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Lycée Général et lycée des Métiers de Chamalières
Exercices corrigés de Physique
Terminale S
Pierre-Marie Chaurand
Professeur Agrégé de Physique
Année scolaire 2006-2007
PréfaceCe livre regroupe l"ensemble des exercices donnés à mes élèves de Terminale S tronc commun, en Physique, lors de l"année scolaire 2006-2007. La présentation a été maintenue. Les exercices dont seul le numéro est précisé peuvent être trouvés dans le livre de l"élèvePhysique Terminale S, éditeur Bordas, 2002. En plus des exercices et de leurs corrigés, on trouvera ici les devoirs maisons, les devoirs surveillés et les bac blancs. Ce livre est ainsi un outil de travail complet. Un tel document existe aussi en Chimie Terminale S et en SpécialitéPhysique-Chimie Terminale S.
Résoudre tous les exercicesLes exercices sont destinés à être tous résolus. Ils sont d"un niveau facile à moyen. Il ne m"a pas été possiblepour l"instant d"intégrer des exercices d"un niveau plus élevé. Il ne s"agit donc pas d"un doivent se tourner vers d"autres références plus complètes, et les plus faibles se mettre au travail dèsmaintenant avec les exercicesque je proposesanschercher plus loin. Un travail sur l"annéeJe me suis efforcé de me limiter, sur chaque chapitre, à septexercices,cequiaboutit enPhysiqueàenviron120 exercicessurl"ensemble de l"année, pour les 17 chapitres, correspondants à 17 semaines de travail. L"élève se retrouve donc avec un exercice par jour. Des questionsLes questions, généralement aussi au nombre de sept par cha- pitre, sont là uniquement en guise de simple détente ou pour relever un peu le débat, quand il ne s"agit pas de simples rappels de cours. Je souhaite à tous mes lecteurs une brillante réussite dans leurs projets. Je serais heureux de recevoir de votre part des commentaires etdes signalements d"erreurs.M. Chaurand
iiTable des matièresI Énoncés1
II Corrigés35
III Devoirs Maison67
IV Devoirs surveillés75
V Bacs blancs95
iii ivPremière partie
Énoncés
1 3Chapitre 1
Ondes mécaniques progressives
R´evision etR´esum´e
OndeUne onde correspond au déplacement d"une
perturbation, contenant de l"énergie, sans dépla- cement net de matière.Onde mécaniqueUne onde mécanique se propage
dans un milieu matériel. Ondes transversalesPerturbation perpendiculaire à la direction de propagation. Ondes longitudinalesPerturbation parallèle à la di- rection de propagation. CéléritéLacélérité d"uneondemécanique estdonnée par : c=d tOnde progressiveUne onde progressive correspondau déplacement d"une perturbation sans défor-mation, la perturbation d"un point du milieu àl"instanttétant identique à celle de la source au
tempst?=t-τ,τétant le retard. Milieu dispersifLorsquele milieu estdispersif,la cé- lérité de l"onde dépend de sa fréquence. Latis ProVous devez être aptes à mener des me- sures de distances, de vitesses et de retards, sur des chronophotographies ou sur des enregistre- ments étudié à l"aide d"un logiciel informatique (comme Latis Pro au lycée). OscilloscopeVous devez être capable de mesurer le retard d"un clap ou d"une salve d"ultrasons à l"aide d"un oscilloscope.Mots cl´es
OndeOnde mécaniqueOnde transversaleOnde longitudinaleCéléritéRetardOnde progressiveMilieu dispersif
Applications du cours
1.1No15 p. 32 : Ondes mécaniques le long d"un res-
sort1.2No26 p. 35 : Perturbation le long d"une corde
1.3No27 p. 35 : Perturbation le long d"un ressort
1.4No28 p. 35 : Salve d"ultrasons
1.5Variation de la célérité avec la températureLa céléritévdu son dans l"air est proportionnelle à la
racine carrée de la température absolueT. a.Exprimez mathématiquement cette propriété. b.On donnev=340 m.s-1pour la célérité du son dans l"air à 15 oC. Calculez la célérité du son dans l"air à 0 oC puis à 25oC.Probl`emes
N"oubliez pas les exercices résolus pages 30 et 31 du livre. 1.6Célérité des ondes sur une corde
La célérité des ondes le long d"une corde élastique dé- pend de sa tensionF(en newtons N) et de sa masse linéiqueμ(masse par unité de longueur, en kg.m-1) : v=? F a.Calculez la céléritévpour une corde de longueur ?=10 m dont la masse est de 1,0 kg, tendue par une force de 2,5 N. b.Comment varie cette célérite si :avec la même corde, on multiplie la tension parquatre?avec la même tension, on forme une tresse avecquatre cordes identiques?
c.La corde de la questionaest maintenant tenduepar ci-dessous :cordepoulie masse M Calculer la valeur de la célérité des ondesle long de la corde, avecM=160 g. 1.7No20 p. 33 : L"oléoduc
4Chapitre 2Ondes mécaniques progressives périodiques
R´evision etR´esum´e
Onde progressive périodiqueIl faut savoir recon- naître une telle onde (répétition d"un motif élé- mentaire), et savoir mesurer sa périodeT(durée d"émission d"un motif élémentaire). Période temporelleChaque point du milieu subit la même perturbation à intervalles de temps égauxàT.
