Un jet de 7 m au hanball, bac général Liban 2023.

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A. Étude du mouvement d’un ballon lors du tir au-dessus du gardien.
 Un « jet de 7 mètres » a été reproduit et filmé au gymnase, la chronophotographie du mouvement du ballon est la suivante :

- hauteur de la barre transversale d’un but de handball : 2,0 m.
Dans cette étude : - Le système étudié est le ballon, les coordonnées de la position de son centre de masse G sont notées (x ; y) dans le repère.
- Dans ce repère, les coordonnées du vecteur vitesse du ballon sont notées (vx ; vy) et celles de son vecteur accélération sont notées (ax ; ay). - Le vecteur vitesse initiale v0 du ballon forme un angle a avec l’horizontale.

- L’action de l’air sur le ballon est négligée.
 - L’instant t = 0 correspondant à l’origine des dates est choisi juste après que le ballon a quitté la main du tireur.
 À cet instant, les coordonnées du centre de masse G du ballon sont (x0 = 0 ; y0 = h = 2,34 m)
- Les courbes représentant les coordonnées du vecteur vitesse au cours du temps, après étalonnage du repère et pointage des positions successives du centre du ballon, sont données ci-dessous :

Q.1. Nommer le référentiel dans lequel la trajectoire du ballon est observée sur la chronophotographie.
Référentiel terrestre.
 Q.2. En précisant certaines hypothèses, établir l’expression du vecteur accélération du centre de masse du ballon lors du tir. Établir les coordonnées de ce vecteur dans le repère R.
L'action de l'air étant négligée, la ballon n'est soumis qu'à son poids.
La seconde loi de Newton conduit à : ax = 0; ay = -g.
Q.3. Parmi les expressions proposées pour l’intensité du champ de pesanteur terrestre, déterminer par analyse dimensionnelle celle qui est homogène (on note M la masse de la Terre et R son rayon) :
 a) g = G·M2/ R ;  b) g = G·M/ R2 vrai ; c) g = (G+M) / R2..
G s'exprime en m3 kg-1s-2 ; M s'exprime en kg et R en mètre : G·M2/ R s'exprime en  m4kg s-2 ;
G·M/ R2 s'exprime en  m s-2 , dimension d'une accélération.
c) G et M ne s'additionnent pas.

 Q.4. Montrer que les expressions des coordonnées du vecteur vitesse du centre de masse du ballon lors du tir sont :
vx (t) = v0 · cos (a) ; vy (t) = -g·t + v0 · sin (a).
La vitesse est une primitive de l'accélération :
vx (t) =A ;   vy (t) = -g·t + B. A et B sont des constantes.
vx (t=0) =A = v0 · cos (a) ; vy (t=0) =  B= v0 · sin (a).
 Q.5. Sur le graphique représentant l’évolution des coordonnées du vecteur vitesse au cours du temps, identifier la courbe correspondant à vx et celle correspondant à vy. Justifier.
vx(t) est constant : courbe 1 ;
 vy décroît au cours du temps, s'annule en passant au sommet de la trajectoire puis change de signe ( courbe 2).
 Q.6. Calculer à partir de ces courbes la norme v0 du vecteur vitesse initiale, ainsi que la valeur de l’angle a.
v0 · cos (a) =6,4 m /s ; v0 · sin (a) =4,6 m /s ;
tan (a) =4,6 / 6,8 ~0,676 ; a  ~34°.
v0 =4,6 / sin (a) =8,2 m /s ;
 Q.7. Établir les équations horaires x(t) et y(t) du mouvement lors du tir.
La position est une primitive de la vitesse.
x (t) = v0 · cos (a) t + C ; y (t) = -½g·t2 + v0 · sin (a) t + D avec C et d des constantes.
x (t=0) =0= C ; y (t=0) =h= D = 2,34 m.
x (t) = v0 · cos (a) t ; y (t) = -½g·t2 + v0 · sin (a) t + h.
 Q.8. En déduire que l’équation y(x) de la trajectoire s’écrit : y(x) = - ½·g· x 2 / (v0 2 ·cos 2(a) )+ tan (a)·x + h.
t =  x (t) /( v0 · cos (a)), repport dans y(t) :
y (x) = -½g·x2 / (v0 2 ·cos 2(a) ) + x · tan (a) + h.
Q.9. Le gardien étant situé à 4,0 m du tireur, déterminer si le « jet de 7 mètres » étudié permet de marquer un but. On considère que le gardien peut atteindre avec son bras levé une hauteur maximale de 2,8 m en plein saut.
y (4) = -0,5 x 9,81x42 / (8,2 2 ·cos 2(34) ) +4 x · tan (34)  + 2,34 = 3,3 m > 2,8 m.
Le ballon passe au dessus du gardien.


