Epreuve de Physique E2, juin 2016 Classe : 2de Durée : 100 minutes. Exercice 1: Réfraction de la lumière (4 pts) Nom : N o :

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1 Nom : N o : Epreuve de Physique E2, juin 2016 Classe : 2de Durée : 100 minutes L usage de la calculatrice scientifique est autorisé. Exercice 1: Réfraction de la lumière (4 pts) Une fibre optique est constituée d'un cœur cylindrique transparent d'indice n 2 entourée d'une gaine transparente d'indice n 3. Lors d une fibroscopie, un rayon lumineux se propageant dans l eau pénètre dans une fibre optique. 1. Calculer la valeur de l angle limitei 3 à partir des données du schéma. 2. a. Déterminer la relation entre les angles i 2 eti 3. b.en déduire la valeur de l angle i 1 lorsque i 3 = i limite. 3. Un rayon lumineux pourra-t-il subir une réflexion totale en B et se propager dans la fibre optique quel que soit l angle i 1? Expliquer. 1 6

2 Exercice 2: Principe de l échographie (5 pts) L'échographie est une technique d'imagerie médicale utilisant la technique de l'écho. Une sonde, posée sur le ventre de la mère envoie des ultrasons vers le fœtus, ceux-ci vont être réfléchis vers la sonde à chaque fois qu'ils rencontrent un changement de milieu (liquide amniotique/fœtus ou fœtus/liquide amniotique) :les images sont construites à partir des réflexions ou échos des ondes sur les différentes structures de l'organisme notamment les parois osseuses.. L'image est alors obtenue par représentation de ces échos, en fonction du temps, sous forme de points lumineux. L'échographie d'un fœtus (doc.1) et le signal issu du capteur (doc.2) sont schématisés ci-dessous. Lors de cette échographie, une salve ultrasonore est émise par l'émetteur de la sonde à la date 0 µs. 1. Seuls les ultrasons réfléchis par une surface séparant deux milieux différents sont reçus par le récepteur. a. Sur quel principe physique fonctionne l échographie? b. Pourquoi observe-t-on deux pics sur le graphique (doc.2)? c. À quoi correspondent les dates 90 µs et 140 µs? 2. On admet que la vitesse des ondes ultrasonores est égale à 1540 m.s -1 dans le corps humain. a. Calculer la distance d 1 entre la sonde et le fœtus. b. Calculer l épaisseur d 2 du fœtus. 2 6

3 Exercice 3: Représentation graphique (6 pts) Pour identifier un liquide transparent, une possibilité est de déterminer son indice de réfraction. Le tableau suivant donne les indices de réfraction pour une radiation de 580 nm dans le cas de trois liquides: l huile essentielle de vétiver, l éthanol et l acétone. liquide Huile essentielle de éthanol acétone vétiver indice de réfraction 1,530 1,362 1,360 Une cuve demi-cylindrique est remplie d un de ces trois liquides. Elle est disposée sur un système de mesured angles. Le schéma ci-aprèsmontre le dispositif expérimental vu de dessus. On modifie la valeur de l angle d incidence i et on relève sur le tableau ci-dessous les valeurs mesurées de l angle de réfraction r. i( o ) r( o ) sin i 0,00 0,17 0,26 0,34 0,42 0,50 0,57 0,64 sin r 0,00 0,26 0,40 0,53 0,65 0,79 0,88 0,98 1. Enoncer les lois de la réfraction. 2. a. Construire sur un papier millimétré la représentation graphique de sin i en fonction de sin r. Prendre : axe des abscisses : 1cm 0,05 axe des ordonnées : 1cm 0,05 b. Déduire que les valeurs expérimentales obtenues sont en accord avec la loi de Snell-Descartes. 3. a. Déterminer la valeur de l indice de réfractionn du liquide placé dans la cuve demi-cylindrique. b. Lequel des liquides a été placé dans cette cuve? 3 6

4 Exercice 4: Lentille convergente (4 pts) Un appareil photographique comporte deux éléments essentiels : l objectif et la pellicule. On modélise : - L objectif par une lentille mince convergente (L) de centre optique O et dont la distance focale est = f = + 50 mm. - La pellicule par un écran (E), où se forme l image réelle de l objet photographié (voir figure cidessous). L objectif est conçu pour pouvoir déplacer la lentille (L) par rapport à la pellicule. 1. On photographie un objet AB situé à une très grande distance de (L). A quelle distance OA de l écran (E) doit se trouver la lentille (L) pour avoir une image nette? 2. Pour obtenir, sur l écran (E), des images d objets plus rapproches de (L), il est nécessaire d effectuer une mise au point, c'est-à-dire de faire varier la distance lentille-écran. Si l objet AB à photographier se rapproche de (L), la distance entre la lentille (L) et l écran doit-elle augmenter ou diminuer? 3. L objectif permet d augmenter de 5 mm au maximum la distance entre la lentille et la pellicule par rapport à sa position quand l objet est à l infini. a. A quelle distance doit se trouver un objet pour que son image soit nette sur la pellicule quand la distance lentille-écran est maximale? b. Calculer le grandissement γ. 4 6

5 Exercice 5: Phénomène périodique (7 pts) 1. Définir un phénomène périodique? 2. Parmi les oscillogrammes suivants repérer ceux qui représentent un signal périodique. 3. Définir les termes suivants : a. Période d un phénomène périodique b. Fréquence d un phénomène périodique. 4. En imagerie médical, on convertit un signal périodique (battements du cœur par exemple) du corps humain en tension électrique. On observe sur un oscilloscope le signal périodique suivant: La fréquence de ce signal sinusoïdal est: f = 250 Hz. La tension maximale est: Umax = 10 V. a. Calculer la période T de ce signal. b. Déterminer la sensibilité horizontale de l'oscilloscope. c. Déterminer la sensibilité verticale de l'oscilloscope. 5 6

6 Exercice 6 : Vitesse du son (4 pts) Deux récepteurs ultrasonores sont placés dansl eau, l un derrière l autre, séparés par une distance d = 3,6 m. Le récepteur R 1 est plus proche de la source que le récepteur R 2 et l ensemble «émetteur - récepteur R 1 - récepteur R 2» est aligné. Les récepteurs reçoivent le signal ultrasonore émis en salves par l émetteur. On obtient l oscillogramme (2). 1. Quelle est la courbe correspondant au signal reçu par le récepteur le plus proche de l émetteur? Justifier. 2. La sensibilité horizontale étant de 1,000 ms/division. Avec quel retard t le second récepteur reçoit-il le même signal? 3. Calculer la vitesse de propagation des ultrasons dansl eau. 4. La vitesse du son dans l air étant de 340 m.s -1, quelle différence observe-t-on si on réalise cette expérience dans l air? 6 6