INSTITUT DE FORMATION DE TECHNICIENS DE LABORATOIRE MEDICAL - IFTLM CONCOURS D ENTREE 22 MAI 2015 Epreuve de Physique Sur 20 points Durée : 1 heure Calculatrices NON programmables autorisées Page 1 sur 7
Ce sujet comporte trois problèmes indépendants que le candidat peut traiter dans l ordre de son choix Problème 1 : Les interférences lumineuses 8 points. Cet exercice décrit deux expériences utilisant une lumière de couleur rouge, émise par un laser, de longueur d onde dans le vide = 650 nm. Données : Célérité de la lumière dans le vide : c = 3,00.10 8 m.s -1 Constante de Planck : h = 6,626.10-34 J.s Electronvolt : 1 ev = 1,6.10-19 J 1. Le laser 1.1. Rappeler les limites en longueurs d onde de la lumière visible dans le vide. 1.2. Une radiation de longueur d onde = 950 nm fait-elle partie des infrarouges (IR) ou des ultraviolets (UV)? La radiation de fréquence émise par ce laser, correspond à la transition des atomes de néon d un état d énergie E 2 à un état d énergie inférieure E 1. La variation d énergie entre ces deux états excités est notée E = E 2 E 1. 1.3. Rappeler la relation qui lie E et. 1.4. Calculer E. Donner le résultat en ev. 1.5. Citer deux propriétés particulières de la lumière laser. 2. Propagation au travers d une fente. Le faisceau laser est dirigé au travers d une fente comme sur la figure 1 de l annexe à rendre avec la copie. 2.1. Quel est le phénomène observé? 2.2. Quelle condition doit être vérifiée pour obtenir ce phénomène? 2.3. Compléter la figure 1 de l annexe à rendre avec la copie en représentant brièvement l image obtenue à l écran. 2.4. L écart angulaire est donné par la relation : = a Sur la figure 2 en annexe à rendre avec la copie, représenter l angle 3. interférences Un dispositif à fentes d Young est utilisé pour réaliser des interférences lumineuses à partir de la lumière rouge d un laser S du lycée, de longueur dans le vide λ = 650 nm (voir figure3 ci-dessous). Les deux fentes S1 et S2, de même largeur et séparées de a, sont placés à la distance d = 20 cm de la source. On observe une figure d interférences lumineuses sur un écran situé à une distance D = 1,4 m des fentes. Figure 3 3.1. Parmi les deux figures ci-dessous, préciser sans justification celle obtenue à l écran du montage précédent. Page 2 sur 7
figure 4 figure 5 3.2. On cherche à connaître les paramètres dont peut dépendre l interfrange i (nature de la source, distances a, d, D) et à en donner une expression parmi les propositions suivantes :.D a.d² D.a.a D.d a 3.2.1. Que représente l interfrange i? 3.2.2. Par une analyse dimensionnelle, éliminer l'une des propositions. 3.2.3. En réalisant plusieurs expériences, où l'on fait varier un seul paramètre en laissant les autres identiques, on effectue les constatations suivantes : l'utilisation d'un laser vert (à la place du laser rouge) montre que l'interfrange diminue. si on éloigne l'écran, l'interfrange augmente. la position du laser S sur l'axe zz' ne modifie pas l'interfrange. les deux fentes étant rapprochées de l'axe, les franges s'écartent les unes des autres. Pour chaque constatation, indiquer les relations (à) qui ne sont pas compatibles avec les résultats expérimentaux en justifiant le raisonnement. En déduire l'expression correcte de l'interfrange i. Problème 2 : Enregistrement en studio d un groupe de musiciens 5 points Un groupe de musique composé d'un chanteur, de deux guitaristes, d'un violoniste, d'un bassiste et d'un batteur se prépare à un enregistrement en studio. Lors de la «balance» (moment préalable à un enregistrement ou à un concert) l'ingénieur du son réalise séparément pour chaque instrument des enregistrements à l'aide de micros reliés à un système informatisé. La tension électrique notée U AM en mv, détectée au niveau de l'interface informatique, est proportionnelle à la pression acoustique du son ou encore à l'intensité sonore. Cette tension en fonction du temps est représentée cidessous. uam(mv) Document 1 : enregistrement numérique d'un son de la guitare. Page 3 sur 7
