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1 EXAMEN : BAC 2015 JUIN 2015 EPREUVE : PHYSIQUE Pays ou ville : France Métropolitaine-La réunion, juin 2015 EXERCICE 1 Les trois records de Félix Baumgartner Le 14 octobre 2012, Félix Baumgartner a réaliser un saut historique en écrivant trois records à son tableau de chasse : celui de la plus haute altitude, le record du plus haut saut en chute libre, et le record du plus haut saut en chute libre, et le record de vitesse en chute libre, soit m d altitude, le record du plus haut saut en chute libre, et le record de vitesse ne chute libre, soit 1 341,9 km. Après une ascension dans un ballon gonflé à l hélium, il a sauté vers la terre, vêtu d une combinaison spécifique en ouvrant son parachute au bout de 4 min et 20s. Le saut a duré en totalité 9 min et 3s. Ascension du ballon Il a fallu recevoir un ballon déformable gigantesque, faisant 100 m de hauteur et 130 m de diamètre lors de son extension maximale. En raison de la diminution de la densité de l air avec l altitude, le volume d=u ballon augmente lors de l ascension de façon à ce que la poussée d Archimède reste constante. DOC1. L ascension de Félix Baumgartner «Pour s assurer une vitesse d ascension suffisante, le volume initiale d hélium utilisé était de 5100 mètres cubes, c'est-à-dire le double du nécessaire pour la sustentation. En pratique, si on ajoute à la masse de l équipage celles du ballon et de l hélium, c est environ 3 tonnes qu il a fallu soulever.» D après un article de pour la science, janvier (1) Sustentation : était d un corps maintenu à faible distance au-dessus d une surface, sans contact avec celle-ci» Etude du saut de Félix Baumgartner. La masse de Félix Baumgartner et de son équipement est correspondant au début du saut de Félix Baumgartner.. La date Page 1

2 Données : L expression de la posée d Archimède exercée par l air sur un corps est la suivante : vecteur unitaire vertical vers le haut, ( ) masse volumique de l air dans lequel est plongé le corps placé dans l air et g intensités du camp de pesanteur ; L intensité du champ de pesanteur est considéré comme une constance entre le niveau de la mer et l altitude de 39km : g= 9,8 m. ; La stratosphère est la couche de l atmosphère qui s étend de 10 à 50 km d altitude environ ; La masse volumique de la partie supérieure de la stratosphère qui c étend de 10 à 50km d altitude environ ; La masse volumique de la partie supérieure de la stratosphère est de l ordre de 0,015, celle delà de troposphère au niveau du sol est 1,22 ; La célérité du son dans l air en fonction de l altitude est donnée dans le tableau cidessous : Altitude (km) Célérité du son (m. ) La vitesse d un mobile dans un fluide est dite supersonique si elle est supérieur à la célérité du son dans ce fluide. Page 2

3 Partie 1 : Ascension en ballon-sonde de Félix Baumgartner. Le volume de l équipage est négligeable par rapport au volume du ballon. 1. Indiquer la force qui est responsable de l ascension du ballon. 2. Faire le bilan des forces qui s exercent sur le système * + juste après le décalage, en négligeant les forces de frottement. Illustrer ce bilan après le décollage, en négligeant les forces de frottement. Illustrer ce bilan des forces par un schéma, ans souci d échelle mais cohérent avec la situation physique. 3. En utilisant les données, les informations du texte et les connaissances acquises, vérifié par calcul que le ballon peut décoller. 4. Après quelques minutes d ascension, le mouvement du système * + est considéré comme rectiligne uniforme. Déterminer alors la valeur de la force de l air. PARTIE 2 : saut de Félix Baumgartner On étudie maintenant le système Félix Baumgartner ( ) en chute verticale dans le référentiel terrestre considéré comme galiléen. On choisit un axe ( ) vertical vers le haut dont l origine est prise au niveau du sol. Le système étudié, noté a une vitesse initiale nulle. On négligera la poussée d Archimède. 1. Utiliser l étude du saut de Félix Baumgartner (courbe1) afin de déterminer la valeur de son accélération si. Comment le résultat obtenu. 2. Lors de son saut, Félix Baumgartner a-t-il atteint une vitesse supersonique? justifier. 3. Calculer la variation d énergie mécanique entre le moment où Félix Baumgartner saute et le moment où il atteint sa vitesse maximale interpréter le résultat. 4. Les schémas ci-dessous représentent à trois instants les forces appliquées au système lors du saut : le poids et la force schéma à chacune des dates : modélisant les frottements. Affecter un et Schéma A Schéma B Schéma C Page 3

