SUJETS ORAUX BAC TSTI2D SCIENCES PHYSIQUES Exemples d exercices 2 exos 20 minutes préparation 20 min entretien Tirage au sort (fréquemment ) Exercice n 1 - Etude d une installation solaire photovoltaïque Monsieur et madame J. souhaitent se renseigner sur la rentabilité d une installation en panneaux solaires photovoltaïques. Afin de se faire leur propre opinion, ils se connectent à Internet et utilisent un calculateur de «revenu solaire». Pour leur maison située près de Rennes, avec une installation en panneaux solaires de surface S=21 m 2, ils obtiennent le bilan suivant : - revenu solaire annuel estimé : 818 - production électrique annuelle estimée : 2357 kwh - Irradiation annuelle mesurée à Rennes est : 1150 kwh/m² 1) En tenant compte des données, calculez le rendement global de l installation photovoltaïque pour produire suffisamment d électricité. 2) Complétez le schéma du bilan énergétique de l installation photovoltaïque en supposant un rendement de 10%. Donnez la nature des énergies et les valeurs numériques associées à l installation. Installation photovoltaïque 3) Au bout de combien d années madame et monsieur J. peuvent-ils espérer récupérer leur investissement initial de 18 000? 4) Citez une autre façon d utiliser l énergie solaire au service de l habitat. Expliquez rapidement son fonctionnement.
Exercice n 2 Télécommandes IR 1 / À partir du document 1 fourni en annexe, justifiez l'utilisation d'une télécommande infrarouge (IR) pour une télévision. 2 / Une télécommande RF a le descriptif suivant : - Batteries: 2 x 3Volt lithium CR2016 - Fréquence RF: 433,92MHz - Puissance d'émission: 5600 µv/m à 3m - Portée: 5 à 10 mètres (à travers murs et plafonds) / 20 mètres (champ libre) - Certifications: Ce (R&TTE: Radio, Emc et basse tension) - Dimensions: 85x40x7 mm - Poids: 20 g On rappelle la relation liant λ, longueur d'onde, c 3.10 8 m/s, vitesse de la lumière dans l'air, et F, fréquence de l'onde électromagnétique : λ = Précisez les unités dans le système international de F et λ. Calculez la longueur d'onde λ de la télécommande RF. c F 3 / Calculez la période T de la télécommande RF. 4 / Une onde électromagnétique peut être représentée par le graphique du document 2 en annexe, l'axe z étant l'axe de propagation de l'onde EM gradué en mètres. Nommez les deux grandeurs physiques E et B ; précisez leurs unités dans le système international. 5 / Dans la notice de la télécommande, la puissance d'émission est donnée comme étant de 5600 µv/m à la distance 3 m. Quelle est habituellement l'unité de la puissance? Quelle est la grandeur physique dont l unité est le V/m? Proposez une correction à l'énoncé de la notice. ANNEXE Document 1 : transmission infra-rouge et/ou radio-fréquence (RF)? Les appareils audio-vidéo utilisent presque tous une télécommande à transmission infrarouge. Cette technologie est fiable et peu coûteuse. Le rayonnement infra-rouge ne traverse pas les murs ou les portes de placard ; il est directif. Il faut donc que l'appareil à piloter soit visible. Les télécommandes à transmission radio (RF) sont utilisées en domotique et pour le pilotage d'écrans de projection. La technologie RF évite d'entrer en conflit avec les appareils audio/vidéo et, quand c'est nécessaire, elle permet de dissimuler le récepteur dans un faux-plafond, dans un placard, voire dans une autre pièce. Les applications domotiques (commandes de rideaux, éclairage, climatisation...) sont pilotées grâce à la technologie RF. Extrait de : Son-vidéo.com Document 2 : représentation schématique d'une onde électromagnétique
Exercice n 3 - Véhicule se déplaçant sur une portion de route sans dénivelé. 1 / En l absence de frottement, le moteur du véhicule n'intervient pas, le mouvement est rectiligne uniforme. Que signifie, mouvement rectiligne uniforme? Nous prenons maintenant en compte la force de frottement avec l air. Le véhicule roule à la vitesse autorisée sur une route nationale c'est-à-dire 90 km/h. L intensité de cette force répond à la relation suivante : avec la densité du fluide, ici l air, S la surface effective du véhicule en contact avec l air (correspondant à la largeur et hauteur du véhicule) et C X le coefficient de pénétration. À cette vitesse, l'intensité de la force de frottement est égale à 246 N. 2 / Donnez la valeur de la vitesse dans l'unité du système international. 3 / Donnez la valeur de la force motrice pour maintenir la vitesse constante. Expliquez le raisonnement suivi. 4 / Déterminez la puissance que le moteur doit fournir. 5 / Déterminez le couple que doit fournir le moteur sachant que sa vitesse de rotation est de 2000 tr/min. 6 / À l issue de la lecture du document ci-dessous, indiquez l intérêt du travail des constructeurs pour réduire le coefficient de pénétration. Données: Relations utiles pour la résolution de l exercice (sans les unités) : P = C.Ω ; P = F.v Document: Aérodynamisme (source http://www.autobiz.fr) L'aérodynamique est la science de la pénétration d'un objet dans l'air. Elle est l'un des éléments majeurs qui impactent la consommation. Comment ça fonctionne? - La qualité de pénétration dans l'air est exprimée par le coefficient Cx (entre à 0,25 et 0,35 selon les voitures). La force aérodynamique dépend également de la surface frontale S (largeur x hauteur), d'où la formule SCx. À Cx égal, une voiture haute comme un monospace aura donc une résistance à la pénétration dans l'air supérieure à une berline en raison de sa plus grande surface frontale. Il faut aussi noter que plus la voiture est courte, plus il est difficile d'abaisser le Cx. En effet, la résistance de l'air agit autant à l'avant du véhicule qu'à l'arrière où les flux d'air doivent se rejoindre avec un minimum de remous pour limiter la dépression. Par ailleurs, les flux d'air ont parfois tendance à tirer le véhicule vers le haut (déportance). Il est dans ce cas nécessaire d'adjoindre des éléments aérodynamiques tels que les spoilers avant et les ailerons arrière.
