bg est bg bg.

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Epreuve de Physique
Exercice n°1
Le champ électrique créé au point B par une charge ponctuelle q située en un point A, est
donné par :
E=k
q
i
r2
i = vecteur unitaire de la droite AB dirigé de A vers B
r = distance AB
Données :
· k = 9 ´ 10 9 S.I. ;
· r = 10 cm ;
· q = + 10 ´ 10 -9 C .
a) Le champ électrique créé par la charge q est uniforme.
b) Le champ électrique, créé en B par la charge q, est dirigé de A vers B car q > 0 .
c) La valeur du champ électrique en B est égale à 9 ´ 10 3 V.m-1 .
d) Une autre charge électrique q, placée en B, subit une force attractive de valeur
F = 9 ´ 10 -5 N .
Exercice n°2
Un objet de masse m = 200 g glisse sur une piste ABC ayant (en coupe) la forme suivante :
A
h
B
C
b
g
La dénivellation h entre les points A et B est égale à 12 cm et la longueur AB + BC est
L = 60 cm .
L’objet subit une force de frottement constante F = 0,4 N sur tout son déplacement de A à C,
la direction de cette force est toujours parallèle au déplacement du mobile.
On place l’objet en A et on le lâche sans vitesse initiale.
Donnée : g = 10 m.s -2 .
a) Entre les points A et C, le travail du poids vaut W1 = - 0,24 J et le travail de la force de
frottement vaut W2 = - 0,24 J .
bg
bg
b) La variation de l’énergie cinétique DE C entre A et C s’écrit : DEC = EC A - EC C .
c) La vitesse du mobile en C nulle.
On surcharge l’objet avec une masse m¢ = 50 g . On suppose que la force de frottement ne
change pas.
On place l’objet en A et on le lâche sans vitesse initiale.
d) Le mobile s’arrête avant le point C.
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Epreuve de Physique
Exercice n°3
Dans un référentiel géocentrique, un satellite de la Terre (masse M T , rayon RT ) possède un
mouvement circulaire uniforme à l’altitude h = 620 km .
A cette altitude, le champ de pesanteur vaut g h ; 8 m.s -2 .
Données :
· RT = 6380 km ;
·
1
= 0,13
56
56 = 7,48
1
= 0,018 .
56
a) Le vecteur vitesse du satellite est constant.
b) Le vecteur accélération du satellite est tangent à la trajectoire.
c) La valeur de l’accélération du satellite a pour expression : a = G
MT
b R + hg
2
.
T
-1
d) La valeur de la vitesse du satellite est environ égale à v = 7,5 km.s .
Exercice n°4
Dans le champ de pesanteur terrestre, deux projectiles P1 et P2 sont lancés au même instant
t = 0 d’un point origine O avec des vitesses initiales situées dans un même plan vertical. On
néglige les frottements.
La figure schématise l’orientation des vitesses initiales et les trajectoires des projectiles.
b g
Données :
· g = 10 m.s -2
® v1x = 2 m.s
· v1
-1
v1y = 2 m.s -1
® v2x = 2 m.s
· v2
-1
v2y = 4 m.s -1
a) Les projectiles arrivent en A et B en même temps.
b) A l’instant où le projectile P1 passe au sommet S1 , le projectile P2 passe en C.
c) Aux deux sommets S1 et S2 des trajectoires, les vitesses des projectiles sont égales.
d) La trajectoire du projectile P1 est une portion de parabole d’équation y = - 5 x 2 + x .
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Epreuve de Physique
Exercice n°5
La boule d’un pendule électrostatique, de longueur l , de masse m, portant une charge q
positive, est en équilibre entre les armatures verticales A et B d’un condensateur plan.
Ce pendule fait un angle a avec la verticale, a étant supposé inférieur à 10°.
Données :
·
·
·
·
·
·
·
U AB = 100 V ;
d = 5,0 cm ;
sin a ; 0,1 ;
cos a ; 1,0 ;
tan a ; 0,1 ;
m = 0,1 g ;
l = 20 cm ;
A
B
l
a
· g = 10 m.s -2 .
d
a) La tension U AB est positive.
b) La valeur de la charge est q = 5 ´ 10 -8 C .
c) L’angle a est indépendant de la longueur l , tant que la boule ne touche pas l’armature
du condensateur.
d) Lorsque l’on double la distance d, l’angle a diminue sensiblement de moitié.
Exercice n°6
On considère un oscillateur élastique horizontal de masse m et de constante de raideur k. La
variable qui caractérise sa position est x.
Les variations de l’énergie potentielle du
système (oscillateur-Terre) en fonction de x sont
représentées dans le graphe ci-contre.
L’énergie mécanique du système est égale à 12,5
mJ.
On néglige les frottements.
