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Baccalauréat
Physique
D
2010
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Exercice 1: Mouvements dans les champs de force et leur applications.
Partie A: Champ électrique, champ de gravitation
On place au point O d’un plan horizontal, une particule (T) de masse m0 = 200µg et portant une charge q0 = +200 10-9C.
       1. On explore l’espace autour de cette charge à l’aide d’un dispositif sensible au champ électrique pour marquer les courbes (Ci ) le long desquelles la valeur du champ électrique crée par la charge q0 est la même.
          1.1. Faire un schéma sur lequel on représentera: la particule (T), quelques lignes de champ ainsi que quelques unes des courbes (Ci ).
          1.2. En un point M du plan horizontal précédent, tel que la distance d (O, M) = r, on place une petite particule (P) de masse m = 10 µg portant une charge q = -10 10-9C. Donner l’expression de la force électrique \({\overrightarrow F _e}\) que subit la particule en M puis calculer sa valeur.
          2. On explore maintenant l’espace autour de la particule (T) à l’aide d’un dispositif sensible au champ de gravitation pour marquer les courbes (Cj) le long desquelles la valeur du champ gravitation dû à (T) est la même valeur.
        2.1.. Faire un schéma sur lequel on représentera: la particule (T), quelque lignes de champ ainsi que quelques unes des courbes (Cj).
         2.2. Donner l’expression de la force de gravitation \({\overrightarrow F _g}\) que subit la particule (P) au point M de la question (1.2) puis calculer sa valeur.
3.Calculer le rapport de la valeur de la force électrique à celle de la force de gravitation que subit la particule (P) en M. Quelle réflexion vous inspire ce résultat?
On donne: constante de gravitation universelle G = 6,67*10-11 N.m2.C-2; r = 5 cm
Partie  B: Champ magnétique
         1. Dans une région où règne un champ magnétique uniforme (zone grisées sur les figures), on fait passer les tiges conductrices (1), (2) et (3), un courant de même intensité dans le sens et la direction indiquée par la figure 1 ci-dessous.
champ magntique uniforme 2
champ magntique uniforme 1
Faire pour chacune des tiges, un schéma sur lequel on reprendra le sens de 
\(\overrightarrow B \) et celui du courant dans la tige, puis la force magnétique qu’elle subit.
Quelle est parmi ces forces, celle dont l’intensité est la plus grande.
           2. On retire les tiges  (2) et (3). On installe pour permettre la circulation du courant des deux rails parallèles PN et P’N’ de telle sorte que le plan qu’ils définissent soit horizontal. (voir figure 2). La tige (1) étant au repos, on fait passer un courant d’intensité I = 1,2 A dans la tige.
          2.1. En appliquant les lois de Newton sur le mouvement de la tige (1), calculer l’accélération du mouvement de son centre d’inertie. On prendra d = 10 cm, B = 0,4 T et la masse de la tige (1) m = 18 g. on négligera le phénomène d’induction et on admettra que la tige glisse sans frottement sur les raies en restant parallèle à elle-même.
2.2. Déterminer la vitesse qu’acquière le centre d’inertie de la tige (1) au bout de 0,6 s.

Exercice 2: Système oscillants
Les questions 1 et 2 sont indépendantes.
       1. Pour déterminer la fréquence de vibration d’une lame vibrante, on utilise un stroboscope électronique dont la fréquence des éclairs varie de 20 à 1000 Hz. On excite la lame et on l’éclaire à l’aide du stroboscope, en augmentant progressivement la fréquence des éclairs. On a obtenu des immobilités apparentes à une seule lame en position basse, pour les fréquences suivantes: 20; 55; 110; 220; 440 Hz. Si on continue d’augmenter la fréquence, on obtient une immobilité haute, pour       880 Hz. Interpréter ces résultats et déterminer la fréquence de vibration de la lame.
        2.   A une tige rigide de masse négligeable, on fixe en B tel que d (O, B) = ℓ, une masse m, qu’on considère comme ponctuelle. Lorsque l’ensemble est à l’équilibre la tige verticale, B étant sous O. on écarte le pendule ainsi constitué de sa position d’équilibre en le tige verticalefaisant tourner par rapport à un axe horizontal (Δ) passant par O d’un angle θ0 (voir schéma) et on l’abandonne à lui-même. On néglige toutes les forces de frottements.
         2.1. En appliquant au pendule les lois de Newton sur le mouvement, établir l’équation différentielle qui régit son mouvement ultérieur.
      2.2. A quelle condition sur la valeur de θ0 peut-on considérer que le mouvement ultérieur du pendule est sinusoïdal?
       2.3. Cette condition étant remplie, on prend pour origine des dates la date où le pendule est abandonné à lui-même
On donne l=90cm,g=9,8m/s2 et θ0=0,05rad