uam(mv) Document 2 : enregistrement numérique d'un son de la basse. uam(mv) Document 3 : enregistrement numérique d'un son du violon Document 4 : spectres de fréquences d un son de violon. Page 4 sur 7
1. Caractéristiques des sonorités instrumentales. 1.1. L'enregistrement informatisé d'une note jouée par l'une des guitares du groupe est représenté par le document 1 ci-dessus. 1.1.1. Le son joué par la guitare comporte-t-il plusieurs harmoniques? Justifier. 1.1.2. À partir du document 1, déterminer une valeur approchée de la période de la note jouée par la guitare. En déduire sa fréquence. 1.2. Un son de basse a été enregistré dans les mêmes conditions que celui de la guitare. 1.2.1. Le son émis par la guitare (document 1) et celui émis par la basse (document 2) ont-ils approximativement la même hauteur? Justifier sans calcul. 1.2.2. A quoi reconnaît-on sur les documents que ces deux instruments n'ont pas le même timbre? 1.3. La note émise par le violon (document 3) est-elle plus ou moins aiguë que celle émise par la guitare? Justifier sans calcul. 2. Analyse et synthèse des sons 2.1. On a mesuré la fréquence f 1 d'une note émise par le violon : f 1 = 220 Hz. Parmi les fréquences suivantes, indiquer les fréquences qui correspondent à des «harmoniques» de la note émise par le violon : f 2 = 110 Hz f 3 = 330 Hz f 4 = 440 Hz f 6 = 660 Hz 2.2. L'analyse spectrale d'une autre note émise par le violon donne le spectre du document 4. 2.2.1. Quelle est la fréquence du fondamental? Problème 3 : Service au tennis 7 points. Un terrain de tennis est un rectangle de longueur 23,8 m et de largeur 8,23 m. Il est séparé en deux dans le sens de la largeur par un filet dont la hauteur est 0,920 m. Lorsqu un joueur effectue un service, il doit envoyer la balle dans une zone comprise entre le filet et une ligne située à 6,40 m du filet. On étudie un service du joueur placé au point O. L B O Filet Ce joueur souhaite que la balle frappe le sol en B tel que OB = L = 18,7 m. Pour cela, il lance la balle verticalement et la frappe avec sa raquette en un point D situé sur la verticale de O à la hauteur H = 2,20 m. La balle part alors de D avec une vitesse de valeur v 0 = 126 km.h -1 soit 35 m.s -1, horizontale comme le montre le schéma ci-dessous. La balle de masse m = 58,0 g sera considérée comme ponctuelle et on considérera que l action de l air est négligeable. Page 5 sur 7
L étude du mouvement sera faite dans le référentiel terrestre, galiléen, dans lequel on choisit un repère Oxyz comme l indique le schéma ci-dessous : y D v 0 j O k i F Filet B x z 1. Équations horaires paramétriques et trajectoire. 1.1. Faire le bilan des forces appliquées à la balle pendant son mouvement entre D et B. 1.2. Établir l expression du vecteur accélération de la balle au cours de son mouvement. 1.3. Montrer que les équations horaires paramétriques du mouvement de la balle sont : x(t) = v 0 t y(t) = - g.t² 2 + H z(t) = 0 1.4. Déduire de la réponse à la question 1.3.que l équation littérale de la trajectoire de la balle dans le plan xoy est g de la forme : y(x) = - 2.V2.x² + H 0 2. Qualité du service. On prendra g = 9,81 m.s -2. 2.1. Sachant que la distance OF = 12,2 m, la balle, supposée ponctuelle, passe-t-elle au-dessus du filet? Page 6 sur 7
ANNEXES A RENDRE AVEC LA COPIE Les interférences lumineuses Question 2.3. : fente faisceau écran source Figure 1 Question 2.4. : fente écran source l D Figure 2 Page 7 sur 7