Données :
· m = 100 g ;
· k = 10 N.kg -1 ;
· g = 10 m.s -2 .
a) L’oscillateur est en équilibre lorsque le paramètre x a pour valeur x = 0.
b) L’amplitude du mouvement de l’oscillateur est égale à 5 cm.
c) La valeur de la vitesse maximale est égale à 0,5 m.s -1 .
d) La longueur du pendule simple de même période est égale à 10 cm.
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Epreuve de Physique
Exercice n°7
Un corps C, de masse m = 100 g , est accroché à un ressort horizontal de masse négligeable et
de constante de raideur K = 20 N.m-1 . L’ensemble est immobile.
Un objet C ¢ , identique à C, est lancé selon l’axe du ressort et vient se fixer sur C. Juste après
le choc et l’accrochage, l’ensemble des deux objets a une vitesse de valeur vO = 0,20 m.s -1 et
cet ensemble entre en oscillations supposées non amorties.
®
a) La période T des oscillations dépend de la valeur vO de la vitesse vO .
b) La période T des oscillations est d’environ T = 0,63 s .
c) En considérant que l’énergie potentielle de pesanteur reste constamment nulle au cours du
déplacement, l’énergie mécanique du système (pendule + Terre) est constante et vaut 4 mJ.
d) Si le choc entre C et C ¢ a lieu sans perte d’énergie, la vitesse v ¢ de C ¢ , juste avant le
choc, a pour valeur : v ¢ = 0,28 m.s -1 .
Exercice n°8
Une aiguille aimantée mobile autour d’un pivot vertical est placée au centre d’un solénoïde
« infini ». L’axe D de cette bobine est perpendiculaire au plan du méridien magnétique
terrestre du lieu (schéma 1).
Lorsqu’un courant électrique d’intensité 8 mA circule dans le solénoïde, l’angle a entre
l’aiguille et l’axe D est de 45°.
Données :
· composante horizontale du vecteur champ magnétique terrestre : Bh = 2 ´ 10 -5 T ;
· perméabilité magnétique du vide : m O = 4 p ´ 10 -7 S.I.
a) L’aiguille pivote de 45° vers l’est, lorsque l’intensité a le sens indiqué sur le schéma 2.
®
b) Le champ magnétique B créé par le courant électrique à l’intérieur du solénoïde et la
®
composante horizontale B h du champ magnétique terrestre ont la même valeur.
c) Le nombre de spires par unité de longueur du solénoïde est d’environ 1000.
d) Si l’intensité du courant augmente, l’angle a diminue.
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Epreuve de Physique
Exercice n°9
Une particule a (noyau d’hélium), formée de deux protons et de deux neutrons, est introduite
puis lâchée sans vitesse initiale entre les plaques verticales d’un condensateur plan, distantes
de d = 10,0 cm et soumises à une tension U = 1,0 kV .
Données : · Masse d’une particule a : m = 6,6 ´ 10 -27 kg ;
· Charge élémentaire : e = 1,6 ´ 10 -19 C .
a) Entre les plaques, dans la zone centrale, règne un champ électrique uniforme.
®
b) La particule a est soumise à une force électrique F constante et de valeur 3,2 ´ 10 -15 N .
c) Le mouvement que la particule a acquiert est dû à son poids.
d) La particule a a un mouvement rectiligne uniformément accéléré, la valeur de son
accélération est environ 0,5 ´ 10 +12 m.s -2 .
Exercice n°10
Deux ions
20
10
Ne + et
22
10
Ne + sont émis sans vitesse initiale en O1 . Ils sont accélérés par un
®
champ électrique uniforme horizontal E créé par deux plaques parallèles P1 et P2 d’un
condensateur soumises à une différence de potentiel U = VP1 - VP2 .
Ils traversent la plaque P2 en O2 et pénètrent en O dans une zone de l’espace où règne un
®
champ électrique EO vertical, ascendant. Ils subissent une déflexion observée sur un écran
vertical.
L’ensemble du dispositif est placé dans une ampoule où l’on a fait le vide.
On suppose que les champs électriques sont limités aux parties tramées.
Le poids des particules est négligeable devant les forces électrostatiques .
Données :
·
·
·
·
·
·
y
-1
E = 7,5 ´ 10 V.m ;
distance entre P1 et P2 : d = 2 cm ;
O1
e = 1,6 ´ 10 -19 C ;
E0 = 2 ´ 10 4 V.m-1 ;
20
masse de l’ion 10
Ne + = 3,20 ´ 10 -26 kg ;
22
masse de l’ion 10
Ne + = 3,65 ´ 10 -26 kg .
4
P1
P2
O2
O
E0
I
Ecran
a) La différence de potentiel U est positive et vaut 1,5 kV.
b) Entre P1 et P2 les deux ions ont la même accélération.
c) Les énergies cinétiques des deux ions en O sont les mêmes.
