Seconde EVALUATION N 8 (1,5h) /35

Transcription

1 Nom, Prénom, Classe :... Seconde EVALUATION N 8 (1,5h) /35 Toutes les réponses doivent être rédigées et justifiées!! Felix Baumgartner est un parachutiste autrichien. Le 14 Octobre 2012, il a établi le record du monde de saut en parachute avec une chute de 39 kilomètres, atteignant une vitesse estimée de 1357,64 kilomètres par heure. Il est devenu le premier homme à franchir le mur du son sans motorisation. Document 1 : Différentes phases du vol

2 Le système étudié (ballon rempli d hélium + capsule) est relié à la Terre par un fil 1. Dans quel référentiel va-t-on étudier le mouvement? 2. Parmi ces forces, dire quels sont les trois qui s exercent sur le système : poids, traction, force de frottement, réaction normale du sol, tension du fil, poussée d Archimède (poussée de l air sur le ballon qui le fait monter). 3. Les définir par leur nom conventionnel :../système 4. Ces trois forces sont-elles des forces de contact ou à distance? Localisées ou réparties? 5. Donner les 4 caractéristiques du poids puis de la tension du fil. ballon capsule fil Terre Au niveau du sol, le volume du ballon est V B = 4000 m 3, il est rempli d'hélium. Nous considérons que la masse du ballon est égal à la masse de l'hélium (la masse de l'enveloppe est négligée). Masse volumique de l'hélium: hélium = 0,2 kg.m Rappeler la formule qui lie la masse volumique d une espèce à sa masse. 7. Vérifier par le calcul que la masse de l'hélium dans le ballon est: m hélium = 800 kg. La masse de la capsule est 1300 kg. L intensité de la pesanteur à la surface de la Terre: g = 10 N.kg Vérifier que la masse totale du système (ballon + capsule) est m s = 2100 kg. 9. En déduire que le poids du système est P = 2, N

3 Le système est lâché et commence son ascension Nous étudions toujours le système (ballon rempli d hélium + capsule) dans le référentiel terrestre. Après que le fil ait été détaché, le ballon commence son ascension le long d'une ligne droite. Les frottements de l'air sont négligés au cours de ce mouvement. 10. Quelle force ne s applique plus sur le système? 11. Parmi les deux forces restantes, laquelle doit avoir une intensité plus importante pour que le ballon s élève? Document 2 : Graphique représentant la vitesse au cours de l ascension en fonction du temps. v (m.s -1 ) v en m/s temps (h) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 t en 1,2 s 12. Ce graphique peut être séparé en deux étapes: l étape 1 et l étape 2. Décrire chaque phase avec pour chacune, deux mots clés caractéristiques du mouvement. Bien justifier. Dans cette partie, nous étudions toujours le système (ballon rempli d hélium + capsule) dont la masse est m S = 2100 kg. Le système a atteint son altitude maximale H = 39 km. Constante de gravitation: G = 6,67 x N.m 2.kg -2 Rayon de la Terre: R T = 6, km Masse de la Terre: M T = 5, kg Lorsque l on ne se trouve plus à la surface de la Terre, il n est plus possible d appliquer la formule P = mg pour déterminer l intensité de la force exercée par la Terre sur le système. La loi universelle de la gravitation entre deux objets A et B de masse m A et m B et dont les centres sont séparés par une distance d), s écrit : F A/B = F B/A = G avec m (kg) ; d (m) ; F (N) et G (N.m 2.kg -2 ) 13. Vérifiez par calcul, en utilisant la loi de la gravitation universelle que la force exercée par la Terre sur le système (ballon rempli d hélium + capsule) à l altitude H est F Terre / système = 2, N (attention, ici d = R T + H!)

