Chapitres
Un travail régulier, de nombreux exercices, une bonne révision des fiches et des TP sont indispensables ! et, si vous maîtrisez quelques "incontournables", vous pourrez alors résoudre tous les sujets du bac.
Étudiez votre itinéraire
Le programme est "lourd", aussi, pour bien réviser, il faut s'organiser. Pour ce faire, deux techniques élémentaires et indispensables : rédiger une fiche par chapitre, et chercher un "binôme" pour réviser en commun. plus vous arriverez à expliquer clairement à votre interlocuteur le cours, mieux vous le maîtriserez ! Pour être efficace, il est préférable de travailler régulièrement chaque jour. Par exemple, à trois mois du bac, une demi-heure par jour, seul avec vos fiches, et une révision en binôme d'une heure ou deux par semaine constituent un bon rythme...
Faites vos bagages
Quelques problèmes d'entraînement pour chaque chapitre et une bonne révision de vos fiches de synthèse suffiront ! En physique, chaque fiche doit contenir les définitions (la force gravitationnelle, par exemple), les lois (lois de Képler, d'attraction, ...), les théorèmes, les unités (très important !) et, enfin, les "méthodes" (formules d'approximation...). En chimie, servez-vous des TP pour faire vos fiches et signalez les appareils utilisés. Indiquez l'objectif de l'expérience, le principe théorique auquel on fait référence, le matériel et les produits, la description détaillée de la manipulation (schéma clair) et, enfin, l'exploitation des résultats. Ensuite, que ce soit en physique ou en chimie, vous devez obligatoirement étudier un certain nombre d'"incontournables". Des sujets dont il faut avoir réalisé plusieurs fois les exercices. Si vous les maîtrisez parfaitement, il vous sera possible, par analogie, de résoudre tous les sujets possibles du bac. N'apprenez pas par coeur ces problèmes ! Mais retenez-en la "démarche". C'est elle qui est importante à apprendre et, surtout, à parfaitement comprendre.
La trousse de secours
La pharmacie de bord doit contenir trois "médicaments" : 1. L'exercice : encore et toujours... Plus vous en ferez, plus vous acquerrez les automatismes... 2. Maîtrisez parfaitement les unités, les dimensions, les constantes... 3. Respectez toujours les règles algébriques, dans la rédaction de vos problèmes. Si vous étudiez la loi d'Ohm entre les points A et B, ne vous contentez pas d'écrire U = Ri mais habituez-vous à écrire UAB = Ri. Ainsi, vous contrôlerez la logiquede vos réponses et serez mieux perçu par le correcteur qui saisira plus facilement votre raisonnement.
Avez-vous pensé à...
Matériel : vérifiez les piles de votre calculatrice, et assurez-vous de bien avoir montre, crayons, gomme, règle, compas et rapporteur. A noter, il peut être bien vu, si cela est fait avec modération, de mettre un peu de couleur sur les schémas, surtout en chimie. Mais, dans ce cas, respectez les couleurs "vraies". L'oxyde de cuivre, Cu2O, par exemple, est rouge brique. N'utilisez donc pas du bleu ou du vert ! Vocabulaire : utilisez le vocabulaire propre à la physique et à la chimie. soyez rigoureux dans le choix des termes que vous employez. Exprimez d'abord le résultat littéralement puis numériquement. Chaque phrase doit correspondre à une seule étape du raisonnement. N'utilisez jamais des "Il est évident que", "d'après le cours"... Termes : lorsque vous utilisez une loi, une formule ou un outil mathématique, énoncez-les entièrement avec les termes utilisés dans l'énoncé du problème, en notant toutes les justifications et les conditions d'applications. Si vous utilisez plusieurs fois la même formule, signalez au correcteur que vous l'avez déjà citée : "d'après la formule donnée à la question...". Vérifiez toujours que ce que vous avez écrit correspond bien à la question posée.
