PHYSIQUE 1 - ts.leon.free.frts.leon.free.fr/13_14/DS_8.pdf · 6/ Exprimer le flux thermique...
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TS Devoir surveillé n°8 – durée : environ 2 h Données : g = 9,81 m/s 2 ; N A = 6,02.10 23 mol -1 ; c = 3,00.10 8 m/s M(H) = 1,00 g/mol ; M(O) = 16,0 g/mol PHYSIQUE 1 : jeux olympiques (8 pts) Lors d'un saut à ski, un skieur de masse m = 70,0 kg s'élance du haut d'un tremplin. On modélise le tremplin par une piste AB rectiligne de longueur L = 90,0 m faisant un angle α = 35,0° avec l'horizontale. On assimile le skieur à son centre de gravité G. Il part du point A sans vitesse initiale. L'altitude du skieur est repérée sur un axe Oz vertical dirigé vers le haut. Dans un premier temps, on néglige les frottements. 1/ Schématiser le tremplin et pour une position du skieur entre les points A et B, dessiner les forces qui s'exercent sur le skieur (sans souci d'échelle). Nommer ces forces. 2/ Montrer en utilisant la 2ème loi de Newton que l'accélération du skieur a pour expression a = gsinα . 3/ En déduire qu'au bout du temps t, le skieur parcourt la distance d = ½ gsin α t 2 . 4/ Calculer alors durée t d de descente. 5/ Ecrire l'expression de l'énergie mécanique du skieur en A puis en B. 6/ Comment évolue l'énergie mécanique du skieur entre A et B ? 7/ En déduire que v B = √ 2g ( z A − z B ) . 8/ Calculer la valeur de v B . En réalité v B = 90,0 km/h. On suppose maintenant que les frottements peuvent être assimilés à une force f constante, parallèle à la piste, s'exerçant sur le skieur. 9/ Cette force est-elle conservative ? Justifier en donnant 2 propriétés d'une force conservative. 10/ Exprimer le travail de cette force entre A et B en fonction de la variation d'énergie mécanique entre A et B. 11/ En déduire la valeur de ce travail en utilisant v B = 90,0 km/h. 12/ Donner l'expression de ce travail sur le déplacement AB en fonction de f et de AB. 13/ Calculer finalement l'intensité f de la force de frottement. PHYSIQUE 2 : oscillations et spectroscopie IR (4 pts) La molécule d'eau à l'état de vapeur absorbe le rayonnement infrarouge en présentant notamment une chute de transmittance pour λ = 2,74 µm. 1/ Calculer la fréquence f et le nombre d'onde σ correspondants à cette longueur d'onde. Cette absorption peut-être expliquée en assimilant la liaison O-H de la molécule d'eau à un système solide-ressort dont la fréquence propre serait la fréquence d'absorption du rayonnement. On note k la constante de raideur associée et μ la masse réduite (voir document fin d'énoncé ) du groupe O-H. 2/ Rappeler le lien entre la masse molaire atomique M et la masse m d'un atome. 3/ Calculer μ. 4/ En écrivant μ = Ak a f b , déterminer les valeurs de a et b par analyse dimensionnelle (on rappelle que k s'exprime en kg.s -2 ) 5/ On montre que A = 1 4 π 2 . En déduire la valeur de la constante de raideur de la liaison O-H. PHYSIQUE 3 : laine de verre (4 pts) Sur Wikipedia, on peut lire ceci : la laine de verre est un isolant thermique de conductivité thermique comprise entre 0,032 et 0,044 W·m -1 ·K -1 . Un échantillon de laine de verre sépare 2 zones de températures respectives θ A = 10 °C et θ B = 30 °C. L'échantillon a pour épaisseur e = 240 mm et pour surface S = 1,5 m 2 . On mesure dans ces conditions une énergie transférée de 36 kJ en 2,0 h. 1/ Schématiser la situation et indiquer le sens du transfert thermique en justifiant rapidement. 2/ Quel mode de transfert thermique est prépondérant dans cette situation ? 3/ Calculer le flux thermique correspondant. 4/ En déduire la résistance thermique R th de cet échantillon. 5/ Calculer alors la conductivité thermique λ de la laine de verre utilisée. Comparer à ce qu'on peut lire sur Wikipedia.
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TS Devoir surveillé n°8 – durée : environ 2 h
Données : g = 9,81 m/s2 ; NA = 6,02.1023 mol-1 ; c = 3,00.108 m/sM(H) = 1,00 g/mol ; M(O) = 16,0 g/mol
PHYSIQUE 1 : jeux olympiques (8 pts)Lors d'un saut à ski, un skieur de masse m = 70,0 kg s'élance du haut d'un tremplin.On modélise le tremplin par une piste AB rectiligne de longueur L = 90,0 m faisant un angle α = 35,0° avec l'horizontale.On assimile le skieur à son centre de gravité G. Il part du point A sans vitesse initiale.L'altitude du skieur est repérée sur un axe Oz vertical dirigé vers le haut.Dans un premier temps, on néglige les frottements.1/ Schématiser le tremplin et pour une position du skieur entre les points A et B, dessiner les forces qui
s'exercent sur le skieur (sans souci d'échelle). Nommer ces forces.2/ Montrer en utilisant la 2ème loi de Newton que l'accélération du skieur a pour expression a = gsinα .3/ En déduire qu'au bout du temps t, le skieur parcourt la distance d = ½ gsin α t2.4/ Calculer alors durée td de descente.5/ Ecrire l'expression de l'énergie mécanique du skieur en A puis en B.6/ Comment évolue l'énergie mécanique du skieur entre A et B ?7/ En déduire que vB = √2g (z A−z B) .8/ Calculer la valeur de vB.En réalité vB = 90,0 km/h. On suppose maintenant que les frottements peuvent être assimilés à une force f⃗ constante, parallèle à la piste,s'exerçant sur le skieur.9/ Cette force est-elle conservative ? Justifier en donnant 2 propriétés d'une force conservative.10/ Exprimer le travail de cette force entre A et B en fonction de la variation d'énergie mécanique entre A et B.11/ En déduire la valeur de ce travail en utilisant vB = 90,0 km/h.12/ Donner l'expression de ce travail sur le déplacement AB en fonction de f et de AB.13/ Calculer finalement l'intensité f de la force de frottement.
