Sujet de bac physique FR 2011

BACCALAUREAT EUROPEEN 2011
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DATE : 14 juin 2011
DUREE DE L’EXAMEN :
3 heures (180 minutes)
MATERIEL AUTORISE :
Calculatrice (non programmable et non graphique)
REMARQUES PARTICULIERES :
 Choisir 4 questions parmi les 6 questions données.
 Indiquer votre choix de questions en cochant d’une croix les cases appropriées
du document joint à cet effet.
 Utiliser une page différente pour chaque question.
PHYSIQUE

BACCALAUREAT EUROPEEN 2011 : PHYSIQUE
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Question 1
Page 1/2 Barème
Dans cette question, tous les satellites se déplacent sur des orbites circulaires autour
de la Terre.
a) i. Un satellite circule sur une orbite de rayon r.
T est la durée mise pour parcourir un tour.
Démontrer la relation suivante entre r et T pour le satellite :
T
π
rGM
T
3
22
4
Dans cette relation, G est la constante de gravitation universelle et MT est la
masse de la Terre.
3 points
ii. Deux satellites circulent sur des orbites de rayons r1 et r2 avec des vitesses
respectives v
1 et
v
2.
Démontrer que
2
12
21
r
r
v
v
3 points
b) Le Télescope Spatial Hubble (HST) dont la masse vaut 4
110 10 kg, circule avec
une période T de 96,7 minutes.
i. Calculer la hauteur au-dessus de la surface de la Terre à laquelle circule le HST. 4 points
ii. Calculer la vitesse du HST sur son orbite. 2 points
iii. Montrer que l’énergie mécanique du HST sur cette orbite vaut 11
3,14 10 J . 3 points

BACCALAUREAT EUROPEEN 2011 : PHYSIQUE
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Question 1
Page 2/2 Barème
c) Imaginons que le HST soit transféré sur une orbite géostationnaire.
i. Calculer le rayon de cette orbite. 3 points
ii. Calculer l’énergie minimale nécessaire pour ce changement d’orbite. 4 points
d) La Lune circule autour de la Terre sur une orbite de rayon égal à 8
384 10 m,.
Calculer la période de cette orbite. Exprimer la réponse en jours. 3 points
Données :
Constante de gravitation universelle 11 3 1 2 667 10 m·kg ·s
–––
G ,
Masse de la Terre 24
T=5 97 10 kgM,
Rayon de la Terre 6
T637 10 mR,

BACCALAUREAT EUROPEEN 2011 : PHYSIQUE
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Question 2
Page 1/2 Barème
a) Pour déterminer la charge massique
e
e
m de l’électron, on utilise le montage
expérimental de la fig. 1. Des électrons sont émis avec une vitesse initiale
négligeable par un filament chauffé et sont accélérés depuis la cathode C vers
l’anode A à l’aide d’une différence de potentiel U. A la sortie de l’anode, leur
vitesse est perpendiculaire à un champ magnétique uniforme
B
.
i. Montrer que la vitesse
v d’un électron de masse e m arrivant à l’anode est
donnée par l’expression : 2
e
eU
m
v
3 points
ii. Expliquer pourquoi la trajectoire des électrons, après leur sortie de l’anode, est
circulaire.
3 points
iii. Montrer que l’équation suivante est valable pour ces électrons circulant sur une
trajectoire circulaire de rayon r :
e
e
mBr
v
2 points
iv. Etablir une expression de la charge massique de l’électron en fonction de U, B
et r.
3 points
r
B
C
A
U
fig. 1

BACCALAUREAT EUROPEEN 2011 : PHYSIQUE
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Question 2
Page 2/2 Barème
v. Lorsque 200 VU et 1,00 mTB, le rayon r de la trajectoire des électrons
est égal à 4,8 cm.
1. Calculer la charge massique de l’électron. 2 points
2. Calculer la masse de l’électron dans cette expérience. 2 points
vi. Si la différence de potentiel U est doublée, calculer le facteur multiplicatif du
rayon r de la trajectoire. 2 points
b) En 1908, Alfred Bucherer a utilisé un montage expérimental décrit à la fig. 2 dans le
but de vérifier l’augmentation de masse de l’électron lors de son augmentation de
vitesse, effet prédit par Einstein.
P est une source radioactive β qui émet des électrons à une vitesse proche de celle
de la lumière. L’application d’un champ électrique
E
(de valeur E = 7,2·105 V/m )
et d’un champ magnétique
B
(de valeur B = 3,0 mT ), permet de réaliser, avec la
fente S, un sélecteur de vitesse.
B
est perpendiculaire au plan de la feuille.
E
est
perpendiculaire à
B
.
.
Après le passage par la fente S, les électrons parcourent, sous l’influence de
B
un
arc de cercle de rayon r = 0,76 m.
i. Expliquer pourquoi seuls des électrons de vitesse bien déterminée peuvent
traverser la fente S.
3 points
ii. Calculer la vitesse des électrons au sortir de la fente S. 2 points
iii. Calculer la masse de l’électron dans cette expérience et comparer avec la valeur
obtenue en a) v. 2.
3 points
Donnée :
Charge électrique élémentaire 19
1,60 10 Ce
fig. 2
écran
P S
B
E
B