Devant le gouvernail
Ne vous laissez pas piéger par le temps. Rédigez clairement vos réponses au propre (évitez, dans le développement littéral, les abréviations et les symboles...). Pour résoudre un problème, faites un schéma et définissez, lorsque ce n'est pas fait dans l'énoncé, des notations sans ambiguïté. Distinguez les données et le résultat demandé ; les lois physiques reliant ces données et ce résultat vous conduiront à "la formule" qui permet la résolution de la question. Si votre dessin n'est pas ressemblant, ce n'est pas très grave, à condition d'indiquer le nom de l'appareil à l'aide d'une petite flèche... Idem pour un montage électrique ou électronique. Si par exemple vous avez dans votre montage plusieurs conducteurs ohmiques, numérotez-les précisément (R1, R2, R3,...). Et, dans votre texte, préciser la valeur (en ohms) de chacune.
Ce que l'on vous demande
Ce que l'on vous demande, c'est justement une grande rigueur scientifique. c'est-à-dire une démarche logique, rigoureuse, tenant compte de tous les facteurs. Évitez les abréviations et les symboles logiques, privilégiez toujours les phrases consruites. Le correcteur vous en sera reconnaissant. encadrez ou soulignez les formules remarquables et les résultats. N'oubliez pas que l'on vous demande plus d'avoir "compris" que d'avoir "appris". Évitez donc les phrases témoignant du par cœur. enfin, il vaut toujours mieux laisser un "blanc" que d'essayer de "bidouiller" une réponse pour tenter de faire croire au correcteur que votre raisonnement tient debout.
Quelques exercices d'entrainement en physique
Observation du soleil
Un filtre solaire « H alpha » est un accessoire pour télescope, permettant notamment d’observer avec beaucoup de précision les détails de la chromosphère, couche peu dense mais très active de l’atmosphère solaire : protubérances, turbulences, filaments, taches...
La lumière intense émise par la photosphère empêche un observateur terrestre de distinguer la chromosphère. Pour pallier cet inconvénient, on utilise des filtres appropriés à l’observation du Soleil. Les atomes d’hydrogène présents dans la chromosphère absorbent la lumière émise par la photosphère et la réémettent vers l’extérieur. La longueur d’onde, sélectionnée par ces filtres, correspond à une raie du spectre de l’hydrogène appelée H alpha (Hα). La photosphère est alors invisible et seule la chromosphère apparaît.
Données
Charge élémentaire : e = 1,602 × 10–19 C
Électron-volt : 1 eV = 1,602 × 10–19 J
Constante de Planck : h = 6,626 × 10–34 J.s
Célérité de la lumière dans le vide : c = 2,998 × 108 m.s–1
1. La raie « H alpha »
1.1. La longueur d’onde mesurée dans le vide de la raie Hα est lα = 656,3 nm. En déduire la fréquence nα d'une telle radiation.
Le diagramme ci-dessous représente les niveaux d’énergie (exprimés en électrons-volts) de l’atome d’hydrogène.
1.2. Identifier la transition qui correspond à l’émission de la raie Hα.
2. Filtre interférentiel
On utilise le principe des interférences constructives et destructives pour « sélectionner » certaines longueurs d’onde au détriment d’autres.
2.1. Obtenir une figure d’interférences
Deux expériences sont proposées pour observer des interférences lumineuses sur un écran :
2.1.1. Quelle expérience permet d'obtenir de façon certaine des interférences ?
Dans l’expérience N°2, des rayons de lumière monochromatique de période T, provenant d’un faisceau laser, passent à travers deux fentes d’Young S1 et S2 et viennent interférer sur l’écran. Soit M un point quelconque de cet écran.
La différence de trajet parcouru par les rayons provenant respectivement de S1 et S2 entraîne un retard t entre les deux ondes au point M.
2.1.2. À quelle condition, portant sur t et T, le point M appartient-il à une frange brillante ? à une frange sombre ?
2.2. L'interféromètre de Fabry-Pérot
L’interféromètre est constitué de deux miroirs parallèles partiellement réfléchissants, séparés d'une distance d. En raison des réflexions multiples entre les deux miroirs, des rayons transmis, parallèles entre eux, sortent de la cavité et interfèrent.
En raison de la multiplicité des réflexions, seules les radiations dont les longueurs d’onde vérifient la condition d’interférences constructives seront transmises avec une forte intensité lumineuse. Lorsque les interférences sont destructives, l’intensité transmise est très faible.