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B. Étude des ondes sonores produites par le sifflet de l’arbitre.
 Lors d’un « jet de 7 mètres », l’arbitre est placé à proximité du but. Il donne un bref coup de sifflet pour indiquer au joueur qu’il peut déclencher son tir. Le niveau d’intensité sonore L perçu par l’arbitre, dont l’oreille est située à une distance de 15 cm du sifflet, est égal à 115 dB.
Q.10. Au cours d’un match, l’arbitre donne environ 200 coups de sifflet. La durée moyenne du coup de sifflet étant de 0,3 s, indiquer si l’arbitre encourt un risque auditif. Justifier.
I = I0 x 1011,5 =
10-12 1011,5 =0,316 W m-2.
Itotal = 200 x 0,316 =63,2
W m-2.
L = 10 log( 63,2 / 10-12)=138 dB.
Durée des coups de sifflet : 0,3 x200 = 60 s = 1 min.
Le niveau sonore doit étre inférieur à 107 dB. L'arbitre encourt un risque auditif.
 Q.11. Proposer une solution simple que l’arbitre pourrait envisager pour se protéger. Nommer le type d’atténuation correspondant.
Utiliser des bouchons d'oreilles : protection par absorption des ondes sonores.
 Q.12. Calculer l’intensité sonore I perçue par l’arbitre sans protection lors du coup de sifflet.
I = I0 x 1011,5 =10-12 1011,5 =0,316 ~0,32 W m-2.
Q.13. Montrer que la puissance de la source sonore constituée par le sifflet est égale à P = 8,9×10-2 W.
P = 4pId2 =4 x3,14 x0,316 x0,152=
8,9×10-2 W.
Un spectateur proche du terrain est situé à 5,0 m de l’arbitre. On admet que le seul son parvenant à son oreille est celui émis par le sifflet, considéré comme une source isotrope.
Q.14. Déterminer le niveau d’intensité sonore que ce spectateur perçoit.
I = P /(4p d2) =8,9 10-2 / (4 x3,14 x52)=2,84 10-4 W m-2.
L = 10 log(2,84 10-4 / 10-12)=84,5 ~85 dB.
 Q.15. Déterminer la valeur de l’atténuation correspondant à la différence de niveau d’intensité sonore perçue entre l’arbitre et le spectateur à 5,0 m. Quel nom donne-t-on à ce type d’atténuation ?
115-85=30 dB, atténuation géométrique, l'énergie de l'onde se répartit sur une surface de plus en plus grande.
En réalité, le son produit par le sifflet se superpose au bruit ambiant. En dehors des « pics » de bruit produits par le public manifestant sa joie suite à un but marqué ou par les coups de sifflets de l’arbitre, le niveau d’intensité sonore dû au bruit ambiant, perçu par chaque spectateur, est égal à 75 dB. À 15 m de l’arbitre, l’intensité sonore due au son du sifflet a même valeur que celle due au bruit ambiant.
Q.16. Déterminer le niveau d’intensité sonore global perçu par un spectateur à cette distance.

I = 10-12 x 107,5 =10-4,5 =3,16 10-5 W m-2.
Itotal = 2 I =
6,32 10-5 W m-2.
L = 10 log (6,32 10-5 / 10-12)=78 dB.


  
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