Sur l’écran l’impact des ions est repéré sur l’axe I y et s’effectue en des points d’ordonnées
20
22
y1 pour 10
Ne + et y2 pour 10
Ne + .
d) y1 et y2 sont positifs et y1 > y2 .
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Epreuve de Physique
Exercice n°11
Un point M décrit une trajectoire circulaire de rayon R = 5,0 cm .
La figure 1 donne les positions du point M à des intervalles de temps réguliers et la figure 2
les variations de la vitesse v au cours du temps.
a) Le mouvement de M comporte deux phases : mouvement uniforme entre t = 0 et t = 0,7 s ,
mouvement décéléré ensuite.
b
g
b) Au point 5 t1 = 0,5 s , la valeur de l’accélération est nulle.
b
g
c) Au point 11 t 2 = 1,1 s , l’accélération tangentielle a pour valeur arithmétique environ
15 cm.s
-2
et l’accélération normale a pour valeur arithmétique environ 65 cm.s -2 .
®
d) Un représentant du vecteur accélération a au point 11 est tracé sur la figure 1 (échelle
20 cm.s -2 ® 1 cm ).
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Epreuve de Physique
Exercice n°12
®
Un électron pénètre avec une vitesse vO dans une zone de l’espace où règne un champ
®
magnétique uniforme, horizontal B .
Les directions des vecteurs vitesse et champ magnétique sont indiquées sur la figure, la vitesse
®
®
initiale vO est perpendiculaire au champ magnétique B . Le poids de l’électron est
négligeable devant la force magnétique .
®
vO
Données :
·
·
·
·
n°2
e = 1,6 ´ 10 -19 C ;
me = 9,0 ´ 10 -31 kg ;
B = 3,0 mT ;
Rayon de la trajectoire : R = 9,0 cm .
®
B
n°1
a) L’électron décrit l’arc de cercle n°1 représenté sur la figure .
b) Son mouvement est uniforme et la valeur de sa vitesse est v = 4,8 ´ 107 m.s -1 .
c) L’accélération de l’électron est nulle.
®
®
La vitesse initiale vO de l’électron est à présent parallèle au champ magnétique B .
d) Le mouvement de l’électron est rectiligne uniformément accéléré.
Exercice n°13
Un faisceau d’électrons pénètre dans une région de l’espace où règne un champ magnétique
®
®
®
®
B et un champ électrique E uniformes. Les vecteurs B et E sont orthogonaux entre eux et
à la direction du faisceau comme l’indique la figure ci-contre.
®
®
®
Les champs E et B sont choisis de telle sorte que les électrons de vitesse vO ne soient pas
déviés et décrivent la trajectoire représentée en pointillés.
On néglige le poids des particules devant les forces électromagnétiques.
Données :
®
· B = 1,5 ´ 10 -2 T ;
· E = 4,5 ´ 10 5 V.m-1 ;
· e = 1,6 ´ 10 -19 C ;
· me = 9,0 ´ 10 -31 kg .
B
®
v0
®
E
®
a) Les électrons de vitesse vO sont soumis à l’action de deux forces opposées, de même
valeur.
®
®
®
b) Les directions et sens des vecteurs vO , E et B , indiqués sur le schéma, sont corrects.
c) La valeur de la vitesse est v0 = 3 ´ 107 m.s -1 .
d) Les électrons de vitesse supérieure à v0 sont déviés vers le haut.
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Epreuve de Physique
Exercice n°14
On réalise la charge et la décharge d’un
condensateur de capacité C = 0,1 mF à travers un
conducteur ohmique de résistance R = 10 kW à
l’aide d’un générateur basse fréquence GBF
délivrant une tension en carré de fréquence f et
de valeurs toujours positives.
On utilise un oscilloscope bicourbe pour
visualiser les tensions indiquées sur le schéma cicontre.
L’écran de l’oscilloscope comporte 10 divisions sur chaque axe .
a) La voie Y1 de l’oscilloscope permet de visualiser l’allure de l’intensité du courant de
charge ou de décharge du condensateur et la voie Y2 la tension aux bornes du
condensateur.
b) La constante de temps du dipôle est 5 ms.
c) On peut considérer que la charge du condensateur est achevée en 1 ms.
d) Pour avoir à l’oscilloscope un cycle quasi-complet charge-décharge, il faut régler la
fréquence du générateur basse fréquence sur 100 Hz et le balayage de l’oscilloscope sur
1 ms/DIV.
Exercice n°15
Un condensateur de capacité C, préalablement chargé sous une tension U, est relié à une
bobine d’inductance L et de résistance r très faible.
Un oscilloscope à mémoire est relié aux bornes
du condensateur et permet d’observer environ
deux périodes de l’oscillateur LC.
