Épreuve de Physique

Épreuve de Physique
Nom :
No :
Examen final 2014-2015
Classe : 1ère S A et B
Durée : 120 min
L’usage d’une calculatrice programmable est non autorisé.
I - Trajectoire d’une balle de golf ( 8 pts ).
Dans tout l’exercice, on considérera que : le référentiel terrestre est galiléen, le terrain est parfaitement horizontal et
les frottements dus à l’air sont nuls. Données : masse de la balle de golf : m = 50 g. et g = 10 m.s-2.
A – Le « drive » .
Un golfeur se présente au départ d’un parcours de golf. Le centre d’inertie G de la balle qu’il va lancer se
trouve en O (le point O n’est pas représenté sur le schéma ) À t = 0s, la balle est lancée à partir de O, dans un plan
vertical repéré par (Ox, Oy). {Ox horizontal et Oy vertical ascendant} avec une vitesse de valeur Vo = 144 km.h-1et
faisant un angle α = 40o avec Ox.
1 – Établir, en donnant toutes les explications nécessaires, les équations horaires x(t) et y(t)
du mouvement de G (expressions littérales puis numériques).
2 – En déduire la forme et l’équation cartésienne de la trajectoire de G (expression littérale puis numérique).représenter
cette trajectoire dans le repère proposé.
3 – À quelle distance du point O la balle retombe-t-elle ?
4 – Calculer le temps total qui s’écoule entre l’instant de départ de G et l’instant de son contact avec
le sol au point A.
5 – Déterminer et représenter sur le schéma la vitesse de G en arrivant au sol en A (sens, direction et module).
6 – Calculer la hauteur maximale atteinte par G.
B – Approche.
La balle touche le green (terrain en gazon) en A, roule et s’arrête en O’ ; le golfeur frappe la balle à l’aide de son
club à partir de O’ sans la soulever, et lui communique une vitesse de valeur 3,14 m.s-1 (Schéma ci-après) (la balle
glisse en ligne droite tout en restant en contact avec le sol) pour la faire tomber dans un trou situé à 5 m de O’. Les
forces de frottement s’exerçant sur la balle sont supposées constantes, parallèles à son déplacement, de sens contraire et
équivalentes à une force d’intensité f = 5,0.10-2 N.
1 – Méthode de la 2 ème loi de Newton.
a - Faire le bilan des forces s’exerçant sur la balle et les représenter sur le schéma.
b - Étudier le mouvement de G ; en déduire sa nature.
c - Établir l’équation horaire du mouvement de G notée x(t).En précisant les origines choisies
d - Quelle est la distance parcourue par la balle avant de s’arrêter ? L’approche est-elle réussie ?
2 – Méthode de l’énergie mécanique.
a - Pendant cette approche, peut-on parler de la conservation de l’énergie mécanique de la balle ?
Justifier votre réponse.
b – Retrouver la valeur de la distance parcourue par la balle avant de s’arrêter.
5 m
O’

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II- Circuit électrique ( 6 pts ).
Un générateur G est constitué par le groupement de N = 30 piles identiques de f.é.m. E1 et de résistance intérieure
r1 = 0,3 Ω chacune. G aura, suite à ce groupement une f.é.m. E = 15V et une résistance intérieure r = 1 Ω. Ce
groupement est constitué de p branches de m éléments chacune.
1. Donner l’expression de r en fonction de m, r1 et p, puis l’expression de E en fonction de m et E1. Déduire les
valeurs de m, p et E1.
2. Une résistance R = 2,25 Ω est reliée aux bornes de G. R plonge dans un calorimètre de masse 200g et de chaleur
massique c = 0,1 cal/g. oc contenant 200g d’eau. Le but de l’expérience est d’obtenir une élévation de température
∆θ maximale du calorimètre et de son contenu.
a. Comment doit-on grouper ces 30 piles pour que l’intensité I du courant débité par G soit maximale ?
b. Calculer les nouvelles valeurs de la force électromotrice E et de la résistance intérieure r de G.
c. Sachant que les pertes de chaleur sont négligeables calculer l’élévation de température ∆θ du calorimètre et de
son contenu pendant 10 min. On donne : 1calorie = 4,2Joules et chaleur massique de l’eau Ceau = 1 cal/g.oc
3. On réalise le circuit ci-après :
G est un générateur de f.é.m. E = 20V et de résistance intérieure r = 2Ω. M est un moteur de f.é.m. E’ = 10V et de
résistance intérieure r’ = 4Ω. R est un conducteur ohmique de valeur 10 Ω. Calculer les valeurs des courants :
I traversant la branche principale, I1 traversant M et I2 traversant R.
G
I K
I1 M
A B
I2 R
III - Etude d’une machine d’Atwood ( 6 pts ).
Un fil inextensible et de masse négligeable passe sur la gorge d’une poulie, de rayon r = 10cm, mobile sans
frottements autour de son axe horizontal. Le fil porte à ses deux extrémités deux cylindres identiques A et B, ayant
chacun pour masse M = 490g. La machine ainsi réalisée est en équilibre. On place sur A, à l’instant t = 0s, une
surcharge de masse m. Le cylindre A se trouve animé d’un mouvement uniformément accéléré d’accélération :
a = 0,2 m.s-2 dans les deux questions du problème.
On prendra g =10m.s-2, on négligera la résistance de l’air et on supposera que le fil ne glisse pas sur la gorge de la
poulie.
1. En supposant dans cette question que la masse de la poulie est négligeable.
a. Faire un schéma du montage sur lequel vous placez les forces appliquées à chaque élément du système.
b. En appliquant à la poulie la 2ème loi de Newton en rotation, démontrer que les tensions du fil sont égales de part
et d’autres de la poulie. Dans quelles autres conditions ces tensions sont-elles égales ?
c. Etablir la formule donnant l’expression de l’accélération a en fonction de M, m et g, en déduire la valeur de m.
2. a. La poulie ayant en réalité un moment d’inertie I par rapport à son axe. Etablir la formule donnant l’expression
de l’accélération en fonction de M, m, I, r et g, en déduire la valeur numérique de I. Prendre m = 25g.
b. Calculer les tensions du fil de part et d’autre de la poulie.