Exercices Physiques pour la Prépa

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1 Physique 1 Exercices Physiques pour la Prépa Sujet proposé par IM Seiha Exo 1 : Ionisation de l atome d hydrogène 1. Calculer l ordre de grandeur du champ électrique qu il faut appliquer à un atome d hydrogène pour l ioniser Comparer à un champ macroscopique dans l air, par exemple le champ disruptif de l air : E 3,6. 10 V. m. Conseil : L énoncé ne précise pas de données numériques. Il faut faire appel à la culture scientifique de base : ordre de grandeur du rayon atomique, charge élémentaire. On ne demande qu un ordre de grandeur. On se contente donc d écrire que l ionisation ne peut avoir lieu que si le champ perturbateur est comparable au champ qui assure la cohésion de l atome. Exo 2 : «Interaction entre un anneau et une charge» Un disque évidé porte une charge surfacique σ > Retrouver le champ électrique créé par un disque non évidé en tout point M(z) de l axe Oz. En déduire celui créé par le disque évidé. 2. On suppose que l on place une particule de masse m et de charge q > 0 en un point de l axe Oz à la cote z0. Quelle vitesse minimale v0 faut- il lui donner pour qu elle atteigne le centre du disque? (On néglige l action de la pesanteur.) Conseil : 1) De l analyse des symétries on en déduit que le champ est porté par l axe Oz : il faudra donc sommer les composantes selon Oz seulement. De l analyse des invariances on en déduit que toutes les charges situées sur la couronne de rayon r = OP, de largeur dr, P étant un point de l anneau, contribuent également au champ total. On sommera donc les composantes utiles de ces distributions élémentaires. Pour simplifier les calculs on peut exprimer la distance OP en fonction de φ, angle entre MP et MO. Le calcul de l anneau est le même que le calcul du disque, seule change la borne en zéro. 1

2 2 Physique 2) Dès qu il s agit de vitesse penser au théorème de l énergie cinétique ou à la conservation de l énergie. L expression de l énergie potentielle d une charge q dans un potentiel V est qv. Exo 3 : «Analyse d un champ électrostatique» a) créé par des charges ponctuelles Le schéma représente les lignes de champ créées par cinq charges ponctuelles numérotées de 1 à 5 de la gauche vers la droite. Le champ est nul aux points A, B, C et D. Les lignes en traits épais issues de ces points sont également des lignes de champ. 1. Déterminer les signes des cinq charges. 2. Trouvez et justifiez la position des points de champ nul. 3. Mettre des flèches sur les lignes non fléchées. 4. Analyser la symétrie du schéma. Quelles relations peut- on en déduire entre q1, q2, q4 et q5? 5. En appliquant le théorème de Gauss, déterminer la relation liant q2 et q3. b) créé par une distribution filiforme Le schéma représente les lignes du champ électrostatique créé par des fils très longs, uniformément chargés, perpendiculaires au plan de la figure. 1. Où sont les plans de symétrie de la distribution? 2. Quel est le signe de la densité linéique de charge de chacun d entre eux? 2

3 Physique 3 3. Quel est le signe de la densité linéique de charge totale? 4. La norme du champ en A est de 100V. m. Calculer une valeur approchée du champ en B. 5. Que peut- on dire du champ au voisinage de point C? Conseil : Les réponses à cet exercice sont entièrement qualitatives, ce qui n est pas synonyme de non rigoureux Comment les lignes de champ sont- elles orientées au voisinage d une charge ponctuelle? Si une ligne de champ relie deux charges, sans passer par un point singulier de champ nul, que peut- on dire du signe des deux charges? En un même point le champ peut- il y avoir deux orientations différentes? Le champ électrique diverge à partir des charges positives et converge vers les charges négatives. Quelles isométries laissent le champ électrique invariant? On rappelle que dans une zone sans charge le flux de E a la même valeur à travers toute section d un tube de champ, donc là où les lignes se resserrent, le champ est plus intense. 3

4 4 Physique Corrigés Exo 1 : «Ionisation de l atome d hydrogène» 1. La distance moyenne entre le noyau et l électron est de l ordre de a 10 " m. L électron est soumis au champ du noyau de charge e = 1,6. 10 " C et au champ créé par une source extérieure E ""#$%&é Au niveau de l électron, le champ créé par le noyau est de l ordre de : E e 4πε a ,6. 10" 10 " 10 V. m On peut admettre que l ionisation a lieu si le champ extérieur est comparable au champ créé par le noyau, soit E ""#$%&é 10 V. m 2. Le champ disruptif de l air 3, V. m - 1 est le champ maximal qui puisse exister dans l air, sinon l air est ionisé et une décharge se produit. Il faut donc appliquer à l hydrogène un champ très important. Exo 2 : «Interaction entre un anneau et une charge» 1 Analyse des symétries Tout plan passant par l axe (Oz) est plan de symétrie pour les charges. On peut donc écrire, en un point de l axe, E M = Ee Le système étant invariant par rotation autour de (Oz), les coordonnées polaires s imposent pour repérer la position d un point P du disque. On utilisera aussi l angle φ tel que tan φ = (zm > 0). Calcul de E par intégration L élément de disque qui entoure le point P, repéré par ses coordonnées polaires (r, θ), a une aire ds et une charge : dq = σ ds. Cet élément crée en M un champ : de = de e + de e Comme le champ total est parallèle à e, on ne calcule que cette composante : de = 1 σds cosφ 4πε PM 4

