Cadrage : questions et réponses

CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS
Service de Physique dans ses rapports avec l’industrie
UE PHR101 « Principes et outils pour l’analyse et la mesure
REPONSES AU QUESTIONNAIRE « cadrage » n°1
1. Qu’est-ce qu’un angle ? (on peut faire un dessin)
Soit un cercle de rayon R (figure 1)
Soit α l'angle interceptant l'arc de longueur
l'angle α est défini par
α
o
α=
, par définition,
R
et R étant des longueurs
R
2. Un angle a-t-il une dimension ?
NON ! il s'agit d'un rapport de deux longueurs (voir question 1)
3. Quelle(s) est (sont) l’(les) unité(s) d’angle ?
L'unité "naturelle" d'angle est le radian. On trouve aussi le degré d'angle (2Π radians = 360
degrés)
4. On donne la fonction trigonométrique
y = cos θ dans laquelle θ est la variable :
a. cette fonction peut-elle prendre n’importe quelle valeur ?
La fonction cosinus ne peut prendre que les valeurs comprises entre –1 et +1
b. dessiner à main levée l’allure de la variation de cosθ en fonction de θ
+1
-1
c. quelle est la dimension de θ ?
θ comme tout angle est sans dimension car il s'agit d'un rapport de deux longueurs (voir
question 2)
d. quelle est la dérivée de cette fonction y par rapport à la variable θ ?
dy
= − sinθ
dθ
e. citer des phénomènes physiques, chimiques ou biologiques qui utilisent cette fonction
dans leur formalisation mathématique.
En mécanique les phénomènes de rotation, en électricité l'expression du courant alternatif en
physico-chimie les orbitales atomiques ou moléculaires contiennent cos θ etc...
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REPONSES AU QUESTIONNAIRE « cadrage » n°2
1. En mathématique, quelle différence faites vous entre algèbre et géométrie ?
L'algèbre traite des nombres alors que la géométrie est liée à l'espace avec notamment la
notion de vecteur
2. Quelle est la dérivée par rapport à la variable x de la fonction logarithme népérien (Ln)
de x ?
d
1
(Ln x) =
dx
x
3. Quelle est la dérivée par rapport à x de la fonction exponentielle (exp) de ax
(a est une constante) ?
d
(expax ) = a.exp(ax)
dx
4. Quelle est l'expression de l'intégrale
∫
dx
∫x
?
dx
= Ln x + constante
x
5. Quelle est l'expression de l'intégrale
∫ [exp(ax)] dx ?
1
∫ [exp(ax)] dx = a
exp(ax) + constante
6. Que vous évoque le schéma ci-dessous ?
y
y = f(x)
x1
x2
x
La partie hachée sous la courbe représente l'intégrale de la fonction f(x) entre x1 et x2
x2
∫x
f (x) dx
1
7. Qu’est-ce qu’un vecteur ?
Un vecteur est un ensemble de deux points orientés avec une origine, une extrémité et un
module. On ne connaît un vecteur que si on connaît sa direction (droite support) son sens et
son module.
8. Citer des grandeurs physiques, chimiques ou biologiques qui sont vectorielles.
Les forces, vitesses, accélération, champs électriques sont des grandeurs vectorielles
9. En géométrie, quels sont les référentiels que vous connaissez ? Dans quel cas emploi-ton plutôt l’un que l’autre ?
Les référentiels les plus courants sont :
- le référentiel cartésien
- le référentiel sphérique
- le référentiel cylindrique
Le choix dépend de la symétrie du problème.
Pour décrire le mouvement d'un électron dans un atome, le référentiel sphérique est mieux
adapté que le référentiel cartésien.
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REPONSES AU QUESTIONNAIRE « cadrage » n°3
1. Citer des phénomènes physiques chimiques ou biologiques mettant en jeu des
variations exponentiellement croissantes ou décroissantes.
L'absorption du rayonnement
La loi de Nernst en électrochimie
L'élimination d'un médicament dans le corps
La décharge d'un condensateur
La variation de la densité de l'air avec l'altitude
La fluorescence
La désexcitation radioactive
.....
2. Dessiner l’allure de la fonction y = exp x = ex (x appartient à l’ensemble des réels
x ∈ IR). En physique, chimie ou biologie la variable x peut-elle avoir une
dimension ?
La fonction y = exp x est toujours positive et passe par la valeur y = 1 pour x = O et
y = e pour x = 1
y = exp x
+1
x
o
En physique, chimie ou biologie, la variable x est sans dimension.
