Physique · Travaux Diriges du Mercredi 04 · 04 2023 · Tlec · Rédigé par : Domtchueng Hermann Patrick
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Exercices, méthodes & corrigés (9)
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Méthodes et corrigés
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EXERCICE 1
Ondes
1.1. Définir: Demi-vie, potentiel d'arrêt. 1pt 1.2. Enoncer la loi de Laplace et la première loi de Newton sur le mouvement. 1,5pt 1.3. On éclaire le dispositif des fentes de Young avec une lumière monochromatique. a) Qu'observe-t-on sur l'écran ? 0,25pt b) Quelle condition doit vérifier la différence de marche 8 pour qu'une frange soit brillante ? Sombre? 0,25pt c) Qu'observe-t-on lorsqu'on interpose sur le faisceau lumineux issu de F2 une lame à face parallèle ? 0,25pt d) Qu'observe-t-on lorsque la fente primaire F est déplacée du côté de F1 ? 0,5pt 1.4. Considérons la liste des dispositifs et composants électroniques suivante : électrode, antenne, relais élec- tromagnétique, écouteur, diode, photorésistance, transistor, microphone, thermistance, VDR. Classer les en deux familles: capteurs et dipôles commandés. 1pt 1.5. Considérons la liste des propriétés et phénomènes physiques suivante: effet Doppler, effet photoélec- trique, diffraction, effet Compton, interférence, réflexion et réfraction de la lumière. Classer les en deux fa- milles: aspects corpusculaire et ondulatoire. 1pt 1.6. Donner la relation traduisant l'effet Compton et expliciter ses termes. 1pt 1.7. Donner la différence entre l'inhalation et la contamination. 0,5pt 1.8. Citer les éléments d'une chaine électronique 1pt 1.9. Répondre par vrai ou faux : 0,75pt 1.9.1. Dans un microphone, la tension de sortie a une fréquence différente de celle de la voix du speaker. 1.9.2. Deux grandeurs physiques de natures différentes peuvent avoir même dimension. 1.9.3. Deux condensateurs déchargés, montés en série aux bornes d'un générateur continu; ont même charge. 3.3. L'électron dans l'atome d'hydrogène passe du niveau n au niveau inférieur p (p < n). Montrer que pour une transition de l'électron du niveau n au niveau p, la longueur d'onde du photon émis est donnée par la relation : K, où K est une constante dont on déterminera la valeur. 1pt An-p n-p Données : constante de Planck: h = 6,626.10-34 J.s; Célérité de la lumière dans le vide: C = 3.108 m.s¯¹; 1eV = 1,6.10-19J 4. On éclaire le dispositif des fentes de Young par une lumière monochromatique de longueur d'onde λ. On observe sur l'écran des franges d'interférences. On mesure la distance correspondante à 6 inter- franges et on trouve d = 5,474mm. On donne: a = 1mm et D = 1m 4.1. Calculer la longueur d'onde A de cette radiation. 0,5pt 4.2. Déterminer la distance qui sépare la 4e frange brillante et la 6e frange sombre de part et d'autre de la frange centrale. 0,75pt 4.3. On éclaire maintenant le dispositif par les radiations verte et rouge de longueur d'onde respective λ₁ = 500nm et A2. Les deux systèmes coïncident pour la première fois pour la 3e frange brillante de 11 et la 2e frange brillante de 12 par rapport à la frange centrale. Calculer λ2. 0,75pt
8 ptsEXERCICE 2
Atomistique
