Cahier de vacances en physique

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1 Cahier de vacances en physique Bonjour à tous, Pour préparer au mieux la rentrée en TPC, je vous propose de réfléchir à ces exercices. Certains vous sembleront peut-être difficiles, pas de panique nous reverrons tout ça ensemble. N hésitez pas à me poser des questions! Les exercices d optique nécessitent de votre part un peu de recherches. A vous de jouer Cochez la ou les réponses exactes (sans calculatrice) 1. L énergie la plus utilisée dans l habitat résidentiel est : 2. L énergie consommée par un appareil domestique de puissance P donnée est : 3. La puissance d un four à micro-ondes est d environ 4. Un dipôle ohmique convertit intégralement l énergie électrique en a) L électricité b) Le gaz de ville c) Les énergies renouvelables a) proportionnelle à sa durée d utilisation b) proportionnelle à sa puissance c) donnée par la relation E = P + t a) 1W b) 100 W c) 1000 W a) Chaleur b) énergie chimique c) Energie mécanique 5. La lumière blanche visible a) est monochromatique b) est polychromatique c) Contient des UV et des IR 6. Les longueurs d onde des radiations visibles sont comprises entre : a) 0,4 m et 0,8 m b) 400 nm et 800 nm c) 300 m et 600 m 7. La longueur d onde des rayons X est a) plus grande que celle des UV b) plus grande que celle des rayons c) inférieure à 1 m 8. La relation entre longueur d onde, période T et célérité V est a) = V/T b) = V/f ) = V.T 9. Le son a) est une onde mécanique transversale b) est une onde mécanique longitudinale c) Nécessite un milieu matériel pour se propager 10. L ordre de grandeur de la vitesse du son dans l air est a) 300 km.h -1 b) 340 m.s -1 c) 840 m.h La célérité d une onde mécanique a) dépend du milieu b) dépend de la nature de l onde c) Est la plus grande dans le vide 12. Un moteur tourne à la vitesse de tr.min -1. Sa a) 1, rad.s -1 vitesse de rotation exprimée en rad.s -1 est : b) 3, rad.s -1 c) 1, rad.s Une onde mécanique a) transporte de l énergie b) transporte de la matière 1

2 14. Parmi ces examens, lequel n utilise pas les rayons X? 15. Le spectre d un signal sinusoïdal de fréquence 100 Hz est représenté par 16. Le temps de propagation d une onde électromagnétique entre un satellite géostationnaire et une parabole distants de km est : c) Transporte du rayonnement a) l échographie b) le scanner c) La radiographie a) une raie à 100 Hz b) une raie à 50 Hz c) Une raie à 100 Hz et une raie à 200 Hz a) nul b) proche de la seconde c) Proche du dixième de seconde 17. La lumière se propage a) Dans le vide b) Dans un milieu matériel c) A la célérité : km.s Pour une onde électromagnétique, E et B sont reliés par : a) B = E.c b) E/B = c c) B = E/c 19. La lumière est : a) Une onde électrique b) Une onde magnétique c) Une onde composée d un champ électrique et d un champ magnétique 20. Les conversions d unité d énergie sont a) 1 kwh = 3, Wh b) 1 J = 1 Wh c) 1 kwh = 3, J 21. La puissance reçue par un conducteur ohmique est : 22. Une tension sinusoïdale centrée d amplitude 5 V et de fréquence 50 Hz a : a) P = U 2 /R b) P = R.I 2 c) P = U.I a) une valeur efficace égale à 3,5 V b) une valeur moyenne nulle c) Une période égale à 20 ms Exercice n 1 : Tension sur un oscillogramme (Difficulté *) On visualise une tension u(t) sur un oscilloscope. La vitesse de balayage de l oscilloscope est de 1 ms/div. La sensibilité verticale est de 2V/div. 1. Calculer la période de la tension. 2. Calculer la fréquence de la tension. 3. Calculer la tension maximale (amplitude). 4. Quelle est l expression de u(t) (question plus difficile)? 2

3 Exercice n 2 : Caractéristiques courant-tension (Difficulté **) Cet exercice a pour but de travailler sur quelques capacités mais aussi compétences expérimentales et transversales (Conception d un dispositif expérimental, tracé et exploitation d une droite, choix des échelles, calcul de pente et d ordonnée à l origine). 1. Faire le schéma du circuit électrique (avec les appareils de mesure) permettant de tracer la caractéristique d un conducteur ohmique. On placera les flèches de courant et d intensité. 2. On obtient la caractéristique ci-dessous. Quelle est la valeur de la résistance R de ce conducteur ohmique? Justifier par des calculs clairs. 3. A l aide du montage représenté ci-dessous, on étudie la caractéristique courant tension d une pile. Les résultats des mesures sont regroupés dans le tableau ci-dessous. a) Compléter le schéma du montage en indiquant les appareils de mesures. b) A l aide du tableau de mesures tracer la caractéristique de la pile. Quelle est l équation de cette droite? Coin des recherches : On pourra rechercher (si on ne se rappelle plus) à quoi correspondent physiquement l ordonnée à l origine et la pente de cette droite. 4. On branche la pile étudiée ci-dessus (3.) à une résistance R. La tension mesurée aux bornes de la pile est 4,2 V. Coup de pouce : Refaire un schéma a) A l aide de la caractéristique de la pile, déterminer l intensité du courant traversant la résistance R. b) Déterminer la valeur de la tension électrique aux bornes de la résistance. c) En appliquant la loi d ohm calculer la valeur de la résistance R. d) Calculer la puissance électrique absorbée par la résistance. Sous quelle forme cette puissance est-elle convertie? e) Calculer en joules l énergie consommée par cette résistance en 30 secondes. 3

