[PDF] Exercices et Contrôles Corrigés de Mécanique du Point Matériel

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Contact: elkacimi@uca.maD´epartement de Physique - FSSM 2015/2016

CHAPITRE1

Rappels et compléments mathématiques

1.1 Exercices

1.1.1

Opérations sur les vecteurs

On donne trois vecteurs?A(3,2⎷2,⎷3),?B(2,⎷3,⎷2) et?C(1,2,2).

1. Calculer les normes??A?,??B?et??C?. En d´eduire les vecteurs unitaires?uA,?uB

et?uCdes directions, respectivement, de?A,?Bet?C.

2. Calculer cos(

??uA,?uB), cos(??uB,?uC) et cos(??uC,?uA), sachant que les angles sont com- pris entre 0 etπ.

3. Calculer les composantes des vecteurs?e1=?uB??uC,?e2=?uC??uAet?e3=?uA??uB.

4. En d´eduire sin(

??uA,?uB), sin(??uB,?uC) et sin(??uA,?uC). V´erifier ces r´esultats en utili- sant la question 2.

5. Montrer que?e1,?e2,?e3peuvent constituer une base. Cette base est-elle orthogo-

nale, norm´ee?

1.1.2Différentielle et dérivée d"un vecteur unitaire

SoitR(O,?i,?j,?k) un rep`ere cart´esien et consid´erons la base sph´erique (?er,?eθ,?e?).

1. Exprimer les vecteurs de la base sph´erique dans la base cart´esienne.

2. Calculer

∂?e r

∂θ,∂?er∂?,∂?eθ∂θ,∂?eθ∂?,∂?e?∂θet∂?e?∂?.

3

Rappels et compl´ements math´ematiques

3. En d´eduired?er,d?eθetd?e?dans la base sph´erique.

4. Montrer que les diff´erentielles des vecteurs de la base sph´erique peuvent se mettre

sous la forme d?e r=dt?Ω??erd?eθ=dt?Ω??eθd?e?=dt?Ω??e? en pr´ecisant l"expression du vecteur rotation ?Ω des vecteurs de la base sph´erique par rapport `aR. D´eduire les d´eriv´ees par rapport au temps des vecteurs de la base sph´erique par rapport `aR.

5. On consid`ere la base cylindrique (?eρ,?e?,?k) . Quel est son vecteur rotation par

rapport `aR? En utilisant les r´esultats pr´ec´edents, calculer la d´eriv´ee par rapport

au temps des vecteurs de la base cylindrique par rapport `aR.

6. Consid´erons un vecteur

?V=Vr?er+Vθ?eθ+V??e?. En utilisant les r´esultats pr´ec´e- dents, calculer la d´eriv´ee par rapport au temps de ?Vpar rapport `aR

1.1.3Déplacement élémentaire

On se propose de traiter dans cet exercice le d´eplacement ´el´ementaire dans les trois

syst`emes de coordonn´ees, cart´esiennes, cylindriques et sph´eriques et ce en utilisant les

r´esultatsde l"exercice 2

Consid´erons un rep`ere cart´esienR(O,?i,?j,?k). Soient (?eρ,?e?,?k) et (?er,?eθ,?e?) respective-

ment les bases cylindrique et sph´erique. SoitMun point rep´er´e par--→OMpar rapport `a

R. On consid`ere un d´eplacement infinit´esimal deMenM?tel queM?est tr`es proche de

M. On note alors le d´eplacement ´el´ementaire par--→OM?---→OM=d---→MM?=d--→OM

1. Dans le rep`ere cart´esien,--→OM=x?i+y?j+z?k. Calculer le d´eplacementd--→OMpar

rapport `aRdans la base cart´esienne.

2. Rappeler le vecteur rotation de la base cylindrique par rapport `aR. Partant de--→OM=ρ?eρ+z?k, calculer le d´eplacementd--→OMpar rapport `aRdans la base

cylindrique.

3. Rappeler le vecteur rotation de la base sph´erique par rapport `aR. Dans la base

sph´erique--→OM=r?er, calculer le d´eplacementd--→OMpar rapport `aRet ce dans cette base.

1.1.4Tube cathodique

On ´etudie le mouvement des ´electrons dans le tube cathodique d"un osilloscope. Les ´electrons arrivent enOavec une vitesse?v0=v0?iet traversent les plaques de d´eviation P

1etP2de longueurl. Les ´electrons sont soumis entre les plaques de d´eviation`a une

acc´el´eration uniforme?γ0=γ0?jet sont d´evi´es, figure ci-dessous. L"´ecran est `a la distance

D= 5lde la sortie des plaques. On exprime dans le reste de l"exercice les grandeurs vectorielles dans la base cart´esienne. la vitesse de la particule `a la sortie des plaques est?vAet fait un angleαavec?i. L"acc´el´eration des ´electrons entre les pointsAetEest nulle. Contact: elkacimi@uca.maD´epartement de Physique - FSSM 2015/2016

1.1 Exercices5

1. Etablir les ´equations horaires du mouvement

des ´electrons entre les plaques de d´eviation, x(t) ety(t). En d´eduire l"´equation de la tra- jectoirey=f(x).

2. Calculer la vitesse des ´electrons au pointA,

?v

A, en fonction dev0,letγ0. En d´eduire

l"angleα=?(?i,?vA).

3. Quelle est la nature de la trajectoire des ´elec-

trons entreAetE? En d´eduire les ´equations horairesx(t) ety(t). D´eterminer la d´eviation

δen fonction dev0,letγ0.

y xO j i 1P 2 P l D=5lδ E Aα

1.1.5Exercice

Un v´ehicule, que l"on peut consid´erer comme un point mat´erielM, se d´eplace par

rapport `a un r´ef´erentielR(O,xyz) avec un mouvement de translation uniforme de vitesse?V(M/R) telle que|?V(M/R)|=v. Le v´ehicule roule sur une bosse dont le profil peut

ˆetre repr´esent´e pary=f(x). On s"int´eresse au segment de la route [A,B].

1. Calculer la vitesse?V(M/R) en fonction

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