Probatoire
Physique
D & TI
2017
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Exercice 1 : Énergie mécanique /6 points
Une piste a pour profil une portion d'arc de cercle AB, située A dans le plan vertical, de centre O et de rayon r = 3,2 m. Un solide (S) de masse m = 1,2 kg, assimilable à un point matériel, part de A avec une vitesse vA = 8,4 m/s. On néglige les forces de frottement et on prend g = 9,8 N/kg.
1. Faire à l'aide d’un schéma, l'inventaire des forces appliquées au solide (S) lorsque celui-ci se trouve en A. 0,5pt 2. Énoncer le théorème de l'énergie cinétique. 1 pt
3. Calculer le travail de chacune des forces (voir question 1) sur le parcours de A à B. 1,5 pt
4. Calculer la valeur vB de la vitesse du solide (S) en B. 1 pt
5. En comptant nulle l’énergie potentielle de pesanteur du système que constitue le solide avec la Terre dans le plan horizontal contenant le point B, déterminer l'énergie potentielle de pesanteur du système {solide-Terre} lorsqu'il est en A et en déduire son énergie mécanique. 1,5 pt
Exercice 2 : Énergie électrique/ 7 points
Partie A - Étude d'un circuit électrique comportant un moteur / 2,5 points
Un circuit comprend, montés en série, les trois appareils suivants :
Un générateur de f.é.m. E = 9,2 V et de résistance interne r = 0,80 Ω
Un conducteur ohmique de résistance R = 33 Ω
Un moteur électrique de f.c.é.m. E’ = 3 V et de résistance interne r’ = 1,2 Ω
I. Faire le schéma de ce circuit.
2. Exprimer, puis calculer la valeur numérique de l’intensité I du courant qui traverse ce circuit. 0,5pt
3. Exprimer puis calculer la valeur numérique de la puissance électrique P1 fournie par le générateur. 0,5pt
4. Calculer la puissance électrique Pr reçue par le moteur et en déduire son rendement \(\eta \). 1 pt
Partie B Batterie de téléphone portable/ 2.25 points
Un téléphone comporte une « batterie » sur laquelle sont portées les indications suivantes : 3,7 V ; 950 mAh ; Li-Ion
l. Que représente chacune des indications ? 0,75 pt
2. Exprimer, puis calculer la valeur numérique de l’énergie électrique stockée par la batterie lorsque celle-ci est complètement chargée. 0,75 pt
3. Le téléphone est accompagné d‘un adaptateur secteur sur lequel sont portées les indications suivantes : Output 5.3 V - 500 mA.
Combien de temps doit-on connecter le téléphone à l’adaptateur secteur fonctionnant dans ses conditions nominales pour que sa batterie soit complètement chargée ? 0,75 pt
Partie C - Principe d ‘un alternateur / 2,25 points
On s'intéresse à un alternateur industriel (type utilisé dans les centrales hydroélectriques et thermiques) et on considère le schéma simplifié ci-dessous :
l. Quel type de conversion d’énergie l'alternateur permet-il de réaliser (De quelle forme d’énergie vers quelle forme)? 0,25pt
2. La bobine est-elle un élément de la partie mobile de l‘alternateur ? Quel est son rôle ? 0,5pt
3. Qu'est ce qui fait tourner l'arbre de turbine (voir le schéma) dans le cas d'une centrale hydraulique ? Répondre à la même question dans le cas d'une centrale thermique à flammes. 0,5pt
4. On suppose qu'un alternateur convertit 80% de l'énergie reçue Wr en électricité.
Calculer l'énergie électrique produite Wu par cet alternateur lorsqu’il a reçu 200 kJ. 0,5pt
5. Calculer alors l'énergie perdue Wp au cours du processus de production d'électricité. 0,5pt
Exercice 3 : Optique géométrique / 7 points
1. Faire un schéma pour montrer comment une lentille mince (L1) utilisée comme loupe (objet situé entre le foyer principal objet et le centre optique), permet d’observer un objet. On représentera : la lentille, ses foyers principaux, l'objet observé qu’on représentera comme une petite flèche ainsi que l'image qui est vue. 2 pts
2. On voudrait réaliser un modèle de lunette astronomique avec la lentille précédente (L1) et une autre lentille (L2).
2.1. Quel doit être la nature de la lentille à associer à la lentille (L1) pour réaliser la lunette ? 0,5pt
2.2. On donne la distance entre les foyers principaux des lentilles et leurs centres optiques : pour L1 : 5 cm et L2 : 75 cm.
Calculer la distance entre les deux centres optiques des lentilles pour que la lunette construite soit afocale. 1 pt
2.3. Laquelle des deux lentilles doit-on utiliser comme objectif de la lunette ? Justifier. 0,5pt
2.4. Construire, sans soucis de l’échelle, la marche de deux rayons lumineux parallèles issus d’un objet très éloigné dont l’un passera par le foyer principal objet de l’objectif à travers le modèle de lunette. On représentera l’image intermédiaire. 3 pt