4 Exercice n 3 : Tensions sinusoïdales (Difficulté **) On visualise les deux tensions ci-dessous : 1. Déterminer : La période, la fréquence et la pulsation des tensions u1 et u2. La valeur de la tension maximale et efficace des tensions u1 et u2 2. Mesurer le décalage en temps existant entre les deux tensions (en ms). 3. En déduire le déphasage φ entre les deux tensions (en rad). 4. En prenant u1 comme référence des phases, écrire les équations horaires des 2 tensions (question plus difficile). Exercice n 4 : Mesure de vitesse de propagation (Difficulté *) On dispose d un générateur, d un haut-parleur, de deux microphones M1 et M2 et d un oscilloscope. 1. Quelle est la nature de l onde émise par un haut-parleur? 2. Cette onde sonore est dite longitudinale. Expliquer cette appellation. 3. Définir la longueur d onde et la période d une onde périodique. 4. Avec le matériel ci-dessus, proposer une méthode expérimentale permettant de déterminer la célérité d une onde sonore. 4

5 Exercice n 5 : ondes dans un métal (Difficulté **) Dans un métal, la valeur de la célérité du son est V. On donne un coup à l extrémité d une tige faite de ce métal et ayant une longueur L. Une personne à l autre extrémité entend deux sons : l un qui se propage dans le tuyau, l autre qui se propage dans l air. 1. Soit c la célérité du son dans l air. Donner l expression de la durée t qui sépare les deux sons perçus par la personne. Coup de pouce : Reformuler la question en faisant votre propre phrase, faire un schéma et attribuer éventuellement des symboles aux différentes grandeurs. Vous pouvez alors mettre en œuvre la démarche permettant d obtenir une expression littérale du résultat. 2. Dans le cas où ce métal est de l acier, on trouve : t = 10 ms. Sachant que la célérité du son dans l acier est V = 5941 m.s -1, et celle du son dans l air c = 340 m.s -1, quelle est la longueur de la tige? Coup de pouce : Repérer l inconnue dans l expression ci-dessus et faire la résolution numérique. 3. Essayer d expliquer votre raisonnement à voix haute. Coup de pouce : Tout au long de l année vous vous entraînerez à présenter les solutions des exercices, les déroulements des TP, les raisonnements Commençons dès maintenant. Exercice n 6 : ondes à la surface de l eau (Difficulté *) Un caillou est jeté dans l eau. 1. Produit-il une onde circulaire ou une onde plane? Justifiez brièvement votre réponse. 2. L onde est-elle transversale ou longitudinale? Justifier votre réponse. 3. On enregistre l évolution du rayon du front d onde (le front de l onde représente le début de la perturbation) au cours du temps. L instant t = 0 correspond au moment où le caillou touche l eau. Les résultats sont consignés dans le tableau ci-dessous. t (s) 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 r (m) 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 a. Déduire de ces valeurs la célérité c de l onde. b. Quel sera le rayon du front d onde à la date t = 3,00 s? c. A quelle date tm l onde arrivera-t-elle en un point M situé à une distance d = 1,50 m du point de chute du caillou? Exercice n 7 : Image virtuelle d un objet réel (Difficulté ***) On dispose d une lentille mince convergente de distance focale f = 2,0 cm. On place un objet AB de hauteur 1 cm à 4,0 cm en avant de la lentille. 1. Faire une construction graphique de l image A B de l objet AB donnée par la lentille. 5

6 2. A partir de cette construction, déterminer les caractéristiques (nature, taille, position et sens) de l image A B. 3. Retrouver les résultats précédents par application des formules de conjugaison et de grandissement Coin des recherches : Vous pouvez rechercher sur internet les formules de conjugaison de Descartes. Exercice n 8 : modélisation d un microscope (Difficulté ***) Le plus simple des microscopes visuels est constitué de deux lentilles convergentes considérées comme minces. La première, l objectif, devra donner de l objet une image agrandie. La seconde, l oculaire, rendra cette image observable par l œil. 1. Quelle expérience simple permettrait de distinguer une lentille convergente d une lentille divergente? 2. Définir le foyer principal image puis la distance focale image d une lentille mince. 3. L objectif du microscope est réalisé avec une lentille convergente L1, placée en O1, de distance focale f 1. Construire A 1 B 1, image de l objet AB à travers L1. A B Calculer le grandissement γ1 = 1 1 de cette lentille en fonction de f 1 et O 1 A. AB Coin des recherches : On pourra chercher sur internet la formule de grandissement de Descartes pour une lentille mince sphérique. 4. Plus généralement, où doit-on placer un objet AB pour que son image A 1 B 1 travers L1 soit réelle et agrandie? On observe l image de A1B1 à travers l oculaire. 5. Comment faut-il placer l oculaire L2 pour que l œil puisse observer l image A ' B' de A 1 B 1 à travers L2 sans accommodation? 6. On place l oculaire L2 à l endroit déterminé, représenter l angle α sous lequel on voit A B et exprimer cet angle en fonction de γ1, a et de f 2, distance focale image de l oculaire. Données : f 1 = 1 cm ; = - 1,5 cm ; AB = a = 0,5 cm A O 1 à 6