Probatoire
Physique
C & E
2010
Enoncés
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Exercice 1: Energie électrique
Les questions 1 et 2 sont indépendantes
1. La pile-bouton au mercure est une pile alcaline de f.é.m. égale à 1,35 V. le pôle négatif de cette pile est une pastille de zinc, et le pôle positif est constitué par une couche d’oxyde de mercure (II) HgO mélangé à un peu de graphite en poudre. Les couples d’oxydoréduction mis en jeu dans cette pile sont Zn2+ /Zn et HgO /Hg
1.1. Quand dit-on d’une pile qu’elle est alcaline?
1.2 Donner un avantage et un inconvénient de la pile-bouton au mercure.
1.3. Sachant que l’oxyde de mercure (II) est réduit en présence des molécules d’eau en mercure métal avec formation d’ions hydroxydes, écrire les demi-équations aux électrodes lors du fonctionnement de cette pile.
1.4. Dans certains briquets à gaz, une petite lampe est alimentée par trois piles-bouton au mercure identiques, associés en série. Ce générateur peut débiter un courant de 0,30 mA pendant une durée de 100 heures. Calculer la masse minimale de zinc que chacune de ces piles doit alors contenir.
On donne N * e = 1F = 96500 C.mol-1 Mzn = 65,4 g.mol-1 .
2. le rotor de l’alternateur d’une bicyclette tourne à la vitesse angulaire ω = 2,56 rad.s-1 . Il alimente sous une tension U = 6V deux lampes L1 et L2 montées en déviation à ses bornes. L1 et L2 consomment respectivement les puissances électriques P1 = 4,5W et P2 = 6W.
2.1. L’énergie fournie aux deux lampes par l’alternateur pendant une durée Δt représente les 95% de l’énergie qu’il reçoit pendant la même durée.
2.1.1. Les autres 5% de cette énergie reçue sont transformés en chaleur. Citer un des endroits de l’alternateur où peut avoir lieu cette transformation.
2.1.2. Faire un diagramme des échanges d’énergie qui ont lieu entre l’alternateur et le milieu extérieur.
2.2. Calculer la puissance P reçue par l’alternateur, puis en déduire le moment M du couple qui entraine en rotation le rotor de cet alternateur.
Exercice 2: Energie mécanique
Un solide de masse m = 200 g se déplace sur un plan incliné d’un angle α = 20° par rapport à l’horizontale. Il suit au cours de son déplacement la ligne de plus grande pente du plan. On se propose de déterminer expérimentalement l’intensité f de la force de
frottement supposée constante à laquelle ce solide est soumis au cours de son mouvement.
Le tableau ci-après donne les distances l parcourues par le solide entre l’instant t relevé, ainsi que ses énergies cinétique correspondantes EC . On prendra g = 10N.kg-1
| t | t0 | t1 | t2 | t3 | t4 | t5 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| l (10-2m) | 0 | 2,2 | 4,8 | 7,8 | 11,2 | 15,0 |
| EC (10-2 J ) | ECO | 3,6 | 4,9 | 6,4 | 8,1 | 10 |
1. Faire à l’aide d’un schéma, l’inventaire des forces qui s’appliquent sur le solide au cours du mouvement.
2. Soient EC0 et EC les énergies cinétiques du solide respectivement aux dates t = 0 et t quelconque. En utilisant le théorème de l’énergie cinétique, exprimer EC en fonction de EC0 , α, f et la distance l parcourue par le solide entre deux dates.
3. Tracer sur l’annexe ci-après, la courbe EC = f( l ) représentant les variations de l’énergie cinétique en fonction de la distance l, parcourue à partir de la date t = 0.
Echelle : 1cm ↔2.10-2 m; 1cm ↔ 10-2 J.
4. En comparant l’équation de la courbe obtenue et l’expression de EC de la question 2, déterminer:
4.1. L’énergie cinétique du solide à la date t = 0;
4.2. La valeur expérimentale de l’intensité f de la force de frottement.
Exercice 3 : Optique géométrique
Les questions 1 et 2 de l’exercice sont indépendantes
1. Une cuve contient sur une hauteur h = 10cm, un liquide transparent d’indice n. Un pinceau lumineux monochromatique SI cheminant dans l’air, arrive sous une incidence i à la surface plane et horizontale du liquide.
1.1. Quels sont les deux phénomènes physiques qui se produisent en I, à la surface de séparation air-liquide?
1.2. Le pinceau réfracté dans le liquide forme une petite tâche lumineuse en A sur le fond plan et horizontal de la cuve. Lorsque celle-ci est vidée de son contenu, le rayon SI arrive en B tel que AB = 3,72 cm
1.2.1. En déduire sans faire de calcul que l’indice de réfraction n du liquide est supérieur à celui de l’air.
1.2.2. Sachant que i = 45°, calculer les distances PB et PA, puis l’angle de réfraction r du pinceau dans le liquide.
1.3. En appliquant la deuxième loi de la réfraction, calculer l’indice de réfraction n du liquide.
2. Une lentille biconvexe L1 de distance focale f1 = 50 cm est taillée dans du verre ordinaire d’indice 1,5.
2.1. Les deux faces de L1 ont le même rayon de courbure R.
Donner l’expression de R puis calculer sa valeur numérique.
On rappelle la formule: \(C = (n - 1)\left( {\frac{1}{{{R_1}}} + \frac{1}{{{R_2}}}} \right)\)
2.2. On place verticalement en avant de la lentille L1 une flèche lumineuse \(\overline {AB} \) de 2 cm de hauteur. Le talon A de la flèche est sur l’axe principal de L1, et à 1 m de son centre optique O1 .
2.2.1. Déterminer par le calcul la position, la nature, le sens et la grandeur de l’image \(\overline {A'B'} \) de \(\overline {AB} \) donnée par la lentille L1 .
2.2.2. On place à l’arrière de L1 une deuxième lentille L2 , de centre optique O2 et de distance focale f2 = -120 cm. O2 est à 40 cm de O1 , et les axes optiques principaux des deux lentilles sont confondus.
a) Construire sur la figure ci-dessous l’image \(\overline {A''B''} \) de \(\overline {A'B'} \) donnée par la lentille L2
b) Peut-on recueillir l’image sur l’écran ? Justifier votre réponse?
Exercice 4 : Œil et instrument optique
1. La figure ci-contre représente la marche dans l’œil réduit, d’un faisceau lumineux parallèle à son axe principal.
Quel est le défaut d’accommodation de cet œil? Justifier la réponse.
2. Comment corrige-t-on ce défaut?
3 Un œil myope dont la distance maximale de vision distincte est Dm = 73,5 cm, est placé contre l’oculaire d’une lunette astronomique dirigé vers un astre.
3.1. Par rapport à l’objectif de la lunette, où est situé l’image intermédiaire qu’il donne à l’astre?
3.2. L’observateur met au point l’instrument, de manière à voir nettement l’image définitive de l’astre donné par l’oculaire, sans accommoder. En appliquant la formule de conjugaison, déterminer la position de l’image intermédiaire par rapport à l’oculaire, puis en déduire les distances entre les centres optiques O1 et O2 de l’objectif et de l’oculaire.
On donne les distances focales : de l’objectif: f1 = 100 cm; de l’oculaire : f2 = 5 cm.