Période spatialeLa même perturbation se reproduit identique à elle-même dans la direction de pro- pagation. La distance entre motifs identiques consécutifs est la période spatiale.Cas des ondes sinusoïdalesUne onde progressive
périodique est dite sinusoïdale si l"évolution pé- riodique de la source peut être associée à une fonction sinusoïdale. Longueur d"ondeLa périodespatiale estappeléelon-gueur d"onde et notéeλ.λ=vT
Équation aux dimensionsVous devez savoir justifier la formule ci-dessus par une équation aux di- [vT]=m.s-1×s=m DiffractionLa diffraction est l"étalement des direc- tions de propagation de l"onde lors de la ren- contred"unobstacleoud"uneouverture.Cet éta- lement est d"autant plus marqué que les dimen- sionsdel"obstacle oudel"ouverturesontfaibles : d≂λ DispersionLe milieu est dispersif si la célérité des ondes dépend de leur fréquence.Mots cl´es
Progressives
PériodiquesPériodeLongueur d"ondeDiffractionDispersion
Applications du cours
2.1Sons audibles
Les ondes sonores audibles par l"oreille humaine ont une fréquence comprise entre 20 Hz et 20 kHz. a.Entre quelles valeurs sont comprises les longueurs d"ondes correspondantes, si la célérité du son dans l"air vaut 340 m.s -1? b.Reprendre la question précédente, avec des ondes sonores se propageant dans l"eau, à la célérité de1500 m.s
-1. 2.2Écholocation des dauphins
Pour se situer par rapport à d"éventuels obstacles, un dauphin produit une salve d"ultrasons de fréquence f=40 kHz. a.Calculez la longueur d"onde de ces ultrasons, avec1500 m.s
-1pourla célérité des ultrasonsdans l"eau.b.Quelle est la dimension de la plus petite proie que
le dauphin peut attraper, les yeux fermés?2.3No13 p. 51 : Ondes à la surface de l"eau
2.4Vibreur de Melde
a.Un vibreur de Melde est constitué d"une lame mo- bile verticalement, et d"unélectroaimant actionnant cettelame.L"électroaimant estparcouruparuncou- rant de 50 Hz. Sachant que la lame est attirée par l"électroaimant quelque soit le sens du courant, pourvu qu"il soit suffisamment intense, calculer la fréquencefdes oscillations de la lame. b.Avec ce vibreur, on produit une onde progressive périodique le long d"une corde. On mesure la lon- gueur d"onde des ondes crées, soit 25 cm. Calculez la célérité des ondes sur la corde. 5Exercices
N"oubliez pas l"exercice résolu page 48 du livre.2.5No25 p. 53 : Mesure de la célérité des ultrasons
2.6Ondes circulaires
Le documentphotographiqueci-dessousreprésentele résultat d"une expérience où la fréquence du vibreur est 30 Hz. L"échelle est de 1/3. a.Schématisez la surface de l"eau en coupe à l"instant du vibreur. b.Quelle est la nature de l"onde? c.Déterminez sa longueur d"onde et sa célérité. d.À quoi devrait ressembler une photographie, priseà un instantt+T
2, après l"instanttde la prise de vue
proposée? 2.7Méthode des deux microphones
Le son émis par le haut-parleur est capté par deux mi- crophones M1et M2branchés sur les voies YAet YBde
l"oscilloscope. aperçoit deux périodes complètes de chaque sinu- soïdesurl"oscillogramme, quel"écrancomportedix divisions au total en largeur, et que la fréquence de balayage est réglée sur 0,1 ms par division.Lorsque les deux abscisses des microphones sont
égales, les courbes observées sur l"oscilloscope sont en phase.On déplace lentement le microphone M
2et on relève
l"abscissex2de ce microphone, à chaque fois que les courbes sur l"oscilloscope sont à nouveau en phase. N o 12345x2(cm)17,034,051,068,085,0 b.Quelle valeur de la longueur d"onde peut-on dé- duire de ces mesures?c.Quelle est alors la célérité du son dans l"air?
