I. Questionnement commun à toutes les situations :

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Heloïse Bureau
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1 Activité de Physique 0a Chapitre n 0 (Introduction à l évolution temporelle des systèmes) INTRODUCTION À L ÉVOLUTION TEMPORELLE DES SYSTÈMES Objectifs : étudier l évolution temporelle d un système en analysant la variation d une grandeur. décrire différents types d évolutions. introduire la notion de temps caractéristique d évolution. réfléchir à l influence des conditions initiales et des paramètres sur l évolution d un systéme. Les durées caractéristiques des phénomènes naturels et artificiels varient sur une échelle gigantesque : certaines sont infiniment grandes, d autres infiniment petites. Par exemple, on étudie aujourd hui des réactions chimiques sur des durées d une femtoseconde (10-15 s) grâce au laser. Les théories cosmologiques tentent de modéliser la structure de l Univers s après sa formation. Dans les pays industrialisés, l espérance de vie d un être humain approche, quant à elle, 80 ans en moyenne. L océan atlantique, qui résulte de la séparation des continents africain et américain autrefois réunis, a commencé à se former il y a 200 millions d années environ, par une lente dérive de l ordre de 2 cm par an. Le Soleil fait le tour de la galaxie en 200 millions d années. Il deviendra une géante rouge dans 5 milliards d années environ. Son âge, 5 milliards d années environ, correspond pratiquement à l âge de tout le système solaire. Le programme de terminale S étudie l'évolution temporelle des systèmes physiques ou chimiques. Dans la première partie du cours de physique sera abordée l'étude de la propagation des ondes mécaniques ou des ondes lumineuses. La deuxième partie du cours présentera quelques systèmes électriques dont l'évolution permet de produire les ondes électriques qui envahissent de nombreux domaines de la vie courante (téléphones, radios, télévision, médecine, etc). Dans la troisième partie sera étudiée l'évolution temporelle des systèmes mécaniques (projectiles, satellites, oscillateurs mécaniques, etc...). La quatrième partie traitera, notamment, de l'évolution, dans le temps, d'un échantillon de noyaux radioactifs.a la fin du cours de physique sera posé le problème de la mesure du temps et de ses applications. Dans le cours de chimie, les élèves seront sensibilisés à l'importance du paramètre temps. Les transformations chimiques ne sont pas toujours rapides, elles peuvent même être très lentes. S'il est parfois intéressant d'accélérer ces transformations dans les préparations industrielles, il est aussi, parfois, souhaitable de les ralentir, par exemple pour conserver des aliments ou pour éviter les phénomènes de corrosion. I. Questionnement commun à toutes les situations : Vous allez observer plusieurs situations réelles et vous devrez répondre aux questions. a) Quelles sont les grandeurs pertinentes dont les variations témoignent de l évolution du système? b) Quels sont les paramètres extérieurs qui pilotent cette évolution? c) L évolution peut-elle être caractérisée par un ou plusieurs temps caractéristiques? d) Quel est le rôle des conditions initiales dans l évolution des systèmes? e) L évolution est-elle : lente, rapide, uniforme, variée, oscillante, oscillante amortie ou non-oscillante, périodique, apériodique? II. Quelques situations : Pour chaque situation, définir le système observé. a) Le saut à l élastique : voir Annexe 1 1) Faire l'inventaire des forces : a) avant la date t 1 b) entre t 1 et t 2. 2) Placer sur le document 1 les dates t 1 et t 2. 3) Décrire le mouvement entre t 0 et t 1 puis entre t 1 et t 2. b) La balançoire : voir Annexe 2 1) Comment s appelle la durée d un aller-retour? 2) Évaluer sa valeur. 3) Que dire de la vitesse au point le plus haut? au point le plus bas? en un point intermédiaire? c) La Station Spatiale Internationale (ISS) : voir Annexe 3 Sur le site de la NASA nous avons relevé les informations jointes en annexe. 1) Quelle est la nature du mouvement de l ISS par rapport au référentiel géocentrique? 2) Quelle est la période de révolution de l ISS? quelle est sa vitesse en m.s -1 et km.h -1? 3) Pourquoi la trajectoire de l ISS est-elle représentée par une sinusoïde sur le planisphère? d) Le saut en parachute : voir Annexe 4 1) Le mouvement du centre d inertie du parachutiste peut se décomposer en plusieurs parties. Lesquelles? Les identifier. 2) D après vous, quelle est la phase du mouvement qui correspond à l ouverture du parachute? 3) Répondre aux questions du I. e) Onde sonore : voir Annexe 5 1) Déterminer, sur l'écran de l'oscillographe, le retard avec lequel l'onde sonore arrive au niveau du microphone M 2. 2) En déduire la vitesse de propagation (célérité) du son. 3) Répondre aux questions du I.