Données :
· L = 0,1 H ;
· r ; 0W ;
· C = 10 mF .
a) Avec cet oscilloscope, on pourrait visualiser l’intensité du courant dans le circuit.
b) Si on néglige la résistance de la bobine, les oscillations électriques sont périodiques, de
période T = 6,3 ms environ.
c) L’énergie dans la bobine est une fonction périodique, de période T = p LC .
d) Un élève trouve que la valeur maximale de l’intensité qui circule dans le circuit vaut
L
Im = U
, ce résultat est conforme à l’équation aux dimensions (ou à l’homogénéité des
C
formules).
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Epreuve de Physique
Exercice n°16
On alimente un dipôle RC (R = 100 W et
C = 10 mF) à l’aide d’un générateur basse fréquence
délivrant une tension alternative sinusoïdale de
fréquence f = 400 Hz (de pulsation w).
La valeur efficace de la tension aux bornes du dipôle
est maintenue constante et vaut U = 0,34 V .
La mesure de l’intensité du courant, lue sur
l’ampèremètre branché en série dans le circuit, est
I = 3,15 mA .
R
GBF
C
A
a) L’ampèremètre permet de mesurer la valeur efficace de l’intensité du courant.
b) L’impédance du dipôle RC vaut 108 W .
c) Le produit (C.w) s’exprime en W .
d) Il existe une fréquence particulière délivrée par le générateur basse fréquence pour
laquelle le circuit fonctionne à la résonance d’intensité ; alors l’intensité et la tension aux
bornes de RC sont en phase.
Exercice n°17
On considère le circuit dont le montage est schématisé ci-dessous.
L’interrupteur est en position (1) depuis longtemps.
L’énergie emmagasinée par le condensateur est égale à 125 mJ.
A partir de la position précédente, on bascule l’interrupteur en position (2), cet instant étant
pris comme origine des temps.
Données :
·
·
·
·
·
E = 5V ;
C = 10 mF ;
R = 50 W ;
r ;0W ;
L = 100 mH .
a) La tension uC aux bornes du condensateur est solution de l’équation différentielle
suivante :
d 2 uC
du
LC
= RC C + uC .
2
dt
dt
b) La période T des oscillations est T = 10 ms .
c) A l’instant t = 0 , la valeur instantanée de l’intensité qui traverse l’inductance est
maximale.
d) En négligeant l’énergie dissipée par effet Joule, on peut considérer qu’à la date t = 1,6 ms
l’énergie magnétique de la bobine est pratiquement égale à 125 mJ .
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Epreuve de Physique
Exercice n°18
Un générateur de tension sinusoïdale de
fréquence f débite dans un dipôle RLC.
Lorsqu’aucune tension n’est appliquée, le
spot décrit la ligne centrale de l’écran d’un
oscilloscope.
On observe l’oscillogramme ci-dessous.
Le réglage des deux voies YA et YB de
l’oscilloscope est identique.
Donnée :
· R = 4000 W .
a) La courbe (1) correspond à la voie YA et la courbe (2) à la voie YB .
b) L’impédance Z du dipôle RLC est environ égale à 5000 W .
c) La fréquence a pour valeur f = 400 Hz .
d) Le circuit est à la résonance.
Exercice n°19
Un circuit électrique comporte, placés en série, un générateur idéal de tension délivrant une
tension constante U AB = 6,0 V , un interrupteur et une bobine d’inductance L = 100 mH et de
résistance r = 5,0 W .
a) La constante de temps de ce circuit a pour valeur t = 0,5 s .
b) En régime permanent, le courant électrique a une intensité I 0 = 1,2 A .
c) En régime permanent, la bobine a emmagasiné une énergie de 72 mJ.
d) A l’ouverture de l’interrupteur, il est possible d’observer un petit arc électrique entre les
contacts ; c’est le générateur qui est directement responsable de cette étincelle.
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Exercice n°20
A l’aide d’un laser on réalise une figure de diffraction par un trou. On rappelle que pour un
l
trou de diamètre d, le demi angle de diffraction est égal à : a = 1,22 .
d
l représente la longueur d’onde de la lumière.
On observe la figure de diffraction sur un écran situé à la distance L du trou.
Données :
· d = 0,2 mm ;
· L = 2 m.
a) Le phénomène de diffraction n’est visible que si le diamètre du trou est assez faible.
b) Pour une longueur d’onde l = 0,5 mm , le diamètre D de la tache centrale est égal à
1,2 mm .
On considère maintenant une diffraction par une fente.
®
c) Les franges de diffraction sont parallèles à Ox .
d) Des deux figures ci-dessous, seule la figure (a) représente une figure de diffraction.
Figure (a)
Figure (b)
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