Baccalauréat
Physique
D & TI
2014
Enoncés
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L’épreuve comporte 04 exercice indépendants que le candidat traitera dans l’ordre de son choix.
Exercice 1: Mouvement dans les champs de forces et leurs applications
Exercice 1: Mouvement dans les champs de forces et leurs applications
1.1. Mouvement dans le champ de pesanteur
Au bas d’un plan incliné d’angle α = 20° sur l’horizontale, on lance sur la ligne de plus grande pente une caissette de masse m = 200g. Elle démarre avec une vitesse parallèle au plan de module v = 20 m.s-1. les frottements sont négligeables. Prendre g = 10 m.s-2. la figure ci-contre traduit la situation:
a) calculer sa vitesse vs acquise au sommet du plan de longueur L = 10m.
b) En supposant la caissette ponctuelle, établir l’équation cartésienne de la trajectoire décrite après le sommet du plan. On utilisera le repère proposé sur le schéma. On prendra pour origine des dates, l’instant où la caissette quitte le sommet du plan incliné.
c) Calculer la distance d séparant le sommet du plan et le point de chute de la caissette sur l’axe Ox.
1.2. Mouvement d’une particule chargé dans les champs électrique et magnétique
Une particule de masse m et de charge q entre dans une région où règne simultanément un champ électrique uniforme de vecteur \(\overrightarrow E \) et un champ magnétique aussi uniforme de vecteur \(\overrightarrow B \). Ces deux vecteurs champs orthogonaux le sont aussi par rapport au vecteur vitesse \(\overrightarrow v \) constant de la particule
a) Ecrire l’expression vectorielle de la force qui sollicite la particule.
b) Ecrire la formule vectorielle du théorème du centre d’inertie appliqué à la particule.
c) Donner la condition nécessaire pour que le mouvement de la particule soit uniforme.
d) En déduire l’expression du module v de la vitesse en fonction de E et de B.
Application numérique: E = 106 N/m; B = 0,1 T.
Exercice 2: Système oscillant
Un pendule simple est constitué d’une masse ponctuelle m = 100g accrochée à l’extrémité d’un fil inextensible de masse négligeable et de longueur l = 1 m. On l’écarte de la verticale d’un angle θ0 puis on l’abandonne sans vitesse initiale. On prendra l’horizontale de la position la plus basse de la masse comme niveau de référence de l’énergie potentielle de pesanteur. A un instant quelconque, le pendule en mouvement fait un angle θ avec la verticale du lieu.
a) Déterminer Ep de pesanteur du système {Terre-pendule} en fonction de m, g, l et θ.
b) Si θ est petit, on peut écrire: \(\sin (\theta ) = \theta \) et \(1 - \cos (\theta ) = 2{\sin ^2}(\frac{\theta }{2})\)
Donner la nouvelle expression de l’énergie potentielle Ep de pesanteur en fonction de m, g, l et θ.
c) On admet que le système est conservatif.
c).1. Définir un système conservatif.
c).2. Pour des oscillations d’amplitude θm = 10°, calculer l’énergie cinétique Ec du pendule au passage par la position: \(\theta = \frac{{{\theta _m}}}{2}\)
Prendre g = 10N/kg.
Exercice 3 : Phénomènes vibratoire et corpusculaire
3.1. Interférences mécaniques
Deux points O et O’ de la surface de l’eau contenue dans une cuve, émettent des ondes mécaniques synchrones de fréquence f = 20 Hz et de même amplitude A = 1 cm. La célérité de propagation des ondes dans le milieu est v = 10 cm.s1 .
a) Par la méthode de Fresnel, déterminer l’équation horaire d’un point M du milieu tel que:
\(\left\{ \begin{array}{l}OM = 5,5mm\\O'M = 8mm\end{array} \right.\) Préciser l’état vibratoire de ce point.
b) Faire un schéma clair montrant l’aspect final de la surface de l’eau.
3.2. Effet photoélectrique
On éclaire une source photoélectrique avec une lumière monochromatique de longueur d’onde λ = 0,6 µm. Le métal de la cathode possède une énergie d’extraction E = 3.10-19 J.
a) Justifier l’apparition de l’effet photoélectrique.
b) Calculer l’énergie cinétique maximale Ec des électrons émis.
On donne : h (constante de Planck) = 6,62 10-34J.s
Exercice 4 : Expérience
1. Domaine : Mécanique
2. Titre du TP: Le pendule simple incliné.
3. Objectif: Détermination de l’accélération de la pesanteur du lieu de l’expérience.
4. Matériel expérimental:
· Chronomètre
· Rapporteur
· Plan incliné d’angle α = 20°.
· Un clou pour la suspension du pendule
· Un fil inextensible de masse négligeable et de longueur variable.
· Une masse marquée que l’on supposera ponctuelle.
5. Schématisation
5. Protocole expérimental:A l’aide du rapporteur, on mesure l’angle d’écartement du pendule de la verticale apparente puis on l’abandonne pour θ = 9°. Avec le chronomètre, on mesure la durée de 10 oscillations du pendule pour une longueur déterminée L du fil. On obtient le tableau de mesures suivant:
| L(m) | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 1,0 | 1,2 | 1.3 |
| 10T | 28,7 | 30,7 | 32,6 | 34,3 | 37,6 | 39,2 |
6– Exploitation:
6-1– Pour un pendule simple vertical, la période propre des petites oscillation est de la forme :\({T_0} = 2\pi \sqrt {\frac{L}{g}} \)
En déduire celle T’ du pendule incliné ci-dessus en fonction de L, g et α.
6.2. Tracer la courbe T2 = f(L)
Echelle de représentation:
Abscisses: 1 cm pour 0,2 m; Ordonnées: 1cm pour 1s2
6.3. A partir de la courbe ci-dessus, déterminer la valeur expérimentale de l’accélération expérimentale gexp de la pesanteur du lieu de l’expérience.
