Durée : 90 minut - Collège Notre

Collège Notre-Dame Examen2 de physique Classe de 1ère S
de Jamhour (chapitres 6 ,7,8 et 9 ) Durée : 90 minutes
2/ 6 / 2014
• L’usage des calculatrices non programmables est autorisé .
• Cotation : 20 points.
• Soigner la présentation.
• Sauf indication contraire toute réponse doit être justifiée.
Exercice 1 (3 points) Niveaux d’énergie d’un atome
Notations : h est la constante de Planck (en J.s ) ; c est la célérité de la lumière (en m.s-1) ;
λ est la longueur d’onde (en m) associée à un photon et ν ( lire « nu »)
est sa fréquence (en Hz) .
Données : (E2 – E1) > (E3 – E2) et (E3 – E1) > (Eétat ionisé – E2)
On considère, pour un atome donné, les transitions représentées ci-dessous :
Pour les réponses on utilisera les notations et données au début de l’exercice ainsi que les
notations qui figurent sur le diagramme ci-dessus.
On ne s’intéresse qu’aux transitions indiquées sur le diagramme .
1. Quelles sont les transitions qui correspondent à une absorption ?
2. Quelle est l’expression de la plus grande longueur d’onde d’un photon émis ?
3. Quelle est l’expression de la plus grande fréquence d’un photon absorbé ?
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Exercice 2 (3points) Électron entre 2 plaques chargées
Donnée : La charge élémentaire vaut: e = 1,6.10-19C .
Le schéma n’est pas demandé .
Un électron de charge q, de masse m, est accéléré, à partir de sa position de repos en A, entre
deux plaques A et B d’un condensateur plan aux bornes duquel règne une tension UAB négative.
Il est soumis à la seule force électrique constante.
(Le poids de l’électron est négligeable et l’on considère qu’il n’y a pas de frottement) .
a. Déterminer l’expression littérale du travail de la force électrique entre A et B .
b. En appliquant le théorème de l’énergie cinétique à l’électron entre A et B , montrer que
l’expression de la vitesse VB de cet électron au point B est donnée par :
m
eU2
VAB
2
B
−
=
c. En exploitant le graphique ci-dessous et l’expression trouvée en b. , calculer la masse m
d’un électron .
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Exercice 3 (7 points) Orbite de satellite et force de gravitation
Données :
0
z
g
g = 2
2
T
r
R avec r = RT + z
où RT est le rayon de la Terre et z l’altitude de l’objet (ou satellite ) étudié .
g0 (à l’altitude zéro) = 9,81 m.s-2 ; RT = 6,370 km
La période de rotation propre de la Terre est T = 24,0 h = 86,4.103 s.
1. Au niveau du sol (à l’altitude zéro), la valeur de la force de gravitation sur un objet
de masse m a pour expression F0 = m.g0 .
F(r) est la force de gravitation sur un objet de masse m en orbite circulaire autour de la Terre
r étant le rayon de son orbite.
Montrer que F(r) = m.g0. 2
2
T
r
R.
2. Le satellite H de télécommunication Hotbird 4, supposé ponctuel et de masse m
est en orbite géostationnaire autour de la Terre.
Sa trajectoire est circulaire. La force de gravitation est la seule force extérieure.
Son mouvement est étudié dans le référentiel géocentrique .
a. Quel est le plan de l’orbite géostationnaire ? (sans justifier) .
b. Montrer que le mouvement est uniforme.
Faire un schéma, sans considération d’échelle, sur lequel figureront la Terre de
centre O, le centre H du satellite, la force F
r
(r) et le vecteur accélération a.
r
c. On désigne par v la vitesse linéaire de H.
Montrer que v2 =
r
g2
0T
R
d. On désigne par TH la période de révolution de ce satellite .
Exprimer TH en fonction de v et de r .
e. En déduire que 3
2
H
r
T = 2
0
2
g
4
T
R
π
f. Application numérique : Calculer le rayon r de l’orbite et l’altitude z de H .
3. Le système SPOT d’observation de la Terre est composé de plusieurs satellites en orbite
pratiquement circulaire d’altitude égale à 830 km. Le plan de l’orbite est incliné d’un angle
de 81,2° par rapport au plan équatorial afin que ces satellites survolent régulièrement les
régions d’un pôle à l’autre .
a. Un satellite SPOT peut-il être géostationnaire?
(un seul argument suffit pour justifier la réponse)
b. En exploitant la 3eme loi de Kepler (sans l’énoncer) , calculer la période TSPOT des
satellites SPOT.
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Exercice 4 ( 7 points ) Balle de tennis
Les frottements sont négligés.
Le mouvement d’une balle de tennis de masse m est filmé. Les images sont traitées par un
logiciel adapté (Généris) . Ce logiciel fournit les valeurs (x, z, t ) avec x et z en m et t en s .
Les coordonnées x et z du centre d’inertie de la balle sont relevées dans un repère (O; k,i
r
r
)
défini par un axe (Ox) horizontal orienté vers la droite et un axe (Oz) vertical ascendant.
La date t = 0 ainsi que les coordonnées x0 = z0 = 0 sont choisies sur la première image.
Le logiciel donne les 4 graphes suivants .
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I- En exploitant les graphes répondre aux questions suivantes :
1. Parmi ces 4 graphes, lequel représente la trajectoire de la balle?
2. Donner la nature du mouvement projeté sur (Ox) .
Montrer que la valeur de la coordonnée vx du vecteur vitesse est : vx ≈ 2,2 m.s-1 .
3. Déterminer la valeur de la coordonnée vz (0) du vecteur vitesse à la date t = 0 .
4. Déduire des questions 2. et 3. la valeur de l’angle de tir (schéma explicatif exigé).
II- Étude énergétique
Rappel : Les frottements sont négligés et par suite l’énergie mécanique Em du système
{balle, Terre} est constante.
Données : g = 10 m.s-2
Le niveau de référence de l’énergie potentielle (Epp = 0) est celui passant par O .
1. Calculer, en fonction de m, Em0 (à t = 0 ) .
2.a. Quelle est la valeur de la vitesse de la balle au point S culminant (le plus haut) ?
b. Quelle est alors, en fonction de m, la valeur de l’énergie cinétique EC (S ) de la balle en S ?
3.a. Calculer, l’altitude ZS de S en utilisant la conservation de l’énergie mécanique entre O et S
b. Comparer ce résultat à la valeur lue sur l’un des graphes .