4 5. Déterminer l altitude à la quelle Félix Baumgartner ouvre son parachute. En supposant que le système a un mouvement rectiligne et uniforme après l ouverture du parachute et jusqu à l arrivée du sol, déterminer la valeur de la vitesse du système durant cette phase du mouvement. On rappelle que le saut à durée en totalité 9min et 3s. 6. Pour acquérir la même vitesse à l arrivée au sol, de quel étage d un immeuble Félix Baumgartner aurait-il dû sauter? commenter. EXERCICE 2 : micro-texturation de surface par un laser femto seconde Doc1. : Micro-texturation de surface La micro-texturation de surface est une technique qui permet d optimiser la lubrification des pièces métalliques en contact, par exemple dans les moteurs employés dans les sports mécaniques en contact, par exemple dans les moteurs employés dans les sports mécaniques (Formule 1, moto grand prix, etc.). Cette micro-texturation est réalisé sur des matériaux appelés DLC (Diamond Like Carbon) déposés en fine couche sur les pièces à lubrifier. Grâce à l utilisation d un laser à impulsion ultra-brèves, on crée à la surface des pièces mécaniques un réseau de motifs (cavités, rainures, etc.) ayant des dimensions de quelques dizaines de micromètres qui se comportent comme des microréservoirs d huile (après lubrification). Les lasers pulsés. A la différence d un laser conventionnel qui produit un rayonnement continu, les lasers pulsés émettent des flashs lumineux très brefs qu on appelle des impulsions. La durée et la cadence (fréquence) de ces impulsions sont réglables. Un laser pulsé est dit «femtoseconde» si la durée est de l ordre d une à quelques centaines de femtosecondes. Contrairement aux lasers continus qui produisent un rayonnement monochromatique, les lasers pulsés continus qui se produisent un rayonnement monochromatique, les lasers continus qui produisent un rayonnement polychromatique dans une bande de fréquence de largeur centrée sur une fréquence ( ) les énergies des impulsions femtosecondes peuvent paraître faibles (de l ordre du à ), mais leur brièveté fait que la puissance instantanée du laser durant une impulsion (puissance de crête) peut atteindre plusieurs gigawatts dans le domaine industriel. Page 4

5 Evolution de la puissance au cours du temps Laser continu puissance Laser pulsé de période de répétition e Spectre de fréquence temps Temps amplitude amplitude Fréquence Fréquence Caract ristique technique d un «laser femtoseconde» infrarouge Fréquence centrale du royaume émis Largeur de la bande de fréquence d émission Cadence (fréquence) des impulsions Durée d une impulsions Puissance de crête atteinte durant une impulsion Diamètre de la section circulaire du faisceau fs m Cavité de diamètre et de profondeur dans une couche de DLC Lorsqu on dirige un faisceau laser pulsé femtoseconde vers une surface recouverte de DLC, chaque impulsion laser apporte suffisamment d énergie pour graver (creuser) une cavité cylindrique dans la couche de DLC. On admet que le diamètre de la cavité gravée correspond au diamètre utilisé. du faisceau laser On a tracé ci-après la courbe donnant le taux d ablation du DLC par impulsion, c est-à-dire la profondeur de la cavité gravée par une seule impulsion laser, en fonction de la fluence du laser (en J) par la surface circulaire gravée (en cm²). Page 5