1. Le polonium Po subit la désintégration a en donnant un noyaux 218 84 X. 1.1. Ecrire l'équation de désintégration du polonium 21 Po. 0,5pt 1.2. La période radioactive du polonium 218 Po est de 3min 03s. Un échantillon renferme 1mg de 2 Po. Quelle masse de polonium 218 reste-t-il au bout de 12min 12s ? 1pt Extrait du tableau périodique : 80Hg 81Ti 83Bi 82Pb 85At 84P0 86Rn 2. Un expérimentateur, lors du déroulement de son expérience, s'intéresse à mesurer le temps T correspon- dant à la durée d'un phénomène physique. Des mesures répétées ont permis d'obtenir les valeurs suivantes. T(s) 3,56 3,58 3,57 3,52 3,54 2.1. Calculer la valeur moyenne du temps mesurée. 0,5pt 2.2. Déterminer l'incertitude élargie U(T) sur le temps T pour un niveau de confiance de 95%, sachant que le coefficient d'élargissement vaut k = 2,0. 1pt 2.3. Ecrire scientifiquement le résultat de ce mesurage. 0,5pt 3. Les niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène sont donnés par : E(ev) 0 -0,38 n=6 - 0,54 n=5 -0,85 n=4 -1,51 n=3 -3,4 n=2 - 13,6 n=1 En = (eV) où n, est entier tel que n ≥ 1 et Eo = 13,6 eV. Le dia- n gramme de la figure 1, représente sans souci d'échelle quelques niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène. 3.1. Comment qualifie-t-on l'état dans lequel se trouve l'atome d'hydrogène lorsque n = 1 ? Lorsque n > 1 ? 0,5pt 3.2. On considère l'atome d'hydrogène dans l'état n = 2. On l'expose a une lumière dichromatique de longueurs d'onde λ₁ = 657nm et λ2 = 520nm. - Seule l'une des radiations est absorbée; identifier la en justifiant. 1pt
8 ptsEXERCICE 3 - Partie A
Gravitation
Partie A: Détermination de la masse d'une planète / 4pts En 1997 a été une mission spatiale destinée a l'exploration de Saturne. Huit ans plus tard la sonde d'exploration s'est posée sur Titan le plus gros des satellites de Saturne. Le tableau ci-après rassemble les données relatives et a trois autres satellites de saturne. Satellite Distance moyenne au centre de saturne r (en km) Période de révolution T Rapport T2 / r³ Janus 159.103 17 h 38 min Encelade 238.103 1j 8h 53min Dione 377.103 2j 17h 41min Titan 1220.103 15j 22h 41min On s'intéresse à l'étude du mouvement d'un satellite supposé ponctuel de masse en orbite circulaire de rayon r autour de saturne. Le mouvement est étudié dans un référentiel lié à Saturne qui sera considéré comme un référentiel galiléen. On assimile Saturne a un corps à répartition sphérique de masse M. On donne la cons- tante gravitationnelle G = 6,67.10-11 N.m².kg-2 1. Par application de la deuxième loi de Newton, montrer que le mouvement du satellite est uniforme. 0,75pt 2. Etablir la relation entre la période de révolution T du satellite et le rayon r de sa trajectoire. 1pt 3. Recopier le tableau ci-dessus et le compléter. 1,5pt 4. En déduire la masse M de saturne. 0,75pt
4 ptsEXERCICE 3 - Partie B
Atomistique
Partie B: Utilisation des acquis dans le contexte expérimental / 4pts On éclaire une cellule photoélectrique par un faisceau lumineux monochromatique de longueur d'onde λ et on mesure le potentiel d'arrêt Uo de la cellule. On répète l'opération en utilisant diverses radiations et on ob- tient les résultats ci-après : λ (x10-6m) 0,58 0,56 0,50 0,43 0,42 0,40 0,36 Uo(V) 0,20 0,50 0,56 0,93 1,00 1,18 1,50 1. Tracer sur le papier millimètre à remettre avec la copie le graphe U = . 1,5pt Echelle: 10cm pour 1V et 0,5cm pour 0,1x106 m-1. 2. Déterminer à l'aide du graphe U₁ = la constante de Planck h, la longueur d'onde seuil λ0. 2pts 3. Laquelle des radiations de longueur d'onde λ1 = 0,8µm et λ2 = 0,5µm éclairant cette cellule photoémissive pourra-t-elle produire un effet photoélectrique ? Justifier. 0,5pt
4 ptsPartie C
Ondes