3. Quelle est la valeur numérique du nombre e ?
e
2,71828 ...
4. On désigne par Ln la fonction logarithme népérien (logarithme à base e), quelle est
la valeur de Ln e ? Quelle est la valeur de Ln1 ?
Lne = 1
et Ln 1 = 0
5. On désigne par n10 le logarithme à base 10. Quelle est la valeur de n10 10 ?
n10 = 1
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REPONSES AU QUESTIONNAIRE « cadrage » n°4
1. A quel domaine de la physique appartient la loi d’Ohm ?
A l'électricité
2. Quelle est l’unité de l’intensité du courant électrique ?
L'Ampère
3. Quelle est la différence entre la tension électrique et la différence de potentiel
électrique ?
Il n'y en a pas, ces deux termes désignent la même grandeur
4. Quelle est l’unité de tension ?
Le Volt
6. Quelle différence faites vous entre masse et poids ? Préciser l’unité de chacune de
ces grandeurs.
La masse est un nombre positif qui désigne la quantité de matière. Le poids à la surface de la
terre est une force (donc un vecteur) égal au produit de la masse par l'accélération de la
pesanteur
(g
)
9,81 kg m −2 . La masse s'exprime en kilogramme alors que l'unité de
poids, comme toute unité de force, s'exprime en Newton.
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REPONSES AU QUESTIONNAIRE « cadrage » n°5
1. Citer des exemples de forces.
Force motrice, de frottement, de rappel, de Coulomb, magnétique, etc...
2. Quelle est l’unité de force ?
L'unité de force est le Newton
3. Quel est le rapport entre la force qui s’exerce sur une surface et la pression sur
cette surface ?
La pression est la force qui s'exerce sur l'unité de surface
4. Quelle est l’unité de pression ?
L'unité de pression est le Pascal qui correspond à une force de un Newton qui s'exerce sur
une surface de un mètre carré.
5. Qu’est-ce que la pression atmosphérique ?
La pression atmosphérique correspond au poids des molécules d'air qui se trouvent dans
une colonne de 1 m² de section et de hauteur infinie au-dessus du sol.
6. Comment varie la pression atmosphérique avec l’altitude ?
La pression atmosphérique diminue avec l'altitude
7. Quelle est la valeur de la pression atmosphérique moyenne au niveau de la mer ?
La pression moyenne au niveau de la mer est de l'ordre de 1000 hectopascal (105 Pa)
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REPONSES AU QUESTIONNAIRE « cadrage » n°6
1. Citer les formes d’énergie que vous connaissez.
L'énergie cinétique, potentielle, nucléaire, rayonnante, chimique, thermique, mécanique,
magnétique, etc...
2. Quelle est l’unité d’énergie ?
L'unité d'énergie est le Joule
3. Quelle est la relation entre l’énergie et la puissance ?
La puissance correspond à l'énergie par unité de temps
4. Quelle est l’unité de puissance ?
L'unité de puissance est le watt qui correspond à 1 joule par seconde
5. Le kilowattheure est-il une énergie ou une puissance ?
Le kilowattheure est une unité d'énergie qui correspond à 1000 × 3600 = 3,6 106 Joule
6. Quel est le nom de l’énergie liée au mouvement d’un mobile ?
L'énergie cinétique
7. Le produit de la pression par le volume a-t-il la dimension d’une énergie ?
Oui; car la pression est une force par unité de surface et si on multiplie par le volume, on
obtient une force que multiplie une longueur qui a la dimension du travail d'une force qui
est une énergie.
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REPONSES AU QUESTIONNAIRE « cadrage » n°7
1. Quelle est la vitesse (ou célérité) de la lumière dans le vide ?
La vitesse de la lumière dans le vide est de l'ordre de 300 000 km s−1
2. De quoi est constituée la lumière ?
D'énergie
Un champ électromagnétique
Une quantité de mouvement
3. Quelle différence faites vous entre la lumière visible et le rayonnement ultra-violet ?
La lumière visible a des longueurs d'onde supérieures à celles du rayonnement ultra-violet
4. Quelle différence faites vous entre la lumière visible et le rayonnement infra-rouge ?
La lumière visible a des longueurs d'onde plus courtes que le rayonnement infra-rouge
5. Que vous évoque le schéma ci-dessous ?
E1
hν
E2
Il s'agit de l'émission d'un photon lors de la désexcitation d'un électron atomique ou
moléculaire d'un niveau excité à un niveau d'énergie plus faible
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REPONSES AU QUESTIONNAIRE « cadrage » n°8
