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1 Nom : N o : L usage de la calculatrice scientifique non programmable est autorisé E1- Physique Décembre 2016 Classe : 1 ere S Durée : 120 minutes Exercice 1 : QCM (5 points) Pour chacune des questions suivantes, une seule réponse est exacte parmi cinq. Choisir la lettre correspondant à cette réponse. Justifier. 1. L unité W.Ώ 1 est égale à : a: A 2 b: V c : A d: J e : C 2. L unité SI de la constante de gravitation universelle G est : a : N.m.kg 1 b : N.kg.m 1 c : N.m 2.kg 1 d: N.m 2.kg 2 e : N.m.kg 3. Deux charges ponctuelles non nulles, q et q, distantes de r, s attirent avec la force de norme F. On double simultanément les trois grandeurs q, q et r, la nouvelle force d attraction aura pour norme F égale à : a : 16 F b : 8 F c : 4 F d : 2 F e : F 4. le rendement d une machine est de 25%. Si la machine reçoit une énergie de 1 kj, l énergie perdue, en J, est égale a : a : 25 b : 250 c : 500 d : 750 e : est un radioactif α. Le noyau issu de sa désintégration a pour numéro atomique a: Z = 80 b: Z= 81 c: Z=82 d: Z= 84 e : 85 Exercice 2: Energie mécanique (4 points) Une pierre de masse m= 25 kg, est lâchée d un point A sans vitesse initiale. Elle atteint le sol, situé à la distance h au dessous de A, avec une énergie cinétique de 5,15 J. Les frottements étant négligeables. 1. Calculer la vitesse v d arrivée de la pierre au sol. 2. a. Quelle est la valeur de l énergie potentielle E pp de pesanteur de la pierre au point de départ A. b. Déduire la valeur de la hauteur h. On donne : g= 9,81 N/kg 1

2 Exercice 3 : Economies d énergie (8 points) Entre efficacité, durée de vie, prix d achat et conditions d utilisation, il est difficile de faire des choix quand il s agit d ampoules à économie d énergie. Document:1 Des ampoules basse consommation. Encore récemment, les ampoules d utilisation domestique convertissaient la plupart de l électricité en énergie thermique plutôt qu en énergie lumineuse. Dans un contexte d économie d énergie, les constructeurs ont donc cherché à augmenter la part de l énergie convertie en lumière:: aujourd hui, une ampoule basse consommation (ABC), aussi appelée fluocompacte, de puissance 15W éclaire autant pour une consommation d électricité moindre qu une ampoule à incandescence de 60W. Les ampoules à incandescence et les ampoules halogènes sont progressivement interdites à la vente en France. Par exemple, depuis le 1 er :septembre 2010, c est le cas des ampoules de plus de 75:W (60:W pour les halogènes). Les tubes fluorescents (dits «:néons:») et les diodes électroluminescentes (DEL) restent autorisées. Le constructeur doit apposer une étiquette qui indique la classe d efficacité énergétique qui correspond à une plage d indices d efficacité (tableau:1). Chaque indice correspond au rapport entre la puissance consommée (en mw) et le flux lumineux (en lumen, symbole lm). Cela revient à classer les ampoules selon leur rendement (tableaux1 et2). Le remplacement des ampoules ne suffira pas, seul, à réduire de façon conséquente la consommation énergétique: en France, l éclairage représente 10:% de la consommation électrique, soit 3:% de l énergie totale consommée. Tableau:1 Indication approximative pour les classes d indice d efficacité énergétique des ampoules Classe Plage d indices (en:mw.lm -1 ) Type d ampoule <:20 Fluorescente De 20 à 40 De 40 à 60 De 60 à 80 De 80 à 95 De 95 à 160 Fluorescente Halogène Halogène À incandescence À incandescence >:160 À incandescence 2

3 Tableau:2 Valeurs moyennes pour des lampes «:grand public:» Type de lampe Lampe à filament classique Lampe fluocompacte Puissance en watt (W) 60W 15W Flux lumineux en lumen (lm) 750lm 750lm Rendu des couleurs Très bon Mauvais à bon Échauffement de la lampe Très élevé 70 C Résistance Fragile Assez résistante Prix moyen ( ) 1 5 Durée de vie en heures (h) 1000h 8000h Document:2 Consommation énergétique pour 8:000:h de fonctionnement des deux lampes du tableau:2 Prix du kwh:: 0,11: 3