PHYSIQUE 2 : oscillations et spectroscopie IR (4 pts)La molécule d'eau à l'état de vapeur absorbe le rayonnement infrarouge en présentant notamment une chute de transmittance pour λ = 2,74 µm.1/ Calculer la fréquence f et le nombre d'onde σ correspondants à cette longueur d'onde.Cette absorption peut-être expliquée en assimilant la liaison O-H de la molécule d'eau à un système solide-ressortdont la fréquence propre serait la fréquence d'absorption du rayonnement.On note k la constante de raideur associée et µ la masse réduite (voir document fin d'énoncé) du groupe O-H.2/ Rappeler le lien entre la masse molaire atomique M et la masse m d'un atome.3/ Calculer µ.4/ En écrivant µ = Akafb, déterminer les valeurs de a et b par analyse dimensionnelle (on rappelle que k
s'exprime en kg.s-2)
5/ On montre que A = 1
4π2
. En déduire la valeur de la constante de raideur de la liaison O-H.
PHYSIQUE 3 : laine de verre (4 pts)Sur Wikipedia, on peut lire ceci : la laine de verre est un isolant thermique de conductivité thermique comprise entre 0,032 et 0,044 W·m-1·K-1.
Un échantillon de laine de verre sépare 2 zones de températures respectives θA = 10 °C et θB = 30 °C. L'échantillon a pour épaisseur e = 240 mm et pour surface S = 1,5 m2.On mesure dans ces conditions une énergie transférée de 36 kJ en 2,0 h.1/ Schématiser la situation et indiquer le sens du transfert thermique en justifiant rapidement.2/ Quel mode de transfert thermique est prépondérant dans cette situation ?3/ Calculer le flux thermique correspondant.4/ En déduire la résistance thermique Rth de cet échantillon.5/ Calculer alors la conductivité thermique λ de la laine de verre utilisée. Comparer à ce qu'on peut lire sur
Wikipedia.
6/ Exprimer le flux thermique traversant une paroi en fonction de λ, S, e et de l'écart de température entre les faces de la paroi.
7/ Comment le flux thermique évolue-t-il quand on double l'épaisseur e de la laine de verre ?
PHYSIQUE 4 : la mesure du temps (4 pts)
A l’aide de vos connaissances et des documents 1,2 et 3 qui suivent, répondre aux questions suivantes :1/ Citer au moins 4 dispositifs ou phénomènes différents permettant de mesurer le temps (grossièrement ou
précisément).2/ La mesure du temps repose généralement sur un phénomène périodique. Donner un exemple simple de
dispositif périodique mécanique et détailler les conséquences des phénomènes dissipatifs sur la qualité de la mesure du temps par ce dispositif et sur sa facilité d'utilisation.
3/ Expliquer pourquoi l’évolution de la qualité des horloges a conduit à redéfinir la seconde en ne la reliant plusaux mouvements de la Terre mais plutôt aux transitions atomiques d'un atome.
Un soin particulier sera apporté à la rédaction (orthographe et syntaxe)
Avant 1956 Entre 1956 et 1967 Depuis 1967
Définition
La seconde est égaleà 1/86400 du jour solaire terrestre moyen.
La seconde est égale à 1/31556925,9747 de l’année tropique 1900. L'année Tropique est la durée qui sépare le retour de deux équinoxes de mars
La seconde est la durée de 9192631770 périodes de la radiationcorrespondant à la transition entre 2 niveaux hyperfins de l’état fondamental de l’atome de césium 133.
Document 1 : définitions de la seconde
Document 2 : extrait d'un article de Wikipédia sur la rotation de la Terre
Document 3 : évolution de la qualité des horloges artificielles et comparaison avec l’horloge « rotation terrestre »
La vitesse de rotation [de la Terre] oscille de manière irrégulière. Dans la période de rotation (longueur du jour), on observe principalement une variation saisonnière d'environ un millième de seconde (ms) et des changements décennaux (entre 10 et 70 ans) de l'ordre de cinq millisecondes. De plus, les actions du Soleil et de la Lune sur le soulèvement de la marée produisent un couple retardateur qui induit une augmentation séculaire de la durée du jour d'environ deux millisecondes par siècle et un éloignement de la Lune de 3,84 centimètres par an.
Masse réduiteUn oscillateur lié, à chaque extrémité, à des masses mA et mB est équivalent à un oscillateur dont une extrémité
est fixe et dont la masse µ, dite masse réduite, fixée à l'extrémité du mobile est µ = mA∗mB
mA+mB
BONUS : Donner l'unité du champ magnétique. Quels insectes s'orientent en utilisant la polarisation du ciel ? Dequelle couleur est généralement le fil de terre ? Comment se nomme le point directement opposé au zénith ? Quelest le 4ème état de la matière (autre que solide, liquide ou gaz) ?
