Probatoire
Physique
C & E
2009
Enoncés
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Exercice 1: Optique géométrique
Les parties 1 et 2 sont indépendantes.
1. réflexion et réfraction de la lumière
1.1. Donner les conditions pour lesquelles survient la réflexion totale de la lumière sur un dioptre plan. Citer un exemple d’application de
la réflexion totale.
la réflexion totale. 1.2. Calculer l’angle de réfraction limite du dioptre air-eau.
1.3. Une source ponctuelle S est placé sur le fond plan et horizontal d’une cuve en verre de forme parallélépipédique, contenant de l’eau. Un rayon lumineux issu de S et faisant un angle α = 50°.avec l’horizontale, tombe en un point I sur la paroi latérale de trace MN, rendue parfaitement réfléchissante. Le point I et la source S sont situés dans le même plan vertical.
Reproduire la figure et y tracer la marche du rayon SI, jusqu’à son émergence. On fera apparaître les calculs nécessaires. L’épaisseur de la paroi de la cuve sera négligée. On donne les indices de réfraction : de l’air: 1 et de l’eau : 1,33.
2. les lentilles
On se propose de mesurer par une expérience, la distance focale f d’une lentille L. pour cela, on dispose du matériel suivant: un petit objet lumineux \(\overrightarrow {AB} \) un écran et un banc d’optique. L’objet \(\overrightarrow {AB} \) est placé à 15cm en avant de la lentille, avec A sur l’axe principal de celle-ci. Puis, on déplace l’écran sur le banc d’optique, en arrière de la lentille , en vue de recueillir l’image de \(\overrightarrow {AB} \) sans succès.
2.1. Quelles hypothèses peut-on émettre sur la position de l’objet par rapport à la lentille, et sur la nature de cette dernière?
2.2. En plaçant l’objet à 30 cm en avant de la lentille, on recueille sur l’écran une image nette renversée \(\overrightarrow {A'B'} \) de hauteur deux fois celle de \(\overrightarrow {AB} \)
2.2.1 Quelle est la nature de la lentille L? sans aucun calcul, justifier la réponse.
2.2.2. A quelle distance de la lentille se trouve l’écran?
2.2.3.Construire sur la figure suivante, l’image de l’objet \(\overrightarrow {AB} \) En déduire la distance focale f de la lentille L.
Exercice 2: œil et instruments d’optique
1. Un œil myope voit nettement et sans accommoder un point objet situé à 80cm, sur son axe principale. Calculer la vergence de cet œil lorsqu’il n’accommode pas.
On prendra la distance rétine-cristallin égale à 15 mm.
2. L’objectif et l’oculaire d’une lunette astronomique sont assimilables à des lentilles convergentes L1 et L2 , de distances focales respectives f1 = 150cm et f2 = 5 cm.
2.1.Cette lunette astronomique est dirigée vers un objet \(\overrightarrow {AB} \) très éloigné. Quelle est, par rapport à l’objectif, la position de l’image intermédiaire \(\overrightarrow {{A_1}{B_1}} \) de \(\overrightarrow {AB} \)
2.2. L’oculaire donne ensuite de \(\overrightarrow {{A_1}{B_1}} \) une image définitive \(\overrightarrow {{A_2}{B_2}} \) .
L’œil myope de la question 1 est placé contre l’oculaire de la lunette précédente. L’observateur règle l’instrument pour que \(\overrightarrow {{A_2}{B_2}} \) se forme au PR de l’œil.
2.2.1. Déterminer, en appliquant la relation de conjugaison, la position de l’image intermédiaire \(\overrightarrow {{A_1}{B_1}} \) par rapport à l’oculaire.
2.2.2.Quelle est alors la distance O1O2 entre les centres optiques des deux lentilles?
2.2.3.Construire sur la figure suivante, l’image définitive \(\overrightarrow {{A_2}{B_2}} \) donnée par l’oculaire L2 .
Exercice 3: Energie électrique
Les parties 1 et 2 sont indépendantes
I Production du courant alternatif
1.1. Décrire à l’aide d’un schémas annoté, le principe des alternateurs.
1.2. L’un des éléments d’un alternateur est une bobine plate circulaire comportant N = 1500 spires, de rayon moyen R = 10 cm.
Cette bobine est placée dans un champ magnétique uniforme parallèle à l’axe de la bobine et dont l’intensité est B = 2.10-3 T.
1.2.1. Calculer le flux magnétique Φ qui traverse la bobine à le même sens que
On admettra que la normale \(\overrightarrow n \) au circuit de la bobine a le même sens que \(\overrightarrow B \)
1.2.2. On monte un milliampèremètre analogique aux bornes de la bobine, puis on fait varier l’intensité B suivant la loi horaire B = (-4.10-3 )t + 2.10-3. On constate que l’aiguille du milliampèremètre dévie au cours de la variation, montrant le passage d’un courant dans la bobine.
1.2.2.1 Quelle est la cause du courant observé?
1.2.2.2 Calculer la valeur numérique de la f.é.m.. instantanée induite dans la bobine.
2. Bilan d’énergie électrique dans un circuit
Une batterie d’accumulateurs de résistance interne négligeable, alimente sous une tension U = 12 V, un circuit série comprenant un électrolyseur de f.c.é.m. E’ = 4,8V et de résistance interne r’, et un résistor de résistance R. la résistance total du circuit est RT = 10 Ω.
2.1. Quelle est l’intensité du courant qui traverse le circuit?
2.2 Citer les formes d’énergie mises en jeu lors du fonctionnement de l’électrolyseur, puis écrire l’expression du rendement énergétique η de ce dernier en fonction de E’ et r’.
2.3. calculer r’ si η = 76,9%.
Exercice 4: Energie mécanique
Un pendule est constitué par une bille ponctuelle (B) de masse m = 0,1 kg, suspendue à un fil inextensible de masse négligeable et de longueur ℓ= 70 cm. L’autre extrémité du fil est attachée en un point fixe O. le fil est vertical à l’équilibre stable, la bille (B) étant à sa position la plus basse. Pour mettre le pendule en mouvement, on utilise un lanceur, qui et un ressort de raideur k = 80N/m, qu’on comprime en tirant sur une tige (T). Lorsque celle-ci est lâchée, le ressort se détendant, lance la bille avec une vitesse initiale horizontale. Le lanceur est retiré juste après cette opération. On négligera tout frottement et on admettra qu’il n’y a pas de perte lors de l’échange d’énergie entre le ressort et le pendule. On prendra l’origine de l’énergie potentielle de pesanteur sur le plan horizontal passant par la bille (B) à l’équilibre stable.
1. Le ressort a été comprimé de 5 cm. Calculer l’énergie mécanique EM0 communiquée au pendule par le ressort lors de son lancement .
En déduire l’angle maximal θm dont le pendule s’écarte de la verticale.
2.1. Citer les forces qui s’appliquent sur la bille au cours du mouvement du pendule.
2.2. Quelle (s) est (sont) parmi ces forces, celle (s) qui travaille
En déduire que le système {pendule-Terre} est conservatif.
3. Exprimer l’énergie potentielle de pesanteur EP du système {pendule-Terre} à une date t quelconque, en fonction de ℓ, et de l’écart angulaire θ du pendule par rapport à la verticale.
4. La figure ci-contre, donne la représentation de Ep , en fonction de θ.
Déduire de ce graphique, l’énergie cinétique du pendule lors de son passage par la position définie par θ = 15°, puis la valeur de la vitesse de la bille au passage par cette position.
On prendra g = 10 N/Kg.
