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Baccalauréat
Physique
D
2012
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Exercice 1: Mouvements dans les champs de force et leurs applications.
1) Tige parcourue par un courant dans un champ magnétique
Cuve a mercure
Une tige de cuivre (T) de longueur L, est mobile autour d’un axe horizontal (Δ) passant par son extrémité supérieur O. L’autre extrémité A de la tige plonge légèrement dans une cuve à mercure. L’ensemble baigne dans un champ magnétique    orthogonal au plan de la figure et de sens sortant (voir figure 1 ci-contre). On fait passer dans la tige un courant continu d’intensité I. celle-ci s’écarte de la vertical d’un angle α = 7°.
1.1. Quel nom donne-t-on à la force qui a provoqué le déplacement de la tige (T)? Calculer l’intensité de cette force.
     1.2. Représenter sur la figure ci-contre, les forces qui s’applique sur la tige (t), ainsi que le sens du courant qui la traverse.
      1.3. Ecrire la condition d’équilibre de la tige, puis en déduire la masse m de celle-ci.
On donne : L = 85 cm; B = 0,02 T; I = 2,2 A; g = 10N.kg-1 .
 2) champ de gravitation de la terre
On considère que la Terre présente une répartition de masse à symétrie sphérique.
      2.1. Faire un schéma où on représentera la Terre et le vecteur champ de gravitation \(\overrightarrow G \) qu’elle crée en un point M de son voisinage située à une distance r de son centre O.
2.2. Montrer que l’intensité G de \(\overrightarrow G \) en fonction de sa valeur G0 au niveau du sol a pour expression : \[G = {G_0}\frac{{R_T^2}}{{{r^2}}}\]
RT est le rayon de la Terre.
2.3. Dans un repère géocentrique, un satellite de la Terre décrit à vitesse constante une orbite circulaire de rayon r.
a) Qu’est ce qu’un repère géocentrique?
b) En appliquant au satellite la deuxième loi de Newton sur le mouvement, établir l’expression de sa vitesse v, en fonction de G0 , r et RT .
c) En déduire l’expression de la période de révolution T du satellite, puis calculer sa valeur numérique.
On donne G0 = 9,8 m.s-2 ; RT = 6400 km; r = 7 103 km.
Exercice 2: Les systèmes oscillants
L’enregistrement des variations de l’élongation θ en fonction du temps d’un pendule simple, est représenté sur la figure ci-dessous.Elongation d un pendule simple
Échelle : 1 div ↔0,5 s sur l’axe des temps. La masse du pendule est m = 100g et sa longueur ℓ.
1. Cet oscillateur est il harmonique? Justifier votre réponse.
2. Déterminer à l’aide du graphique ci-dessus la période propre T0 du pendule, puis calculer sa longueur ℓ. On prendra g = 9,8 ms-2
3. Déterminer l’équation horaire θ(t) du mouvement du pendule.
4. Calculer la valeur numérique de la vitesse angulaire maximale
     5. Calculer l’énergie potentielle maximale Ep max du pendule, puis en déduire son énergie mécanique. On prendra l’énergie potentielle de pesanteur nulle lorsque le pendule est à la verticale.
On fera l’approximation \(\cos (\theta ) = 1 - \frac{{{\theta ^2}}}{2}\)
Exercice 3: Phénomènes vibratoire et corpusculaire
     1) Interférences à la surface libre de l’eau d’une cuve à ondes.
Les deux pointes d’une fourche fixé à l’extrémité d’une lame vibrante, frappent simultanément en O1 et O2 la surface de l’eau contenue dans une cuve à ondes. La lame vibre à la fréquence f = 50Hz.
     1.1. Quelles conditions doivent remplir deux sources vibratoires S1 et S2 , pour qu’on observe le phénomène d’interférence dans le milieu de propagation? O1 et O2 remplissent-elles ces conditions?
      1.2. La célérité des ondes dans l’eau ci-dessus est c = 30 cm/s. Calculer la longueur d’onde λ.
1.3. Donner l’état vibratoire des points suivants du champ d’interférences:
\(M\left\{ \begin{array}{l}{d_1} = 15cm\\{d_2} = 3cm\end{array} \right.\)  \(N\left\{ \begin{array}{l}{d_1} = 8,4cm\\{d_2} = 27cm\end{array} \right.\)  \(P\left\{ \begin{array}{l}{d_1} = 16,5cm\\{d_2} = 15cm\end{array} \right.\)
 2) Radioactivité
Le fluor 18 est émetteur β-
      2.1. Ecrire l’équation de désintégration d’un noyau de fluor 18. on donne les symboles des éléments et leurs numéros atomiques: Oxygène (O, 8); Fluor (F, 9); Néon (Ne, 10); Sodium (Na, 11).
      2.2. Un échantillon de fluor 18 contient initialement N0 = 9,5 1010 noyaux radioactifs. Combien de noyaux radioactifs reste-il dans l’échantillon après 1h 15 min?
2.3.Quelle est à cette date, l’activité de l’échantillon?
On donne la demi-vie du fluor 18: T = 109,4s.
Exercice 4 : Expérience de physique
On se propose d’étudier l’influence de la tension UAC entre l’anode A et la cathode C d’une cellule photoélectrique, sur l’intensité du courant photoélectrique quelle produit. Pour réaliser l’expérience, on dispose: d’une cellule photoélectrique, d’un générateur de tension réglable, d’un voltmètre, d’un milliampèremètre, d’un interrupteur K, des fils de connexion et d’une source de lumière monochromatique S, de fréquence υ = 7 1014 Hz.
1. Compléter sur la figure ci-contre, le schéma de montage.cellule photoelectrique
2. Pour une puissance P de la source lumineuse S, on a obtenu la courbe de la figure ci-dessous.
2.1 Préciser le potentiel d’arrêt et l’intensité de saturation
         2.2. Donner une interprétation électronique de chacun des domaines suivants de la caractéristique: domaine (1):  \({U_{AC}} \le  - 1{\rm{V}}\)  
domaine (2) : \({U_{AC}} \ge 4{\rm{V}}\)
              2.3.Quelle est l’intensité du courant au point B de la courbe?
                 --Quelle explication peut-on donner?
2.4 Calculer en électronvolts (eV), l’énergie cinétique maximale des électrons émis par la cathode.
              2.5 Calculer (en eV), le travail d’extraction W0  d’un électron de la cathode. Données: e = 1,6 10-19 C; h = 6,62 10-34 J.s
Caracteristiques de la cellule photoemissive