EPREUVE DE SCIENCES PHYSIQUES

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1 EPREUVE DE SCIENCES PHYSIQUES Exercice 1 : Question de cours. Q1 : Que faut-il pour que la troisième loi de Newton s applique à deux corps A et B en interaction? Q2 : Qu observe t-on lorsque l on réalise des interférences en lumière blanche? Q3 : Quelle est la différence entre les forces conservatrices et les forces non conservatrices? Donnez un exemple pour chacune. Q4 : Qu est-ce que la numérisation? Q5 : Si deux instruments identiques produisent chacun en un point un son de même intensité. Comment sera le niveau sonore global? Q6 : Dans quel référentiel, le mouvement de Jupiter est circulaire? Q7 : Qu est-ce que l épicentre d un séisme? Q8 : Si, sur le chemin d une onde lumineuse monochromatique, on place un fil horizontal d épaisseur a, on obtient une figure de diffraction de quel type? Q9 : Quelles sont les deux sources de rayonnements électromagnétiques qui transportent le moins d énergie? Q10 : Le code RVB «255 ; 0 ; 255» correspond à un pixel magenta, jaune ou cyan? 1

2 Exercice 2 : Plancher chauffant. La figure ci-dessous représente la coupe transversale d un plancher dans lequel on a incorporé un système de chauffage. Ce système est constitué d un tube dans lequel circule de l eau à la température moyenne supposée constante Tc = 40 c. On assimile le système de chauffage à un plan horizontal à la température uniforme de Tc = 40 c. On note Ts = 24 c et Tf = 7 c respectivement la température du local et la température du sol de fondation. Désignations matériaux Indices Coefficient de conductivité thermique du matériau λ en [W.m-1. C-1] Epaisseur Revêtement 1 2,50 1 Mortier 2 1,15 5 Isolant 3 0,02 2 en cm Béton 4 1,40 10 Q1. Représenter sur le schéma ci-dessus le sens des flux thermiques circulant dans le plancher chauffant. Indiquer le mode de transfert de chaleur. Q2. Calculer les résistances équivalentes de part et d autre du système de chauffage. Q3. Calculer les flux de chaleur surfaciques circulant de part et d autre du système de chauffage. Q4. En déduire la puissance totale délivrée par le système de chauffage par m² de plancher chauffant. Q5. Calculer les températures T1 et T2. Q6. Calculer le pourcentage de puissance perdue par le sol de fondation. Q7. Déterminer l énergie en joules puis en KWh apportée par m² de plancher par le système de chauffage durant toute une journée. 2

3 Exercice 3 : Le skateboardeur. On s intéresse à un skateboardeur effectuant un saut vertical sur un tremplin assimilable à un quart de cercle de rayon r. Les phases du mouvement sont les suivantes : phase d accélération (de A à B), montée du tremplin (de B à C), saut vertical (de C à D, avec D point de hauteur maximale atteint par le skateboardeur), et retombée (de D à C puis de C à B). On étudiera ici uniquement les phases de montée du tremplin et de saut vertical dans lesquelles l altitude du point B est choisie comme référence pour l énergie potentielle de pesanteur : E p (B) = 0 pour z B = 0. On assimilera le système {skateboardeur + skateboard} à son centre d inertie et on négligera les frottements. Données : OB = r =1,5 m, vitesse du système à l entrée du tremplin v B = 25 km.h -1, masse du système m = 80 kg, intensité de la pesanteur g = 9,81 m.s -1. z D O C A B x Q1. Quelle est la vitesse du système au point C? Q2. Combien vaut l accélération normale du système au point C? Q3. Quelle est la réaction du tremplin au point C? Q4. Combien vaut l accélération totale du système au point C? Q5. A quelle hauteur est situé le point D (à 0,1 prés)? 3

4 EXERCICE 4 : l écholocalisation des chauves-souris. Doc.1 : L écholocalisation des chauves-souris Les cris - On classe les cris ultrasonores des chauves-souris en trois groupes : les émissions de fréquence constante (FC), les émissions de fréquence modulée décroissante (FM) et les émissions mixtes (FC-FM). En général, ces ultrasons ne sont pas purs mais composés d une fréquence fondamentale et de plusieurs harmoniques Pour qu une proie soit détectable, elle doit avoir une dimension supérieure à la longueur d onde du signal ultrasonore. Détection des distances - Pour estimer la distance à un objet (obstacle fixe, proie ), les organes sensoriels de la chauve-souris enregistrent le retard de l écho par rapport à l émission du signal. Détection de la vitesse La chauve-souris perçoit sa vitesse relative par rapport à un objet grâce au décalage de fréquence du signal réfléchi dû à l effet Doppler. Les battements d aile d une proie produisent un décalage des fréquences par effet Doppler oscillant qui se superposent au décalage général engendré par les obstacles fixes environnants. Chez certaines espèces, pour faciliter la détection de ces oscillations, il existe un système de compensation : ces espèces modifient la fréquence d émission pour que la fréquence du signal réfléchi par les obstacles fixes soit ramenée à une fréquence de référence, celle qui est émise lorsque la chauve-souris est immobile, et pour laquelle la sensibilité est maximale. Donnée : Vitesse du son (ou des ultrasons) dans l air : v son = 340 m.s -1 Q1. a) Qu appelle-t-on «cris ultrasonores»? b) Est-ce une onde longitudinale ou transversale? Justifier. Q2. a) À partir du Doc.2, déterminer la période T des signaux émis par les chauves-souris. b) En déduire la fréquence fondamentale f des signaux émis par les chauves-souris. Conclure. c) Quelle est la fréquence de ses deux harmoniques les plus proches? Q3. a) Nommer le phénomène qui perturbe la détection d un écho pour que la proie soit détectable. b) Calculer la dimension minimale d une proie pour qu elle soit détectable. 4

5 Q4. a) Réaliser un schéma qui modélise la détection des distances d une chauve-souris qui se rapproche d un obstacle fixe. Y faire apparaitre le parcours du signal émis se rapprochant de l obstacle, puis expliquer comment la chauve-souris peut ainsi estimer les distances. b) En utilisant le Doc.3, calculer la distance séparant la chauve-souris du mur. Q5. a) Expliquer pourquoi «Les battements d aile d un insecte produisent un décalage des fréquences par effet Doppler oscillant». b) Donner un exemple d utilisation de l effet Doppler dans le domaine des ondes électromagnétiques. c) Lorsque la chauve-souris se rapproche d un mur, l écho perçu a-t-il une fréquence plus grande, identique ou plus faible que celle du signal émis? Justifier simplement. Q6. On propose deux relations pour l expression de la fréquence perçue f R par une chauvesouris se dirigeant vers un mur à la vitesse de v = 20 km.h -1. On note f 0 la fréquence du signal émis. f R = v son v v son + v f 0 f R = v son + v v son - v f 0 v = v son f 2f 0 a) Laquelle des relations ou est utilisable dans le cas décrit? Justifier. b) Calculer la fréquence f R de l écho reçu lorsque le signal émis a pour fréquence 62 khz. c) En utilisant une des expressions précédentes, calculer la vitesse v d une proie par rapport à la chauve-souris, lorsque celle-ci perçoit un décalage de fréquence Δf = 880 Hz pour un ultrason émis à la fréquence f 0 = 93 khz. d) Combien de temps va mettre la chauve-souris pour rattraper sa proie, supposée située à 8,5 m d elle en ligne droite? 5

6 Doc.2 : représentation graphique des cris émis par les chauves-souris. Doc.3: Représentation graphique des signaux émis et reçu par la chauve-souris 6

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