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Physique

exercices incontournables

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MPMP*PTPT*

JEAN-NOËLBEURY

Physique

exercices incontournables 3 e

ÉDITION

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Avec la collaboration scientique deSÉBASTIENFAYOLLE Conception et création de couverture : Atelier3+

© Dunod, 2012, 2014, 2017

11 rue Paul Bert, 92240 Malakoff

www.dunod.com

ISBN 978-2-10-076265-1

TP16-0423-Book1 19/04/2017 11:32 Page v

Table des matières

Partie 1

M´ecanique

1. Référentiels non galiléens 3

2. Mécanique du solide 17

Partie 2

´Electronique

3. ALI-Oscillateurs 29

4. Signaux périodiques 44

5. Électronique numérique 49

Partie 3

Optique ondulatoire

6. Interférences 59

Partie 4

Électromagnétisme

7. Électrostatique 93

8. Magnétostatique 120

9. Équationsde Maxwell- Énergieduchampélectromagnétique 131

10. Propagation 143

Partie 5

Thermodynamique

11. Systèmes ouverts en régime stationnaire 191

12. Transferts thermiques 207

© Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit.

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Table des matières

13. Statique des fluides 235

14. Fluide en écoulement 241

15. Thermodynamique industrielle 252

Partie 6

Physique quantique

16. Approche ondulatoire de la mécanique quantique 285

Partie 7

Thermodynamique statistique

17. Facteur de Boltzmann 319

Index 327

Les énoncés dans lesquels apparaît un astérisque annoncent des exercices plus difficiles.

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Partie 1

M´ecanique

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1. Référentiels non galiléens 3

1.1 : Bille dans un tube (MP) 3

1.2 : Sismographe (MP) 6

1.3 : Circonférence en rotation et anneau (MP) 9

1.4 : Dynamique en référentiel tournant (MP) 12

2. Mécanique du solide 17

2.1 : Déplacement d"un solide sur un plan horizontal (MP) 17

2.2 : Détermination d"un coefficient de frottement (MP) 23

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1

Référentielsnon galiléens

Exercice 1.1 : Bille dans un tube (MP)

On considère un solideMde massemsusceptible de glisser sans frottement à l"intérieur d"un tube parallélépipédique d"extrémitéO. Les grandeursr 0 =OM 0 etv 0 caractérisent la position et la vitesse deMà l"instant initialt=0dansle repère lié au tube. Le tube de longueur 2?est dans le plan horizontal et tourne autour de l"axeOzvertical à la vitesse angulaireωconstante.

1.Déterminer l"équation différentielle enrdu mouvement deM.

2.Calculer le tempsτque mettraMpour sortir du tube avec?=0,1 m;r

0

0,01 m;v

0 =0 m.s -1 etω=2rad.s -1

3.Un ressort enfilé dans le tube est fixé à son extrémité enOet à son autre

extrémité au solideM. La longueur à vide du ressort est 2r 0 . Discuter la nature du mouvement deMsuivant la valeur deω.

Analyse du problème

Cet exercice traite du mouvement relatif d"un point matériel. Il faut bien définir

le référentiel absolu (considéré comme galiléen) et le référentiel relatif (considéré

comme non galiléen). Le bilan des forces se fait en travaillant d"abord dans le ré- férentiel galiléen. Il faut rajouter ensuite les forces d"inertie d"entraînement et de Coriolis pour appliquer le principe fondamental de la dynamique dans le référentiel non galiléen. 1. ?u r ?u ?u z q Oxy M q © Dunod. Toute reproduction non autorisée est un délit. 3

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Partie 1

Mécanique

Système :Bille de massem.

Référentiels :?

0

O;?i,?j,?k,t?galiléen et?=?

O;?u r ,?u ,?k,t? non galiléen.

Le vecteur rotation instantané de

?par rapport à? 0 vaut :?ω 0 =ω?k.

Le mouvement relatif dans?s"écrit :

-→OM=r?u r ;?v(M) =r?u r et ?a(M) =¨r?u r

Le vecteur unitaire?u

r est fixe dans?. La dérivée par rapport au temps der?u r dans ?donne bienr?u r

Bilan des forces :

Le mouvement se fait sans frottement, la réaction du support est donc or- thogonale au petit déplacement de la bille par rapport au tube. La réaction du support a donc une composante nulle sur ?u r .La réaction du support est donc ?R=R 1 ?u +R 2 ?k

Le poids de la massemest :

?P=m?g

La force d"inertie d"entraînement est :

?f ie (M)=mω 2 -→OM

La force d"inertie de Coriolis :

?f ic (M)=-2m?ω 0 ??v(M) =-2mωr?u Principe fondamental de la dynamique (PFD) dans le référentiel non galiléen : m?a(M) =?R+?P+?f ie +?f ic

La projection dans la base

?u r ,?u ,?k?donne : ??????m¨r=mω 2 r 0=R 1 -2mωr 0=R 2 -mg L"équation différentielle du mouvement s"obtient à partir de la première projection du PFD :

¨r-ω

2 r=0 4

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Chapitre 1

Référentiels non galiléens

2.L"équation caractéristique s"écrit :x

2 2 =0.On en déduit alors x=±ω La solution de l"équation différentielle s"écrit donc : r=Aexp(ωt)+Bexp(-ωt) La dérivée derpar rapport au temps est :r=Aωexp(ωt)-Bωexp(-ωt).

Àt=0,r(0)=r

0 etr(0)=v 0 On a deux équations pour déterminer les constantes d"intégrationAetB: ????A+B=r 0 (éq. 1)

Aω-Bω=v

0 (éq. 2)quotesdbs_dbs31.pdfusesText_37