La figure ci-dessous représente l'évolution du coefficient de transmission en intensité, Tr, de l'interféromètre en fonction de la longueur d'onde de la radiation incidente.
[Delta lambda approx \frac{lambda ^ {2} } {2d}]
représente l’écart entre deux longueurs d’onde successives vérifiant la condition d’interférences constructives.
δλ dépend des miroirs : plus ils sont réfléchissants, plus les pics sont fins.
On considère une radiation de longueur d’onde l qui pénètre dans l’interféromètre sous l’angle d’incidence i, comme indiqué sur la figure ci-dessus.
On admet qu'il y aura des interférences constructives si et seulement si la relation suivante est vérifiée :
2 d.cos(i) = k.l où k est un nombre entier.
2.2.1. Vérifier que si d = 49,88 mm et i = 0,000°, les interférences sont constructives pour la longueur d’onde lα = 656,3 nm. Préciser la valeur de k.
2.2.2. Parmi les longueurs d’ondes qui vérifient la condition d’interférences constructives, déterminer la valeur de la longueur d’onde de la radiation qui précède directement, ou qui succède (au choix), à la radiation de longueur d'onde lα.
2.2.3. Calculer alors la valeur de l’écart Dl entre deux longueurs d’onde successives et vérifier que :
[Delta lambda approx \frac{lambda ^ {2}_{a} } {2d}]
2.3. Utilisation de l’interféromètre comme filtre
On donne ci-dessous les courbes de transmission (variations du coefficient de transmission Tr en fonction de la longueur d’onde) de trois filtres notés A, B et C, utilisés dans un filtre solaire.
2.3.1. Déterminer la longueur d’onde de la radiation transmise commune à ces trois filtres. Commenter.
2.3.2. Les filtres A et B sont de type « Fabry-Perot ». Comparer qualitativement leurs paramètres : distance entre les deux miroirs, nature plus ou moins réfléchissante des miroirs.
2.3.3. Expliquer brièvement pourquoi il est nécessaire de superposer plusieurs filtres pour sélectionner correctement la raie Hα.
La ceinture d’astéroïdes
« Le moteur le plus courant de l’univers du film Star Wars est un propulseur ionique. Il est amusant de constater que cette technologie a déjà été réellement utilisée.
La sonde Dawn avait pour mission d’étudier Vesta et Cérès, les deux principaux corps de la ceinture d’astéroïdes. C’est grâce à ses propulseurs ioniques qu’elle a pu passer d’un astéroïde à l’autre.
Le principe du moteur ionique consiste à ioniser un gaz inerte comme le xénon (c’est-à-dire à produire des ions), à l’aide d’un fort courant électrique. Ensuite, un champ électrique intense accélère les ions produits qui, éjectés par une tuyère, propulsent le vaisseau dans la direction opposée à leur flux. Ce mode de propulsion est très économe : à puissances égales, un moteur ionique consomme dix fois moins de combustible qu’un moteur de fusée classique. Cependant, les moteurs ioniques actuels ne produisent que des accélérations assez faibles et sont tout à fait incapables d’exécuter les acrobaties que réalisent les chasseurs interstellaires de Star Wars. »
Données :
- Constante d’Avogadro : NA = 6,02 × 1023 mol-1 ;
- Constante de Planck : h = 6,63 × 10–34s ;
- Charge électrique élémentaire : e = 1,60 × 10–19 C ;
- 1 eV = 1,60 × 10–19 J ;
- Constante de gravitation universelle : G = 6,67 × 10–11m2.kg-2 ;
- Masse molaire atomique du xénon : M = 131,3 g.mol-1 ;
- La valeur de la célérité c de la lumière dans le vide est supposée connue par le candidat.
Dans cet exercice, on étudiera le principe simplifié de la propulsion ionique, puis dans une partie indépendante, on déterminera la masse de l’astéroïde Cérès.
1. La propulsion ionique
Les ions xénon créés sont accélérés entre les grilles A et B par un champ électrique supposé uniforme. À la sortie de la chambre d’accélération, un dispositif appelé neutraliseur, transforme les ions xénon en atomes de xénon, afin de maintenir la charge électrique globale de la sonde Dawn constante.