Exercice n 4 - Essence ou éthanol dans la voiture L heptane est un des constituants principaux de l essence. Sa formule brute est C 7 H 16. Il brûle dans le dioxygène O 2 de l air en produisant du dioxyde de carbone CO 2 et de l eau H 2 O. Afin de limiter la consommation de produits issus du pétrole, l industrie automobile explore des alternatives à l essence qui est un dérivé du pétrole. Une des solutions possibles est de remplacer l essence par de l éthanol de formule C 2 H 5 OH produit à partir de cultures agricoles. On donne : La réaction de combustion complète de l éthanol : C 2 H 5 OH + 3 O 2 = 2 CO 2 + 3 H 2 O L énergie libérée par la combustion de 40 L d éthanol est : W eth = 237 kwh. 1 / Ecrire la réaction de combustion complète de l heptane. 2 / Un réservoir de voiture a une capacité de 40 L. Calculez l énergie libérée W hept par la combustion de 40 L d heptane. Exprimez les résultats en joule (J) et en kilowattheure (kwh). 3 / Le carburant est utilisé pour alimenter une voiture. Recopiez et complétez le schéma-bloc cidessous : Réservoir Énergie. Voiture Énergie. 4 / Le rendement global de la voiture est de 35 %. Calculez l énergie utile (en kwh) disponible avec un réservoir plein d heptane puis avec un réservoir plein d éthanol. Données : Masses volumiques : µ éthanol = 0,79 kg/l ; µ heptane = 0,74 kg/l Pouvoir calorifique : PCI éthanol = 27 MJ/kg ; PCI heptane = 44 MJ/kg
Exercice n 5 - Voiture électrique et voiture thermique 1 / À partir des informations du document 1, pour une vitesse constante de 90 km/h, déterminez l'autonomie en kilomètres puis en durée de la voiture thermique. 2 / Calculez l'énergie chimique consommée. Donnez le résultat en joule (J) et en kilowattheure (kwh). 3 / Calculez l'énergie mécanique fournie pour le déplacement du véhicule. Justifiez le calcul. 4 / Pour une voiture électrique, à partir des données du document 2, recopiez et complétez le schéma cidessous : batteries lithium-ion Energie... moteur électrique Energie... transmission, roues,... Energie... 5 / Pour la voiture électrique, en tenant compte des données du document n 2, calculez le rendement énergétique η Méca au niveau des transmissions et des roues. Document 1 : Voiture thermique : - Réservoir diesel : 40 L - Consommation à une vitesse constante de 90 km/h : 4,0 L/100km - Rendement global voiture thermique : 35 % - Énergie volumique du diesel : 37 MJ/L Document 2 : Voiture électrique - batteries lithium-ion : 300 kg - Rendement moteur électrique : η mot = 90 % - Rendement global voiture électrique : η GL = 60 % - Énergie massique des batteries lithium-ion : 0,72 MJ/kg
Exercice n 6 : Un réservoir de récupération des eaux de pluie Un réservoir de récupération des eaux de pluie a la forme suivante : A h (R) B L'eau peut s'écouler par un robinet d'ouverture circulaire et de diamètre D situé au fond du réservoir. Le réservoir est un cylindre de section S et de hauteur h. Le réservoir est plein au début de l'exercice. L'eau est considérée comme un fluide parfait incompressible. Dimensions du réservoir : Hauteur du réservoir : h = 1,5 m Section du réservoir : S = 0,8 m 2 Section du robinet (R ) : S R = 5.10-4 m². 1 / Calculez le volume d'eau stocké dans le réservoir. Donnez le résultat en mètre cube (m 3 ), puis en litre (L). AIDE : Le volume d eau au niveau du robinet sera négligé. 2 / Le robinet (R) est fermé. 2.1. La pression est-elle plus élevée au point A ou au point B? 2.2. Calculez la pression au niveau du point B, notée P B, sachant que P A = 1013 hpa. Exprimez le résultat en hectopascal. 3 / On ouvre le robinet (R). Quelle est alors la pression de l'eau au point B notée P' B? 4 / L'expression littérale de la vitesse d'écoulement au niveau du robinet B s'écrit : v B = 2. g. h. Calculez la valeur numérique de la vitesse au point B v B. 5 / En effectuant une analyse dimensionnelle (en raisonnant sur les unités), établir la relation littérale entre le débit volumique D V, la section du robinet S R et la vitesse d écoulement en B, v B. 6 / Calculez la valeur numérique du débit au niveau du robinet, D v en m 3.s -1 puis en L.s -1. Données : Principe fondamental de l'hydrostatique : entre deux points d'un même fluide, on a la relation : P = ρ.g.h, où P est la différence de pression entre les deux points ; ρ est la masse volumique en kg.m -3 ; g est l accélération de la pesanteur en m.s -2 ; h est la différence de hauteur entre les deux points. Masse volumique de l'eau : ρ eau = 1000 kg.m -3 Accélération de la pesanteur : g 10 m.s -2