1. De quoi est constitué l’air ?
L'air est constitué essentiellement de molécules d'azote (78%) et d'oxygène (21%)
2. De quoi est constitué un atome ?
Un atome est constitué d'un noyau et d'un cortège électronique
3. Quelle différence faites vous entre atome et molécule ?
Une molécule est constituée de plusieurs noyaux, elle est caractérisée par des forces de
liaison moléculaire qui expliquent la cohésion de cette molécule
4. Quelle différence faites vous entre un atome et un ion ?
Un ion est un atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons
5. Quelle différence faites vous entre un solide, un liquide et un gaz ?
Dans un gaz les liaisons entre les atomes ou les molécules qui le constituent sont très faibles,
dans un liquide elles sont plus fortes et dans un solide encore plus fortes
6. Avez-vous entendu parler de l’état plasma ? si oui pouvez-vous préciser ce qu’est un
plasma ?
Un plasma est un gaz totalement ionisé. La décharge électrique est une forme de plasma de
même que la surface des étoiles comme le soleil.
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REPONSES AU QUESTIONNAIRE « cadrage » n°9
1. Quelle est l’unité d’accélération d’un mobile.
L'unité d'accélération est le m s−2
2. Quelle est la relation entre la vitesse d’un mobile et son accélération ?
L'accélération d'un mobile correspond à la dérivée de sa vitesse par rapport au temps
3. Quelle est la position du vecteur vitesse d’un mobile ponctuel par rapport à sa
trajectoire ?
Le vecteur vitesse d'un mobile est toujours tangent à la trajectoire
4. Sait-on à priori comment est situé le vecteur accélération d’un mobile ponctuel par
rapport à sa trajectoire ?
Non, le vecteur accélération dans le cas général doit être décomposé en composante normale
et en composante tangentielle à la trajectoire pour être étudié
5. Qu’est-ce que la quantité de mouvement d’un mobile ?
Le vecteur quantité de mouvement d'un mobile est égal au produit de sa masse par sa vitesse
6. Avez-vous entendu parler du moment cinétique d’un mobile en rotation ?
Le moment cinétique est un vecteur caractéristique des corps en rotation, c'est le produit
vectoriel du rayon vecteur (vecteur position) du mobile par sa quantité de mouvement
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REPONSES AU QUESTIONNAIRE « cadrage » n°10
1. Qu’est-ce que la température ?
La température est liée au mouvement des atomes et des molécules qui constituent la matière
2. Citer au moins trois capteurs de température
Parmi les capteurs de température, on peut citer :
- thermomètre à dilatation
- la thermistance
- le thermocouple
3. Pourquoi peut-on faire chauffer de l’eau dans un four à micro-onde ?
Dans un four à micro-onde, les atomes et molécules peuvent être mis en mouvement par le
champ électromagnétique produit dans le four d'où l'élévation de température (voir question 1)
4. Qu’est-ce que le phénomène d’induction magnétique ?
Le phénomène d'induction magnétique correspond à la production d'un courant dans la
matière soumise à un champ électromagnétique variable dans le temps
5. Qu’est-ce que l’effet Joule ?
L'effet Joule correspond à l'échauffement dû au passage du courant dans un matériau
6. Qu’est-ce que l’effet Peltier ?
L'effet Peltier correspond a une différence de potentiel existant entre deux métaux de natures
différentes placés en contact
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REPONSES AU QUESTIONNAIRE « cadrage » n°11
1. Qu’est-ce que l’effet photoélectrique ?
L'effet photoélectrique correspond à la production d'une paire électron-ion dans la matière
suite à l'absorption d'un photon
2. Connaissez-vous l’effet Raman ?
L'effet Raman correspond à la diffusion de lumière par des molécules avec changement de
fréquence
3. Qu’est-ce que l’effet Doppler ?
L'effet Doppler correspond à la modification de la fréquence d'une onde sinusoïdale perçue
par le récepteur, lorsque la source ou le récepteur est en mouvement
4. Qu’est-ce que l’effet piézoélectrique ?
L'effet piézoélectrique est lié à la propriété de certains cristaux de s'électriser sous l'influence
d'une contrainte mécanique
5. Qu’est-ce que l’effet pyroélectrique ?
L'effet pyroélectrique est la propriété de certains cristaux de s'électriser sous l'influence d'une
élévation de température
6. Connaissez-vous d’autres effets ?
Il existe beaucoup d'autres effets, comme l'effet Zeemann, l'effet Stark, l'effet Seebeck, l'effet
Thomson, l'effet Hall, l'effet photovoltaïque, etc...