1.1. Étude de l’ionisation du xénon
L’énergie d’ionisation d’un atome est l’énergie minimale nécessaire pour arracher un électron de cet atome.
Dans le cas du moteur ionique, le mécanisme d’ionisation est fondé sur des processus physiques complexes. On étudie ici un mécanisme plus simple au cours duquel le xénon est ionisé par une radiation lumineuse.
1.1.1. L’énergie d’ionisation d’un atome de xénon est égale à 12,1 eV. Calculer la valeur maximale de la longueur d’onde de la radiation qui permettrait l’ionisation d’un atome de xénon en ion Xe+.
1.1.2. Dans quel domaine d’ondes électromagnétiques se situe cette radiation ? Justifier.
1.2. L’accélération des ions xénon
1.2.1. Montrer que la masse d’un atome de xénon vaut m = 2,18 × 10–25 kg.
Pour la suite, on considèrera que la masse d’un atome de xénon est égale à la masse de l’ion xénon.
Les ions xénon Xe+, de masse m, pénètrent dans la chambre d’accélération en A, avec une vitesse que l’on considérera nulle. Une tension électrique U constante est appliquée entre les grilles A et B (figure 1).
1.3. Principe de la propulsion par réaction de la sonde spatiale
On désire illustrer le principe de la propulsion par réaction. On se place dans un référentiel R dans lequel la sonde Dawn est initialement immobile, dans une région de l'espace éloignée de tout astre.
La masse de la sonde Dawn, avant le démarrage du moteur ionique, est égale à MS = 1240 kg.
On étudie dans un premier temps l’éjection d’un seul atome de xénon, de vitesse Vb par rapport au référentiel R. Après cette éjection, la sonde de masse (MS – m), acquiert une vitesse Vs par rapport à R.
1.3.1. Donner l’expression de la quantité de mouvement de l’atome éjecté ainsi que la quantité de mouvement de la sonde de masse (MS – m) après l’éjection de l’atome de xénon. Le schéma ci-contre représente la sonde Dawn ; les vecteurs vitesse sont représentés sans souci d’échelle.
1.3.2. Dans la situation étudiée, justifier la conservation de la quantité de mouvement du système {sonde + atome de xénon} et l’égalité suivante :
[p_{1} + p_{2} = 0]
1.3.3. En déduire l’expression de vs en fonction de vB, MS et m.
1.3.4. Calculer la valeur de vs et commenter le résultat. On prendra vB = 2,1 × 104 m.s-1.
En réalité, le moteur ionique éjecte en continu une grande quantité d’atomes de xénon : il consomme 3,3 mg de xénon par seconde.
1.3.5. La sonde Dawn a une réserve de 450 kg de xénon. Indiquer pendant combien d’années le moteur ionique peut fonctionner.
Les éléments chimiques du tableau ci-dessous ont été testés pour faire fonctionner des moteurs ioniques spatiaux.
| Élément chimique | sodium | mercure | césium | argon | krypton | xénon |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Énergie d’ionisation (eV) | 5,14 | 10,4 | 3,89 | 15,8 | 14,0 | 12,1 |
| Propriétés | corrosif | corrosif et toxique | corrosif | inerte | inerte | inerte |
1.3.6. Bien que rare et cher, le xénon a été choisi comme gaz de propulsion du moteur ionique de la sonde Dawn. À l’aide des données, indiquer deux arguments pour justifier ce choix.
- L’astéroïde Cérès
En 2015, la sonde Dawn s’est mise en orbite quasi-circulaire de rayon r autour de l’astéroïde Cérès, astéroïde de rayon moyen R = 470 km. Ses moteurs ioniques désactivés, la sonde Dawn a effectué une révolution autour de Cérès à une altitude moyenne de 13500 km en 15 jours à la vitesse v.
Données :
- Masse de Cérès : Mc = (9,46 ± 0,04) × 1020.
2.1. Donner les caractéristiques de la force exercée par Cérès sur la sonde Dawn. Faire un schéma représentant cette force. On notera MD la masse de la sonde Dawn.
2.2. Montrer que, dans le cas d’un mouvement circulaire, le mouvement de la sonde Dawn autour de Cérès est uniforme.
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