4 Dans cette partie, nous étudions le système (parachutiste + son équipement), sautant hors de la capsule sur 9km. Pendant les premières secondes du saut, un relevé des positions de Félix a été regroupé dans le document 3. L'origine des temps (t = 0 s) est prise lorsque le système quitte la capsule, sans vitesse initiale. Document 3: Phase 4 39 km F 0 F 1 F 2 t = 5,0 s 14. En vous aidant du texte introductif du 3/ et du document 3, décrire le mouvement et justifier. 15. Réaliser un diagramme objet interaction afin d effectuer le bilan des actions mécaniques s appliquant sur le système. 16. Quelles sont donc les forces qui agissent sur le système au cours du saut? 17. Déterminer la vitesse moyenne de Félix entre les points F 0 et F En vous servant du document 3, montrer que l échelle est 1cm (graphique) 3, km (réalité) 19. Donner la définition de la vitesse instantanée au point F Vérifiez à l'aide du document 2 et le tableau de la question 17 que la distance entre les points F 2 et F 4 point est: F 2 F 4 = 1,7 km. 21. Vérifiez par le calcul que V 3 = 1, km.s De même, déterminer V Est-ce en accord avec votre description du mouvement fait en question 14? F 3 F 4 F 5 F 6 A l arrivée, de nombreux journaliste à bord d un hélicoptère ont couvert l évènement. Un hélicoptère décolle et s élève verticalement au-dessus du sol à vitesse constante. 24. Quel est le mouvement de l extrémité d une des pales par rapport à l hélicoptère? 25. Quel est le mouvement de la cabine dans le référentiel terrestre? 26. Représenter, à main levée, l allure de la trajectoire de l extrémité de la pale dans le référentiel terrestre. 27. Pourquoi dit-on alors que le mouvement est relatif? F 7 Bon travail! 30 km F 8

5 CORRECTION Le système étudié (ballon rempli d hélium + capsule) est relié à la Terre par un fil 1. Le référentiel dans lequel on étudie le mouvement est le référentiel terrestre. (0.5) 2. poids, tension du fil, poussée d Archimède (poussée de l air sur le ballon qui le fait monter). (1.5) 3. poids, terre./système tension du fil, fil/système poussée d Archimède air./système (1.5) 4. Poids : distance répartie Tension du fil : contact localisé Poussée d Archimède : contact répartie (3) 5. poids : point d application : centre de gravité ; direction : verticale ; sens : vers le bas ; intensité? (2) Tension du fil: point d application : contact fil / capsule ; direction : verticale ; sens : vers le bas ; intensité? (2) 6. hélium = m hélium / V (0.5) 7. m hélium = hélium * V B = 0,2 *4000 = 800 kg. (1) 8. Vérifier que la masse totale du système (ballon + capsule) est m s = m hélium + m capsule = = 2100 kg. (1) 9. P = m s *g = 2100 * 10 = 2, N (1) Le système est lâché et commence son ascension 10. La tension du fil ne s applique plus au système (0.5) 11. La poussée d Archimède doit être plus importante que le poids pour que le ballon s élève (1) 12. étape 1 : mouvement rectiligne (car la trajectoire est une droite) et accéléré (car la vitesse augmente) (2) Étape 2 : mouvement rectiligne (car la trajectoire est une droite) et uniforme (car la vitesse est constante) (1) 13. F T/S = 6,67 x = 2, N (2)

6 14. Le mouvement est rectiligne accéléré car les distance parcourues en des durées égales augmentent. (1,5) 15. (1) air système Terre 16. Forces de frottement de l air et force gravitationnelle (1) 17. v m = d totale / 8 t = 9 / (8*5) = 2, km.s -1 (1,5) ,3cm 9km donc 1 cm (graphique) x km (réalité) donc x = 9 / 26,3 1 cm (graphique) 3, km (réalité) (1) 19. v 3 = A 2 A 4 / 2 t (0.5) 20. F 2 F 4 = 5,1 * 3, = 1,7 km (1) 21. v 3 = 1,7 / (2*5) = 1, km.s -1 (1) 22. V 7 = 11*3, / (2*5) = 3, km.s -1 (1,5) 23. On observe bien que la vitesse diminue. (0.5) 24. L extrémité de la pale a un mouvement circulaire uniforme par rapport à l hélicoptère. (1) 25. La cabine de l hélicoptère a un mouvement rectiligne uniforme dans le référentiel terrestre. (1) 26. Par rapport au sol l extrémité de la pale tourne alors que l hélicoptère s élève sa trajectoire est donc : (1) 27. Le mouvement est relatif car il dépend du référentiel dans lequel on étudie le mouvement(1)