Session 2012 BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE STL - CHIMIE DE LABORATOIRE ET DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS ÉPREUVE DE PHYSIQUE Durée de l'épreuve : 2 heures Coefficient : 3 Le sujet comporte 5 pages numérotées de 1/5 à 5/5. L'usage de la calculatrice est autorisé. Toutes les calculatrices de poche y compris les calculatrices programmables, alphanumériques ou à écran graphique à condition que leur fonctionnement soit autonome et qu il ne soit pas fait usage d imprimante (circulaire n 99-186 du 16 novembre 1999). Code sujet : 12PYCLAGPH1 Page 1/5
I. ÉTUDE D UN CIRCUIT SÉRIE 1. Circuit RC. Un dipôle AB est constitué de l association en série d un condensateur de capacité C et d un conducteur ohmique de résistance R. Il est alimenté par un générateur G fournissant une tension u(t) alternative sinusoïdale de fréquence f et de valeur efficace U. Données : U = 5,00 V et f = 800 Hz i(t) u C (t) A C R = 220 Ω C = 0,470 µf G u(t) u R (t) R B 1.1. Donner l expression puis calculer la valeur de l impédance Z C du condensateur. 1.2. Donner l expression puis calculer la valeur de l impédance Z AB du dipôle AB. 1.3. Donner l expression de la valeur efficace I de l intensité du courant i(t) et vérifier que I vaut 10,5 ma. 1.4. En déduire les valeurs efficaces U R de la tension u R (t) et U C de la tension u C (t). 1.5. Donner les expressions en fonction du temps de l intensité i(t) et des tensions u R (t) et u C (t) en prenant i comme référence des phases. 1.6. Construction de Fresnel. 1.6.1. Construire les vecteurs de Fresnel associés aux tensions u R (t) et u C (t) puis le vecteur associé à la tension u(t). On utilisera l échelle : 1 cm pour 0,5 V. 1.6.2. En déduire le déphasage ϕ u/i de la tension u(t) par rapport à l intensité i(t). 2. Circuit RLC. On ajoute en série avec le dipôle AB une bobine d inductance L et de résistance r = 8,50 Ω tout en maintenant U = 5,00 V et f = 800 Hz. 2.1. Comment doit-on choisir l inductance L pour avoir le déphasage ϕ u/i égal à zéro à la fréquence f? Déterminer, dans ce cas, la valeur de L. Code sujet : 12PYCLAGPH1 Page 2/5
2.2. Dans ce cas où le déphasage ϕ u/i est nul : 2.2.1. Comment appelle-t-on le phénomène observé? 2.2.2. Calculer alors l impédance du circuit série constitué par le conducteur ohmique de résistance R, le condensateur et la bobine. 2.2.3. Montrer que la nouvelle valeur efficace I de l intensité du courant vaut 21,9 ma. 3. Étude des risques liés à l ajout de la bobine dans le circuit pour la fréquence f. 3.1. Calculer la nouvelle valeur efficace U C de la tension aux bornes du condensateur. 3.2. Calculer le rapport U C / U pour comparer la tension U C à la tension U fournie par le générateur. Quel est le nom de ce phénomène? 3.3. Le condensateur peut supporter une tension maximale U cmax de 24 V. 3.3.1. Calculer l intensité maximale I max possible pour ce condensateur. 3.3.2. En déduire la valeur minimale à donner à la résistance R pour protéger le condensateur (pour ce calcul on ne tiendra pas compte de la résistance de la bobine). II. CONTRÔLE DE TEMPÉRATURE D UN FOUR Les thermocouples sont très utilisés pour contrôler la température des fours. Un thermocouple est constitué de deux métaux différents. La différence des températures aux deux jonctions entre les métaux produit une tension : c est l effet Seebeck. Cette tension peut être relevée entre deux points du circuit, elle est cependant très faible (de l ordre du microvolt) et il faut l amplifier. Fer µv Fer Constantan Jonction froide Jonction chaude Schéma de principe d un thermocouple. Le métal constantan est un alliage nickel-cuivre. Code sujet : 12PYCLAGPH1 Page 3/5
On se propose d étudier le montage ci-dessous : Ce montage permet de déclencher la mise en route du chauffage du four si sa température descend en dessous de la valeur désirée. La tension U mesurée est la tension fournie par le thermocouple correspondant à la température réelle du four. La tension U référence est une tension fournie par un générateur, correspondant à la température minimale désirée dans le four. La tension U S3 enclenche ou non la mise en route du four. Les trois amplificateurs opérationnels (AO) idéaux ont des tensions de saturation de +/- 14,0 V. La diode est une diode électroluminescente idéale. 1. Propriétés d un AO idéal. 1.1. Rappeler la propriété d un AO idéal. 1.2. Que vaut la tension u d entre les entrées non inverseuse E + et inverseuse E - dans le cas d un fonctionnement linéaire? 2. Étude de l AO 1. 2.1 Montrer que U S1 = U mesurée. 2.2. Quel est le nom du montage réalisé autour de l AO 1? Code sujet : 12PYCLAGPH1 Page 4/5
3. Étude de l AO 2. 3.1. Refaire un schéma du montage de l AO 2 en incluant les tensions U S1, U S2 et les tensions fléchées aux bornes des résistances R 1 et R 2. 3.2. En régime linéaire, établir l'expression littérale donnant le facteur d amplification A = U S2 / U S1 en fonction des résistances R 1 et R 2. 3.3. Indiquer le nom de ce montage. 3.4. On veut un facteur d amplification : A = 101. La valeur de la résistance R 1 étant égale à 2,2 kω, quelle valeur doit-on choisir pour R 2? 4. Étude de l AO 3. 4.1. Quel est le régime de fonctionnement de l AO 3? Justifier. 4.2. Quel est le nom du montage réalisé avec l AO 3? 4.3. Quelle est la valeur de la tension U S3 : - Lorsque U S2 < U référence? - Lorsque U S2 > U référence? 5. Étude de la diode. 5.1. Donner la caractéristique d une diode idéale. 5.2. Donner la condition sur U S3 pour que la diode s allume. À l aide de la question 4.3, en déduire la condition sur U S2 pour que la diode s allume. 5.3. Quel est le rôle de la résistance R P? Quelle est la valeur minimale à donner à R P sachant que la valeur de l intensité maximale supportée par la diode est de 20 ma? 6. Montage complet. En une phrase courte, résumer la fonction réalisée par l ensemble du montage. Code sujet : 12PYCLAGPH1 Page 5/5