6 Taux d ablation par impulsion 180 Taux d ablation par impulsion (nanomètre/ impulsion) Cavité cylindrique Fluente (J/cm²) On admettra, comme le montrent les schémas ci-dessous, que la profondeur lacavite gravée est proportionnelle au nombre d impulsion reçues et donc à la durée gravure. de de la Impulsions DLC DLC DLC DLC Données : Gamme de longueurs d onde correspondant aux radiations visibles «rouges» :, - ; Préfixes utilisés dans le système international d unités : Préfixe tera Femto Abréviation T F Puissance de 10 La valeur de la célérité de la lumière dans le vide (ou dans l air) doit être connue ar le candidat ; Constance de Planck : h=6,63 x Page 6

7 PARTIE 1 : domaine d mission du laser femtoseconde 1. Le laser femtoseconde présenté est dit «infrarouge». justifier. 2. Ce laser apparaît rouge à l observateur. Justifier. PARTIE 2 : caract ristiques d une impulsion du laser femtoseconde 1. Montrer que l énergie transportée par une seule impulsion du laser précédent est égale à 0,15 mj. 2. Evaluer le nombre de photos produits par le laser durant une seule impulsion. PARTIE 3 : gravure par laser femtoseconde On utilise le laser femtoseconde pour graver une cavité dans une courbe de DLC. Déterminer la fluence du laser étudié, puis la durée nécéssaire à la gravure d une cavité circulaire cylindrique de 98 de diamètre et 6 m de profondeur. EXERCICE 3 : un aspect du réchauffement climatique Le but de cet exercice est d évaluer l évolution du niveau d océans en lien avec l augmentation de la température de l atmosphère terrestre. Page 7

8 Vue d artiste de New-York sous les eaux Doc1 : une fonte des glaces aux pôles et niveau des océans Au cours des deux derniers millions d années, le niveau de la mer varié de façon périodique au gré des alternances de périodes glaciaires et interglaciaires. Stabilisés depuis les dernières années, le niveau moyen n a varié que de 0,1 à 0,2 mm au maximum par an. Au cours de XXe siècle, une augmentation de ce niveau est clairement observée. Cette montée du niveau moyen est attribuée au réchauffement climatique qui touche la planète à travers deux processus principaux : la dilatation de l eau de la mer, suite au réchauffement des eaux océaniques, et la fonte des glaces terrestres. La banquise, qui est de l eau de la mer gelée, flotte sur la mer. Si elle fondait, l eau de fonte produite occuperait exactement le même volume d eau de mer que la partie immergée de la glace occupait. Contrairement à la fonte de la banquise, la fonte des calottes polaires et des glaciers qui sont composés d eau douce contribué à la montée du niveau de la mer. Sur ce continent antarctique équivaudrait à la une hausse du niveau de la mer de l ordre de 60 mètres auxquels il faudrait ajouter la fonte du Groenland, de l ordre de 07 mètres de plus, l incertitude étant de plusieurs mètres. D après Doc 2. Prévision pour 2100 D ici 2100, dans le pire des scénarios, la température moyenne de l atmosphère terrestre pourrait augmenter de 55 C. Par ailleurs, le volume de calotte polaire affectée par la fonte due au réchauffement pourrait atteindre 2,5 x l évolution de la température atmosphérique et la fonte des calottes polaires pourraient entrainer une hausse du niveau des océans atteignant près d un mètre. D après un rapport du groupe intergouvernemental d Express du climat (GIEC), publié en septembre 2013 Données : Masse volumique de l eau : Masse volumique de la glace : ; L ensemble des océans est modélisé par un parallélépipède de surface x m² et de hauteur. On estime que la hauteur vaut actuellement 3,0 km ; Graphe représentant l augmentation relative de volume de l eau en fonction de la variation de température dans le domaine de température utile : Page 8

9 Augmentation relative du volume 0,0016 0,0014 0,0012 0,0010 0,0008 0,0006 0,0004 0, Variation de la temp rature de l eau Problème En faisant l hypothèse que l océan s échauffe uniformément de 5,5 C, calculer la hausse du niveau des océans en distinguant la hausse due à la dilatation thermique des océans et celle due à la fonte partielle des calottes polaires. Lister les causes possibles de l écart par rapport à la valeur annoncé par GIEC en Page 9