Exercice 3: Phénomènes ondulatoires et  corpusculaires
Partie A : Ondes à la surface libre de l’eau
        1. On fixe une pointe à la lame d’un vibreur de fréquence 40Hz et on effleure la surface de l’eau peu profonde d’une cuve à ondes avec la pointe. Une onde transversale de même fréquence que le vibreur naît à la surface libre de l’eau de la cuve.
1.1. Que veut dire onde transversale?
        1.2. L’onde se propage à la surface de l’eau avec une célérité v = 0,28m.s-1.Après avoir définir l’expression « longueur d’onde », calculer la valeur de celle de l’onde qui se propage à la surface de l’eau de la cuve.
        2. On fixe maintenant sur la lame du vibreur, une fourche à deux pointes identiques. On fait effleurer la surface de l’eau de la cuve par deux pointes et on actionne le vibreur. on admet que les deux pointes sont des sources cohérentes .
 2.1. Que veut dire sources cohérentes?
         2.2. On éclaire le fond transparent de la cuve à onde à l’aide d’une lanterne suffisamment puissante pour permettre de voir l’ombre de la surface sur le plafond blanc de la pièce.
Décrire l’éclairement du plafond entre les ombres des deux pointes. On fera un croquis de l’aspect de l’ombre de la surface entre les deux pointes.
Partie B: Effet photoélectrique
1. Définir : Effet photoélectrique
         2. Une cellule photoélectrique a une cathode recouverte de potassium dont la fréquence seuil est υ0 = 5,6*1014 Hz. On l’éclaire avec une lumière monochromatique de longueur λ = 0,440 µm.
2.1 Qu’appelle t’on fréquence seuil, s’agissant de l’effet photoélectrique?
       2.2. Exprimer puis calculer la valeur de l’énergie cinétique maximale avec laquelle les électrons sont expulsés de la cathode.
On donne : Constante de Planck: h = 6,62 10-34 J.s; Célérité de la lumière dans le vide : C = 3,0 108 m.s-1 .

Exercice 4: Propagation d’ondes à la surface libre de l’eau     d’une cuve
On se propose de déterminer si la célérité des ondes se propageant à la surface libre de l’eau dépend ou non de la fréquence de celles-ci.
Pour ça on dispose d’une cuve à onde, d’un excitateur dont on peut régler la fréquence, d’un appareil photographique. On verse del eau dans la cuve l’eau dans la cuve jusqu’à une hauteur d’environ 2 cm. On fixe l’appareil photographique sur un pied et on règle la vitesse d’obturation à une vitesse adéquate. On règle la fréquence de la source à une valeur N puis on prend une photo. Pour N = 21,5 Hz, on a obtenu la photo représentée ci-contre.
         1. Comment procède t’on pour mesurer sur les photos, les longueurs d’ondes?
      2. Recopier et compléter le tableau ci-dessous.
N(Hz) 21,5 28,0 30,5 40,2 60,1
\(\lambda (cm)\) 1,2 0,94 0,90 0,70 0,51
\(v(m/{s^2})\)          
3. Tracer sur l’annexe à remettre avec la copie, la courbe des variations de la célérité en fonction de la fréquence avec les échelles suivantes: N : 2cm pour 10 Hz; v : 2cm pour 5cm.s-1
4. Conclure