Partie C: Interférence lumineuse et effet photoélectrique/2points 2.2.1. Un laser He-Ne de longueur d'onde λ = 633nm éclaire les fentes F1 et F2 de Young. F1F2= a=1mm. L'écran d'observation est situé à 1m des fentes. a) Calculer l'interfrange i. 0,5pt b) Quel est l'aspect d'un point de l'écran situé à la distance x=13,293mm de la frange centrale? 0,5pt 2.2.2. Le laser précédent éclaire la cathode d'une cellule photoémissive constituée d'une plaque de césium dont le travail d'extraction est Wo=1,89eV. Calculer la vitesse d'un électron émis et le potentiel d'arrêt de la cellule. 1pt Données : h= 6,62×10-34J.s ; C = 3×108 m/s ; m = 9,1×10-31 Kg ; e = 1,6×10−19 J
2 ptsPartie D
Électromagnétisme
Partie D: Mouvement dans les champs électrique et magnétique uniformes/1,5point Un ion Br¯ de masse m₁₁- =1,3×10−25 Kg initialement au repos est accéléré par un champ électrique uniforme crée par une tension U appliquée entre deux plaques verticales A et B, U = 4×10³ V . 2.3.1. Calculer la vitesse de cet ion à la sortie du champ. 0,5pt 2.3.2. A la sortie de la plaque B cet ion pénètre dans une zone où règne un champ magnétique uniforme B=0,05T. Donner la nature de son mouvement dans cette zone et calculer la caractéristique de sa trajectoire. 1pt
1.5 ptsPartie E
Oscillations
Partie E : Pendule élastique/2,5point L'équation horaire d'un pendule élastique horizontal, constitué d'un solide de masse m=0,1kg relié à un res- sort de raideur k est : x(t) = 2×10-3 sin(5t + 1,57) où x (en mètre) et t (en seconde). 2.4.1. Déterminer la constante de raideur K du ressort. 1pt 2.4.2. Déterminer l'énergie potentielle et l'énergie cinétique maximales puis en déduire l'énergie mécanique et la vitesse maximale. 1,5pt
2.5 ptsPartie F
Atomistique
Partie F: Niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène/1point L'atome d'hydrogène étant dans son premier état excité, on lui envoie les photons d'énergies 2,203 eV; 2,856 eV et 13,891 eV. Le(s) quel(s) sera (seront) absorbé(s) par l'atome? Préciser l'état du système après absorption. 1pt
1 ptsSituation 1
Radioactivité
PARTIE B: EVALUATION DES COMPETENCES/ 8 POINTS Situation 1: Caractérisation du lieu d'expérimentation Pour traiter le cancer de la prostate, I'OMS prescrit l'utilisation des nucléides radioactifs tels que : l'iode-125 émetteur ẞ de demi-vie huit(8,0) Jours et le radium-223 émetteur a. Lors des tests cliniques, un spécialiste de cette maladie a constaté qu'un patient traité avec l'iode-125, guérit après environ cinq (5,0) semaines alors qu'un autre patient présentant pratiquement les mêmes défenses immunitaires, injecté d'une dose contenant une masse mo de radium-223; guérit de cette maladie s'il y a déjà dans son organisme au moins 489,1mg du nucléide X (nucléide fils du radium- 223). Evolution de l'activité dans l'organisme du patient après injection de la dose contenant la masse mo de ra- dium t (temps en jours) 0 11 33 55 77 99 121 154 In A InAo 33.83 32,44 31,06 29,67 28,28 26,90 24,13 Extrait du tableau de classification périodique Polonium: 84 Po Astate: 85 At Radon : 86 Rn Francium : 87 Fr Radium : 88 Ra Actinium: 89 Ac Donnée : Nombre d'Avogadro N₁ = 6,02×1023 mol¯¹. A l'aide des informations ci-dessus et en faisant l'hypothèse que le nucléide fils X est stable, propose au spé- cialiste parmi les deux nucléides radioactifs celui qui présente plus d'intérêt pour le traitement du cancer de la prostate. 8pts
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