Examen de maturité Session de juin Option complémentaire: Physique

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1 Lycée Denis-de-Rougemont Neuchâtel et Fleurier Nom, prénom: Classe: Examen de maturité Session de juin 2006 Option complémentaire: Physique Pour obtenir la note maximale, il faut résoudre complètement six des sept problèmes proposés. Tous les problèmes ont le même poids et la note sera établie sur la base des six problèmes clairement choisis. Le problème écarté ne sera pas pris en compte dans le calcul de la note. La solution à chaque problème est à transcrire directement sous l'énoncé.

2 Problème 1: QCM (3 questions) Cocher la bonne réponse parmi les 5 proposées. (a) Suite à la consommation de baies, champignons et légumes contaminés, les 50 kg de muscles d une personne habitant à 30 km de Tchernobyl contiennent une quantité de césium 137 dont l'activité est de 200 MBq. En supposant qu'une partie de l énergie des β et des γ émis est absorbée par les muscles de cette personne, chaque désintégration du césium y dépose 0,8 MeV. Les muscles sont des tissus peu radiosensibles, assimilables à la peau ou la surface des os. La dose effective annuelle reçue par cette personne vaut : 1,6 µsv 1,6 msv 160 msv 1,6 Sv 160 Sv (b) Une personne souffre d une maladie qui bouche partiellement ses artères. Si le diamètre de l artère bouchée vaut 3/4 de sa valeur originale, la pression qu il faut fournir pour maintenir le même débit sanguin, comparée à la pression correspondante pour une personne saine, est environ : 4,5 fois plus grande 3 fois plus grande 1,5 fois plus grande la même 1,5 fois plus petite (c) Une étoile a une température absolue 6 fois plus élevée que celle du Soleil et elle a une luminosité 10'000 fois plus grande. Son diamètre est environ : 8 fois plus grand que celui du Soleil identique à celui du Soleil 8 fois plus petit que celui du Soleil 3 fois plus grand que celui du Soleil 3 fois plus petit que celui du Soleil

3 Problème 2: Electrostatique. Une gouttelette d'eau de masse 4,2 µg porte un excédent de électrons. Elle est en équilibre entre la paire de plaques horizontales d'un condensateur chargé. La capacité de ce condensateur plan est de 5,6 pf et le volume délimité entre les plaques vaut 1500 cm 3. (a) Quelle est la valeur du champ électrique entre les plaques pour que la gouttelette soit en équilibre? (b) Quelle tension doit-on alors appliquer aux bornes du condensateur? (c) Que vaut la distance entre les plaques?

4 Problème 3: Analyse de la lumière. Un rayonnement lumineux constitué de deux raies spectrales est analysé à l'aide d'un réseau comportant 400 fentes/mm. Sur un écran placé à 60 cm du réseau on mesure la position des maxima d'interférence. Les maxima d'ordre un correspondant aux deux raies se trouvent à 11,88 cm et à 16,32 cm du maximum central. (a) Quelle est la couleur des raies spectrales? (b) Que valent les énergies des photons?

5 Problème 4: Onde sonore. Un sifflement dont la fréquence vaut 800 Hz parvient à l'oreille d'un auditeur avec un niveau sonore de 90 db. (a) Quelle est la puissance absorbée par le tympan si l'on suppose que son diamètre est de 9 mm? (b) L'auditeur se trouvant à 15 m de la source, quelle est la puissance acoustique de la source? (c) Que vaudrait le niveau sonore si la fréquence passait à 1100 Hz, tous les autres paramètres restant inchangés? Rappel: Un niveau sonore de 0 db correspond à une intensité de W/m 2.

6 Problème 5: Effet Doppler. Par une froide nuit d'hiver (température de l'air 5 C), un piéton arrêté au bord de la route entend la sirène d'une voiture de police qui s'approche, le dépasse et s'éloigne. La fréquence de la sirène perçue par le piéton passe de f 1, lorsque la voiture s'approche, à f 2 lorsque la voiture s'éloigne et correspond à un certain intervalle musical. (a) Le piéton mélomane reconnaît un La 3 et un Mi 3. Que valent donc les fréquences f 1 et f 2? (b) A quelle vitesse roule la voiture de police? (c) Quelle est la fréquence f de la sirène?

7 Problème 6: Fréquence d'un diapason. Pour mesurer la fréquence d'un diapason, on l'approche d'un tube partiellement rempli d'eau et ouvert à son extrémité supérieure. L'eau a pour fonction de limiter la longueur de la partie du tube qui contient de l'air à 20 C et qui amplifie l'intensité du son produit par le diapason. Selon les valeurs du niveau de l'eau, un des modes de résonance du tube d'air peut être excité par le diapason. Les valeurs du niveau de l'eau sont indiquées dans les figures ci-dessous, le tube (1) étant excité dans son mode fondamental. (a) Esquisser le mode de résonance (dessin des noeuds et des ventres) des trois tubes d'air dans les figures ci-dessous. (b) Déterminer la fréquence du diapason. 131, 25 cm 150 cm 93,75 cm 56,25 cm (1) (2) (3)

8 Problème 7: Moments de force. Le poids de la tête P = 45 N est retenu par un muscle dont le point d'application se trouve au niveau de l'occiput. Le muscle agit avec une force F M dans une direction donnée par l'angle α qui vaut dans notre cas 5. (a) Que vaut la norme de la force F M? (b) Esquisser sur la figure ci-contre la force agissant sur l'axe au point Q 8,6 cm 5,3 cm Q P α F M