PHYSIQUE BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE -- SESSION 2003 Épreuve : PHYSIQUE - CHIMIE

BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE -- SESSION 2003
SERIE SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LABORATOIRE
SPÉCIALITÉ : CHIMIE DE LABORATOIRE ET DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS
Épreuve : PHYSIQUE - CHIMIE
PHYSIQUE
Durée 2 h
Coefficient 3
Calculatrice autorisée.
Une feuille de papier millimétré est fournie
I. ÉTUDE D’UN DIPÔLE RLC
1. Étude d’un dipôle AB
On considère un dipôle AB constitué de l’association en série d’une bobine d’inductance L égale à
0,16 H et de résistance RB égale à 16 Ω, d’un conducteur ohmique de résistance RC = 50 Ω et d’un
condensateur de capacité C = 3,4 µF.
Ce dipôle AB est soumis à une tension sinusoï dale u délivrée par un générateur.
Sur l’écran d’un oscilloscope, on visualise sur la voie 1 la tension u aux bornes du générateur G et sur
la voie 2 la tension uR aux bornes du conducteur ohmique.
On obtient l’oscillogramme représenté sur la figure ci-dessous :
Voie 1
Réglages de l’oscilloscope :
- Sensibilité voie 1 : 1 V/div
- Sensibilité voie 2 : 0,5 V/div
- Vitesse de balayage : 0,5 ms/div
Voie 2
1.1. Faire le schéma du montage en indiquant les branchements de l’oscilloscope.
1.2. Indiquer l’intérêt de visualiser la tension sur la voie 2.
1.3. Calculer la période, la fréquence et la pulsation des tensions observées.
1.4. Déterminer les valeurs maximales et efficaces de la tension u aux bornes du générateur et
de l’intensité i du courant dans le circuit.
1.5. Calculer le déphasage ϕu/i de la tension u par rapport à l’intensité i. Indiquer si le dipôle est
inductif ou capacitif.
1.6. Déterminer l’impédance Z de ce dipôle.
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2. Étude de la bobine d’inductance L et de résistance RB.
La bobine d’inductance L = 0,16 H est placée dans le montage ci-dessous, le circuit étant alimenté par
un générateur de tension continue :
K
L1 et L2 sont deux lampes identiques.
r est un conducteur ohmique de résistance r = 100 Ω.
L1
L, RB
L2
r
2.1. À la fermeture de l’interrupteur K, on constate que la lampe L1 s’allume après la lampe L2.
Proposer une explication et nommer le phénomène physique mis en évidence.
2.2. Calculer l’énergie électromagnétique W emmagasinée par la bobine lorsqu’elle est
parcourue par un courant d’intensité I = 5,0 A.
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II. LE THERMOMÈTRE À DIODE
Un capteur est un instrument de mesure qui convertit une grandeur physique (température, flux
lumineux …) en un signal électrique (tension, intensité …).
Dans le cas d’un capteur de température, l’objectif est d’obtenir une tension U (en V) proportionnelle à
la température θ (en °C) telle que : U = 10-3×θ.
L’utilisation d’un voltmètre numérique, sur le calibre mV, permet alors de lire directement une valeur
de température.
1. La diode : un capteur de température.
La tension aux bornes d’une diode au silicium varie en fonction de sa température.
Le dispositif expérimental, représenté ci-dessous, permet de relever, pour différentes températures de
l’eau, la tension aux bornes de la diode.
A
-
V
+
thermomètre
I
L’intensité I est fixée à 4,0 mA.
eau
plaque
chauffante
Pour différentes valeurs de la température θ de l’eau, on a relevé la tension Ud aux bornes de la diode.
Tableau de valeurs :
θ
/°C
Ud /V
10
16
24
30
37
41
44
50
57
62
66
70
0,651 0,636 0,620 0,607 0,592 0,583 0,577 0,565 0,549 0,540 0,530 0,520
1.1. Tracer, sur papier millimétré, la courbe représentant la tension Ud en fonction de la température θ.
Échelle à utiliser :
- abscisses :
1 cm correspond à 5 °C
- ordonnées :
1 cm correspond à 0,01 V (l’origine des ordonnées est prise à 0,500 V)
1.2. Vérifier que cette courbe peut être assimilée à une droite dont l’équation est :
Ud = – a×10-3×θ + U0, Ud en V.
Déterminer graphiquement les valeurs de U0 et de a et préciser leurs unités.
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2. Réalisation du thermomètre.
Le thermomètre à diode correspond au montage ci-dessous :
R
R1
-
R
P
R
+
E
S
E
A.O.1
+
-
E'
+
S'
A.O.2
US
R
Ud
E'
+
U
R
V
-
M
Le montage comprend :
- deux amplificateurs opérationnels (A.O.) supposés idéaux en régime linéaire ;
- cinq conducteurs ohmiques de résistance R = 10 kΩ ;
- un conducteur ohmique de résistance réglable R1 ;
- un potentiomètre P ;
- un voltmètre V sur le calibre mV.
2.1. Rappeler les propriétés d’un A.O. idéal en régime linéaire
2.2. On étudie la première partie du montage comprenant la diode et l’A.O.1. Cette partie constitue un
montage soustracteur. On montre pour ce montage que US = Ud – U.
2.2.1. Justifier le nom de ce montage.
2.2.2. Le potentiomètre P permet de faire varier la tension U.
Indiquer la valeur à donner à U pour que la tension de sortie US soit égale à − a×10-3×θ.
2.3. On étudie maintenant l’autre partie du montage.
2.3.1. Indiquer le nom de cette partie du montage.
2.3.2. En utilisant la loi des n œuds et la loi des mailles, montrer que U’S = − R1 US
R
2.3.3. Calculer la valeur à donner à R1 pour que U’S = 10-3×θ.
2.3.4. Donner la valeur indiquée par le voltmètre si θ = 20 °C.
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U'S