2.8Méthode du microphone unique
Le son émis par le haut-parleur est capté par le micro- phone M. On réalise les branchements conformémentà la figure ci-dessous.
a.Quelles sont les deux tensions visualisées sur l"os- cilloscope? aperçoit deux périodes complètes de chaque sinu- soïdesurl"oscillogramme, quel"écran comportedix divisions au total, et que la fréquence de balayage est réglée sur 0,2 ms par division. c.On note les deuxpositions du micro qui permettentd"obtenir des sinusoïdes en phase :x=4,5 cm et x=38,5 cm. Quelle est la valeur de la longueur d"onde de l"onde sonore dans ces conditions? d.En déduire la célérité des ondes sonores dans l"air. 2.9Échographie du coeur
Des ondes ultrasonores de fréquence 2,00 MHz sont utilisées pour réaliser l"échographie du coeur. Dans les tissus cardiaques, leur vitesse de propagation est de l"ordre de 1,5 km.s -1.1 : oreillette droite
2 : oreillette gauche
3 : ventricule droit
4 : ventricule gauche
a.Quelle est la nature des ondes ultrasonores? b.Pourquoi ces ondes ne sont-elles pas audibles? c.Quelle est leur longueur d"onde dans les tissus car-diaques?Pourquoi?
e.Lorsqu"elles se propagent dans l"air, quelles sont les caractéristiques qui sont modifiées : vitesse, fré- quence, longueur d"onde, période?6Chapitre 3La lumière, modèle ondulatoire
R´evision etR´esum´e
Description de la lumièreLe phénomène de diffrac- comme une onde.Conditions d"observation de la diffractionLa dif-
fraction de la lumière a lieu lorsque les di- mensions de l"ouverture ou de l"obstacle sont du même ordre de grandeur que la longueur d"onde : a≂λ Ouverture du faisceau diffractéLe demi-diamètre apparent ou demi-ouvertureangulaireθd"un faisceau de lumière de longueur d"ondeλ, dif- fracté par une ouverture de dimensiona, est donnée par la relation : a a oùθest un angle exprimé en radians (rad),λet aétant des longueurs en mètres (m). Lumière monochromatiqueUne lumière monochro- matique est une onde électromagnétique de fré- quenceνdéterminée. Lumière polychromatiqueUnelumière polychroma- tique est un ensemble d"ondes électromagné- tiques de fréquences différentes.Spectre visibleLe spectre visible correspond à des ondes électromagnétiques de longueurs d"onde dans le vide comprises entre 400 nm (violet) et800 nm (rouge). En dessous de 400 nm, on parle
d"ultraviolets; infrarouges au dessus de 800 nm. Propagation de la lumièreLa lumière est une onde électromagnétique, qui n"a pas besoin d"un mi- lieu matériel pour se propager. La propagation est donc possible autant dans le vide que dans les milieux transparents. Longueur d"onde dans le videLa longueur d"ondeλ de la lumière dans le vide est liée à la fréquence ν(lettre grecque " nu ») et à la céléritécdans le vide, par la relation :λ=c
Caractéristiques d"une ondeLa fréquence d"une ra- diation monochromatique est une caractéris- du passage d"un milieu transparent à un autre.Milieux dispersifsLesmilieuxtransparentssontplus
ou moins dispersifs pour les ondes électroma- alors de la fréquence de celle-ci.Indice d"un milieuL"indicend"unmilieutransparent
s"exprime en fonction de la célérité de la lumière dans le videcet de la vitesse de la lumière dans le milieu considérévpar la relation :n=c vMots cl´es
diffraction monochromatiquepolychromatiquespectre visibleultravioletsinfrarougesdispersionindiceQuestions
Q1Citez un phénomène qui, observé à la fois avec les ondes mécaniques et avec la lumière, permet de penser que la lumière peut être décrite comme une onde. Q2 Faites la liste de toutes les grandeurs associées à une onde lumineuse. Classez alors ces grandeursen deux catégories : celles qui sont caractéristiques del"onde, et celles qui dépendent du milieu dans lequelse propage l"onde.
Q3Donnez l"ouverture angulaire d"un faisceau mo-
nochromatique, de longueur d"ondeλ, diffracté par une ouverture de taillea. Q4No1 p. 70
7Exercices
N"oubliez pas les exercices résolus pages 68 et 69 3.1Diffraction par une ouverture circulaireUn fais-
ceau laser, de longueur d"onde dans le vide égale à633 nm, est dirigé vers un écran opaque percé de
plusieurs trous, dont les diamètres calibrés sont de0,25 mm, 0,40 mm, 0,80 mm, 1,60 mm, 3,20 mm.
LASER D La distanceDentre le trou et l"écran est de 3,50 m. a.Décrire le phénomène de diffraction observé sur l"écran pour une petite ouverture.On admetque le demi-diamètre apparentθdela tachecentrale, pour une ouverture circulaire de diamètrea,
est de la forme :