2 Annexe 1 : Le saut à l'élastique Le saut à l'élastique est souvent pratiqué à partir d'un pont enjambant une rivière, d'une hauteur assez grande. L'exercice n'est pas sans danger outre une rupture toujours possible, il faut «calculer» soigneusement la longueur de l'élastique. Description du saut L'étude est faite dans le référentiel terrestre supposé galiléen. La trajectoire du sauteur est verticale. t = 0 Le sauteur «se jette» du pont sans vitesse initiale. t = t 1 L élastique atteint sa longueur à vide. La vitesse est v 1 t = t 2 Le sauteur arrive au niveau le plus bas. Sa vitesse est nulle. Modélisation d'un saut On se propose d'étudier le saut décrit plus haut en tenant compte des actions de frottements en les assimilant à des forces verticales de sens opposé à celui de la vitesse. Données Intensité de la pesanteur : g = 9,8 m.s -2 ; Masse du sauteur : 60 kg ; Masse de l'élastique négligeable. On dispose d'un réseau de deux courbes représentant, en fonction du temps, les coordonnées y de la position du sauteur et v y de sa vitesse. L'origine de l'énergie potentielle est prise au niveau de la rivière. Le document 2 représente le modèle tenant compte des frottements sur une durée plus grande. Les origines (date et position) et l'orientation de l'axe Oy sont précisées sur le document 1. Document 1 Document 2

3 Annexe 2 : la balançoire À l aide d un logiciel d exploitation de séquences vidéos (comme Regavi), on obtient la chronophotographie suivante : t 1 = 0 s t 2 = 0,4 s t 3 = 1,1 s t 4 = 1,5 s t 5 = 2,3 s t 6 = 3 s

a) Trajectoire de l ISS sur un planisphère : Annexe 3 : La Station Spatiale Internationale : b) Quelques caractéristiques Satellite: ISS : Weight (LBS) : 301181,2 Inclination (i) : 51,6368 deg RA of

4 a) Trajectoire de l ISS sur un planisphère : Annexe 3 : La Station Spatiale Internationale : b) Quelques caractéristiques Satellite: ISS : Weight (LBS) : ,2 Inclination (i) : 51,6368 deg RA of node : 24,4748 deg Eccentricity : 0, Arg of perigee : 14,9740 deg Mean anomaly : 345,1618 deg Mean motion : 15, rev/day Decay rate : 5,36740E-04 rev/day 2 c) Trajectoire dans un repère géocentrique :

5 Annexe 4 : Le saut en parachute Au cours du saut d un parachutiste depuis un hélicoptère en vol stationnaire et en absence de vent, les vitesses du parachutiste par rapport à un référentiel lié à l hélicoptère, à différents instants sont les suivantes : Instants (en s) Vitesses (en m.s -1 ) ,4 5,4 5,4 5,4 On suppose qu au moment du saut, la vitesse de l hélicoptère par rapport à un référentiel terrestre est nulle. Annexe 5 : Onde sonore Pour déterminer directement la célérité du son dans l'air, on utilise un oscillographe à mémoire pour enregistrer le passage du signal sonore au niveau de deux microphones M 1 et M 2 distants de L = 100 cm. Ces deux microphones sont alignés avec la source sonore constituée d'une claquette qui émet un son bref et intense. Sur l'oscillographe, la sensibilité horizontale est de 1,0 ms / div et la sensibilité verticale est de 200 mv / div sur les deux voies. Le passage de l'onde au niveau du microphone M 1 déclenche l'enregistrement d'un signal sur la voie 1 de l'oscillographe.

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