4 1.:Préciser le point commun entre les deux lampes du tableau:2 du document:1. 2.:Représenter la chaîne énergétique associée à chacune des lampes (à incandescence et fluocompacte) Pélectrique reçue ( mw ) 3.:La plage d indice représente les valeurs du rapport. Eclairement( lm) À l aide du tableau:1 du document:1, montrer que la lampe fluocompacte du tableau:2 entre dans la catégorie de l une des classes A. 4.:a. À l aide du document:2, calculer le coût de revient (achat et fonctionnement pendant 8000h) pour la lampe fluocompacte du tableau:2 du document:1. b. i.calculer le coût de revient (achat et fonctionnement pendant 8000h) pour les lampes à filament classique ii. Deduire l économie financière réalisée pour 8000h de fonctionnement. 5.:On s intéresse à la consommation des ampoules du salon et de la chambre dans une habitation. La chambre est éclairée avec une lampe à filament de 60W pendant 1:heure. Le salon est éclairé avec une lampe fluocompacte de 15W pendant 4heures. Comparer la consommation d énergie de la lampe à filament à celle de la lampe fluocompacte. 6. Le remplacement des lampes à incandescence par des lampes fluocompactes est-elle une réelle économie? Exercice 4 : Interactions fondamentales (7 points) L hélium est, après l'hydrogène, l'élément le plus abondant de l'univers. La grande majorité de l'hélium a été formée par la nucléosynthèse primordiale. De l hélium est également formé au cœur des étoiles par la fusion nucléaire de l'hydrogène ; il est ensuite utilisé par les étoiles en fin de vie comme matière première pour la création d'éléments plus lourds, par des processus bien plus rapides, voire explosifs. Le noyau de l atome d hélium 4 He, est constitué de 2 protons et 2 neutrons. On considère que ce noyau est compact, c est-à-dire que les nucléons sont jointifs (voir schéma). Proton Neutron 1. Déterminer la distance minimale qui sépare le centre d un proton et le centre d un neutron. 2. Retrouver, par le calcul, que la distance minimale qui sépare les centres de deux protons est de 3,4 femtomètres. 3. Calculer la force d interaction électrostatique qui s exerce entre deux protons. 4. Représenter les forces d interactions électrostatiques qui s exercent entre deux protons sur un schéma. 5. Calculer la force d interaction électrostatique qui s exerce entre un neutron et un proton? 6. Calculer la force d interaction gravitationnelle qui s exerce entre un proton et un neutron. 7. Justifier l existence d une autre interaction assurant la cohésion du noyau d hélium. On Donne: Constante électrique : k = N.C -2.m 2 ; Constante de gravitation : G = 6, S.I ; Charge élémentaire : e = 1, C ; Masse d un nucléon : m nucléon = 1, kg ; Rayon moyen d un nucléon = 1,2 fm (1 femtomètre = m) 4

5 Exercice 5 : Loi d Ohm (8 points) I- On désire déterminer les grandeurs caractéristiques E et r d'un générateur. Pour cela, on l intercale dans un circuit approprié et on mesure plusieurs fois la tension U à ses bornes et l'intensité I du courant qu il débite. Les couples des valeurs obtenues sont regroupées dans le tableau ci-dessous. U(V) 6,85 6,57 6,25 5,94 5,62 5,35 5,02 I(A) 0,10 0,29 0,50 0,71 0,92 1,10 1,32 1. Faire le schéma du montage permettant d obtenir ces couples. 2. Tracer sur un papier millimétré la caractéristique intensité-tension du générateur. Prendre : 1cm 0,1 A(en abscisse) et 1cm 0,5 V (en ordonnée) 3. a. Déterminer l équation de la caractéristique intensité-tension correspondante. b. Déduire les grandeurs caractéristiques E et r de ce générateur. II- On considère les caractéristiques intensité-tension suivantes : 1. Associer à chaque caractéristique le dipôle correspondant. 2. Déterminer l expression de la tension aux bornes de chaque dipôle. Exercice 6 : Circuit électrique ( 8 points) On considère le circuit électrique suivant formé : - de deux générateurs G 1 (70V ; 2,5Ω) et G 2 (10V ; 2,0 Ω) connectés comme le montre la figure. - d un moteur M (20V ; 1,5Ω), 5

6 - de 4 conducteurs ohmiques de résistance R 1 = R 2 = 20 Ω, R 3 =R 4 =2,0 Ω. 1. Calculer la résistance équivalente R entre B et N. 2. Identifier le rôle du générateur G Calculer la valeur de l intensité du courant débité par le générateur. 4. Calculer les tensions U PN, U PA, U AB, U NB, and U CN. 5. Déduire la valeur des intensités du courant traversant R 1 et R Calculer le rendement du moteur. 7. Calculer l intensité du courant débité par le générateur si le moteur est calé. 6

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