5 Physique 5 𝑧 ; 𝑑𝑆 = 𝑟𝑑𝜑𝑑𝑟 ; 𝑟 = 𝑧 𝑡𝑎𝑛𝜑 𝑐𝑜𝑠𝜑 𝑃𝑀 = Par invariance on peut étendre ds à 2πr dr : tous les éléments du disque de rayon r contribuent également à dez. " "#$ 4 d où: 𝑑𝑟 = "# 𝑒𝑡 𝑑𝑆 = 2𝜋𝑧 𝑑𝜑 "# Ce qui donne : 𝑑 𝐸 = et : 𝐸 = "#$%&%. 𝑑𝐸 "#$%& = "#$%&% L intégration est immédiate, et on obtient : 𝐸 = (1 𝑐𝑜𝑠𝛼)𝑒 (zm > 0). Dans le cas du disque évidé il faut sommer de 𝛼 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 et 𝛼 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 On obtient 𝐸 = 𝑐𝑜𝑠𝛼 𝑐𝑜𝑠𝛼 𝑒 = 𝑒 2. Le système est conservatif : on peut appliquer soit le théorème de l énergie cinétique, soit la conservation de l énergie mécanique pour arriver rapidement au résultat. 1 𝐸 𝑧 = 𝑚𝑣 + 𝑞𝑉(𝑧 ) 2 avec 𝑉 (𝑧 ) potentiel créé par l anneau en z0. Si v0 est la vitesse minimale, la particule arrive avec une vitesse nulle en z = 0. Son énergie vaut alors 𝐸 0 = 𝑞𝑉 0 On en déduit que 𝑣 = 𝑉(0 𝑉(𝑧 )) Or 𝑉 0 𝑉 𝑧 = 𝐸. 𝑑𝑙 = Calculons la circulation C de 𝐸 de 0 à z0. " " 𝑑 = 𝐸𝑑𝑧 = 𝐶 𝑅 + 𝑧 𝑑 𝑅 + 𝑧 5

6 6 Physique d où C = R + z R + z = R + z R + z + R R et v = " Exo 3 : «Analyse d un champ électrostatique» a) créé par des charges ponctuelles 1. Le champ est convergent au voisinage d une charge négative et divergent au voisinage d une charge positive. Une ligne de champ qui ne passe pas par un point de champ nul ne peut donc pas relier deux charges de même signe. On déduit ainsi de l analyse du schéma : q1 > 0, q2 > 0, q3 < 0, q4 > 0 et q5 > Les charges q1 et q2 étant de même signe, il y a nécessairement un point où le champ est nul sur le segment qui les relie. Il en va de même pour q4 et q5 : les points C et D sont respectivement ces deux points de champ nul : en ces points se croisent deux lignes de champ ce qui n est possible que si le champ y est nul. C est ce même raisonnement qui permet de dire qu en A et B le champ est aussi nul. 3. Sur le cercle, les quatre quarts sont orientés : de C vers A, de D en A, de C vers B, de D vers B. À l intérieur du cercle : de A vers O, de B vers O. À l extérieur du cercle : de A vers A, de B vers B. 4. Le plan passant par la charge centrale et qui est normal à l axe qui porte les charges est plan de symétrie. On en déduit que q5 = q1 et q4 = q2. 5. On considère la courbe fermée formée par les quatre lignes de champ qui relient les points de champ nul A, B, C et D. Cette courbe engendre une surface fermée Σ par rotation autour de l axe qui porte les charges. Sur Σ, le champ est en tout point soit nul, soit tangent. Le flux de E à travers Σ est donc nul. D après le théorème de Gauss, la charge totale enfermée dans S est nulle. On en déduit : q2 + q3 + q4 = 0 ou encore 2 q2 = q3. Remarque Si la relation était 2 q2 > q3, alors des lignes de champ issues de q2 (et de q4) partiraient vers l infini. Dans le cas 2, q2 < q3, alors des lignes de champ issues de q3 viendraient de l infini ou 6

7 Physique 7 des deux autres charges. b) créé par une distribution filiforme 1. Le plan du schéma est plan de symétrie, ainsi que le plan qui contient les trois fils. Le système est également invariant par translation parallèlement à la direction des fils. 2. D après le sens des lignes de champ, ou en considérant que le flux de E à travers un cylindre qui entoure le fil de gauche est positif. On en conclut, d après le théorème de Gauss, que ce fil est chargé positivement. De même, on voit que le fil du milieu est chargé négativement, et le fil de droite positivement. 3. On considère un parallélépipède dont la base est constituée par le plan du schéma, et de hauteur (parallèle aux fils) égale à h. Le flux de E à travers les deux bases est nul (E est parallèle au schéma) et, d après l orientation des lignes de champ aux points considérés, le flux de E à travers les quatre autres faces est positif. D après le théorème de Gauss, on peut en conclure que la somme des charges situées à l intérieur du parallélépipède est positive. La charge totale des fils est positive (les lignes de champ divergent loin des fils). 4. Les deux lignes de champ qui encadrent A (et B) ainsi que celles obtenues par translation de h vers «le haut» qui encadrent A (et B ) permettent de définir un tube de champ avec deux sections rectangulaires d aires SA = hea et SB = heb. Dans cette zone il n y a aucune charge (les charges sont localisées sur les fils), donc le flux de E à travers ces deux sections a la même valeur. Si les largeurs ea et eb sont prises orthogonales au champ, et si on suppose que le champ est quasi uniforme sur chaque section : E(A) hea E(B) heb. On mesure sur le schéma : ea 6 mm et eb 11 mm. Donc E(B) 55 V. m Les tubes de champ deviennent très larges au voisinage du point C ; le champ y est donc très faible, en comparaison du champ dans les autres zones. Remarque Il existe, près du point C, un point de champ nul : la somme vectorielle des champs créés par les trois fils est nulle. 7