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REPONSES AU QUESTIONNAIRE « cadrage » n°12
1. Que désigne le mot gravimétrie ?
La gravimétrie désigne la mesure de masse
2. Qu’est-ce que la potentiométrie ?
La potentiométrie désigne les méthodes de mesure des résistances électriques ou plus
généralement des impédances des dispositifs. Il s'agit aussi d'une méthode électroanalytique
pour mesurer les pH
3. Qu’est-ce que l’extensométrie ?
L'extensométrie est la mesure des contraintes des matériaux
4. Qu’est-ce que la tachymétrie ?
La tachymétrie est la mesure des vitesses de rotation
5. Qu’est-ce que la coulométrie ?
La coulométrie concerne la mesure des quantités de charges électriques et elle concerne le
domaine de l'électroanalyse
6. Qu’est-ce que la spectrométrie ?
La spectrométrie concerne en général l'analyse des fréquences des phénomènes vibratoires et
du rayonnement en particulier
7. Qu’est-ce que la vélocimétrie ?
La vélocimétrie concerne la mesure des vitesses
8. Qu’est-ce que la réflectométrie ?
La réflectométrie est l'utilisation dans un but de mesure de la réflexion du rayonnement sur
une surface
9. Qu’est-ce qu’un psychromètre ?
Un psychromètre est un ensemble de deux thermomètres permettant la mesure d'un état
hygrométrique
10. Définir la tomographie.
C'est une méthode d'imagerie en trois dimensions.
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Ces questions ne constituent pas un contrôle de vos connaissances, mais font partie de la
préparation à la formation sur les principes et outils pour l’analyse et la mesure
QUESTIONNAIRE « cadrage » n°13
1. Dessiner un circuit électrique oscillant
Un exemple ce circuit électrique oscillant est un ensemble de résistance, self et capacité
disposés comme l'indique la figure
L
C
R
2. Citer un exemple d’oscillateur mécanique
L'oscillateur mécanique type est la masse suspendue à un ressort. On peut aussi citer la lame
vibrante
3. Citer un oscillateur atomique ou moléculaire
L'oscillateur atomique ou moléculaire est un atome ou une moléculaire qui possède un
moment dipolaire électrique variant sinusoïdalement par suite de l'interaction avec du
rayonnement
4. Citer un oscillateur optique
Le laser est un exemple d'oscillateur optique
5. Vous poussez un enfant assis sur une balançoire : où est l’oscillateur ? Où est
l’excitateur ?
La balançoire constitue l'oscillateur et vous êtes l'excitateur
6. Qu’est-ce que le phénomène de résonance ?
Un excitateur entre en résonance quand il est excité à sa fréquence propre
7. Citer des exemples d’utilisation pratique du phénomène de résonance.
Le phénomène de résonance est utilisé en Résonance Magnétique Nucléaire ou dans certains
capteurs comme les accéléromètres inertiels
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REPONSES AU QUESTIONNAIRE « cadrage » n°14
1. Que dit le principe fondamental de la dynamique ? (seconde loi de Newton)
Le principe fondamental de la dynamique peut s'énoncer de la façon suivante : "la somme des
forces appliquées à un mobile est égale à la dérivée par rapport au temps de sa quantité de
mouvement"
2. Que dit le premier principe de la thermodynamique ?
Le premier principe de la thermodynamique peut s'énoncer de la façon suivante : "dans un
cycle au cours duquel un système échange de la chaleur et du travail avec l'extérieur, la
somme algébrique des quantités de travail et de chaleur échangées est nulle"
3. Que dit le second principe de la thermodynamique ?
Le deuxième principe de la thermodynamique peut s'énoncer de la façon suivante : "le
passage de la chaleur d'un corps froid sur un corps chaud exige une dépense de travail"
4. Dans quel cas apparaît la force de Coulomb ?
La force de Coulomb apparaît quand une particule chargée est placée dans un champ
électrique
5. Que dit la loi de Laplace en magnétisme ?
La Loi Laplace en magnétisme concerne la force magnétique qui s'exerce sur une particule
chargée en mouvement placée dans un champ d'induction magnétique.
6. Que dit la loi de Lenz de l’induction électromagnétique ?
Tout conducteur en mouvement dans un champ d'induction magnétique est le siège d'une
force électromagnétique (f.e.m). Réciproquement tout conducteur immobile placé dans un
champ d'induction magnétique variable dans le temps peut être le siège d'une f.e.m. induite.