjà connu. Il était, semble-t-il, mis à profit par les artisans du verre pour créer des pièces décoratives. La première démonstration scientifique du principe de réflexion totale interne fut faite par des physiciens français au début des années 1840. À l´époque, l'idée de courber la trajectoire de la lumière, de quelque façon que ce soit, était révolutionnaire puisque les scientifiques considéraient que la lumière voyageait uniquement en ligne droite. Leur démonstration consistait à guider la lumière dans un jet d'eau déversé d'un trou à la base d'un réservoir. En injectant de la lumière dans ce jet, celle-ci suivait bien la courbure du jet d'eau, démontrant ainsi Source :Wikipedia qu'elle pouvait être déviée de sa trajectoire rectiligne. Ils purent de cette manière démontrer le principe qui est à la base de la fibre optique. De nos jours, la fibre optique est utilisée pour transporter la lumière dans toutes sortes d’applications. Elle est construite essentiellement d’un tube de silice transparent ayant un indice de réfraction de 1,48 entouré d’une gaine transparente ayant un indice de réfraction de 1,45. Expliquez le phénomène en cause. Appuyez votre explication avec les calculs appropriés. Gaine Rayon 8 Silice Physique Épreuve de compétence 2 7. Le rétroviseur Sur toutes les automobiles, le rétroviseur du côté droit porte la mention suivante: « Les objets réfléchis par le rétroviseur sont plus près qu’ils ne le paraissent » @Myriam Larue CSSMI Expliquez pourquoi les objets dans le rétroviseur paraissent plus loin qu’ils ne le sont réellement. Illustrez votre explication par un schéma des rayons lumineux. 9
