Concours ATRF 2019, pr�parateur-trice en physique et chimie.

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Caract�ristique d'un dipole.
On souhaite tracer la caract�ristique d’un dip�le D, c’est � dire la repr�sentation de la tension U � ses bornes en fonction de l’intensit� I du courant �lectrique qui le traverse. Le montage exp�rimental est donn�.
1.1 Quel est le nom de l’appareil not� 1 ?
G�n�rateur de tension continue et r�glable.
1.2 Reproduire ce sch�ma en ajoutant les appareils de mesure permettant de mesurer U et I.

On donne le r�sultat de quelques mesures effectu�es :
tension U(V)
 0
 2
 4
 6
intensit� (mA)
 0
 6,0
 12,0
 18,0
1.3  Rappeler l’expression de la loi d’Ohm, ainsi que le nom des grandeurs avec leurs unit�s.
U = R I avec U : tension (V), I : intensit� (A) et R : r�sistance (ohm).
 1.4 On consid�re que le dip�le suit la loi d’Ohm : calculer la valeur caract�ristique de ce dip�le.
R = U / I =2 / 0,006  ~330 ohms.
1.5 A l’aide de quel appareil de mesure pourrait-on v�rifier la valeur pr�c�dente ? On pr�cisera �galement les bornes
utilis�es.
Multim�tre utilis� en ohmm�tre ( bornes COM et ohm�tre).
Un enseignant souhaite tester les manipulations pr�c�dentes. Pendant l’essai, il est confront� � plusieurs soucis et demande de l’aide. Pour chacune des situations ci-dessous, indiquer bri�vement la panne suspect�e et un moyen d’yrem�dier.
1.6 L’amp�rem�tre utilis� indique toujours 0 A.
Sans doute un fil coup�, un mauvais contact ou la r�sistance grill�e.
1.7 L’amp�rem�tre n’affiche que des valeurs n�gatives.
L'appareil est branch� dans le mauvais sens.
1.8 Le disjoncteur de la salle se d�clenche.
Perte de courant vers la terre, ou court-circuit.

Transmission d’information par infrarouge.
Lorsqu’on appuie sur un bouton d’une t�l�commande, un signal infrarouge est envoy� vers l’appareil (t�l�vision, vid�oprojecteur, …) : ce signal pr�sente des pics et des creux qui sont re�us par le r�cepteur infrarouge de l’appareil.
Un enseignant demande un montage pour montrer le principe de la transmission par infrarouge.
1.1 Dessiner ce sch�ma de principe sachant que le montage contient en s�rie : un g�n�rateur de basse fr�quence, une diode infrarouge et un conducteur ohmique de r�sistance R.

On branche un oscilloscope pour v�rifier le signal fourni par le g�n�rateur de basse fr�quence.
 1.2  Parmi les repr�sentations ci-dessous, entourer celle(s) qui peu(ven)t �galement correspondre au signal d�livr� par un g�n�rateur de basse fr�quence.

1.3 D�duire de l’annexe 2 la fr�quence du signal ainsi que son amplitude.

T = 2 ms = 2 10-3 s ; f = 1 / T = 1 /(2 10-3) = 500 Hz.
Amplitude : 1,5 divisions soit 1,5 V.
L’annexe 3 pr�sente une partie de la datasheet de la diode infrarouge utilis�e.
1.4 Quelle information permet de confirmer qu’il s’agit d’une diode infrarouge ?
Peak Spectral Wavelength : 940 nm.
1.5 Quelle tension ne faut-il pas d�passer pour �viter des d�g�ts � la diode ?
Forward Voltage : 1,6 V.
Le circuit de r�ception est sch�matis� ci-dessous : une LDR (Light Dependent Resistor) re�oit le signal infrarouge.
1.6 Pr�ciser sur ce montage le branchement d’un oscilloscope permettant de visualiser sur la voie 2 le signal aux bornes de R.

On mesure la tension aux bornes de R, on trouve UR=3,67 V .
1.7 Que vaut l’intensit� du courant dans ce circuit ? Donn�e : R=1,2 kW.
I = UR / R = 3,67 / 1200 =3,06 10-3 A = 3,06 mA.
1.8 Quelle est la tension aux bornes de la LDR ?
6-3,67 = 2,33 V.
En notant RLDR la r�sistance de la LDR, on peut montrer que l’on a la relation UR= R E /(RLDR +R)
1.9 D�terminer la valeur de la r�sistance de la LDR dans les conditions de l’exp�rience.
RLDR  =R E / UR - R = 1,2 x 6 /3,67 -1,2 = 0,762 kW.

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 �tude de mouvements p�riodiques.
1 Le pendule simple
Un pendule simple se compose d’une petite masse suspendue au bout d’un fil inextensible. On rep�re le mouvement de la masse par l’angle q que fait le pendule avec la verticale ascendante.
1.1 Quelles sont les forces qui s’exercent sur la masse du pendule immobile ?
Le poids et la tension du fil.
Le pendule oscille. A l’aide d’un dispositif appropri� , on rel�ve l’angle q au cours du temps : on obtient le graphique suivant.

1.2 Quelle est la forme du signal obtenu ?
Signal sinuso�dal.
1.3 A quelle position du pendule sa vitesse est-elle maximale lors de son mouvement ?
Passage � la position verticale ( q = 0).
1.4 En r�alit�, au bout d’un certain moment, on constate que le pendule n’oscille plus. Pour quelle raison le pendule s’arr�te-t-il ?
Dissipation d'�nergie due aux frottements.
La p�riode T d’un pendule est reli�e � sa longueur par la relation T=2p (L /g)�.
1.5 Que repr�sente g dans cette formule ? En donner une valeur approximative.
g = 9,8 m s-2, acc�l�ration due � la pesanteur.
1.6 Un enseignant demande un pendule qui bat la seconde. A quelle longueur doit-on r�gler le pendule ?
T = 2 s ; L = T2 g /(4p2) =4 x9,8 / (4 x3,142) ~0,99 m.

Mesure magn�tique de p�riodes
Dans un agitateur magn�tique, le barreau aimant� est entra�n� par la rotation d’un aimant : en mesurant les variations du champ magn�tique, il est alors possible de remonter � la fr�quence de rotation du barreau aimant�.
2.1 Quelle est l’unit�, dans le syst�me international, du champ magn�tique ?
Le tesla (T).
2.2 Quel appareil permet de mesurer un champ magn�tique ?
Le teslam�tre.
2.3 Lorsqu’on allume l’appareil pr�c�dent, l’�cran indique une valeur non nulle. Pour quelle raison ?
Existence du champ magn�tique terrestre.
On rel�ve les variations du champ magn�tique d’un barreau aimant� en rotation sur un agitateur magn�tique au cours du
temps. On obtient la figure suivante.

2.4 D�terminer le plus pr�cis�ment possible la p�riode du signal.
T = 1,4 /11 ~0,127 s.
2.5 En d�duire la fr�quence de rotation du barreau aimant�.
f = 1 /0,127 ~7,8  Hz.

 

Et la lumi�re f�t ...
La lumi�re a beaucoup intrigu� les scientifiques dans l’histoire. D�s 983, un math�maticien perse montre qu’un rayon lumineux qui arrive sur du verre change de trajectoire.
1.1 Comment appelle-t-on ce ph�nom�ne physique ?
Le rayon est en partie r�fl�chi et en partie transmis ( r�fraction).
Ce ph�nom�ne a �t� th�oris� bien plus tard au XVII�me si�cle conjointement par deux physiciens Snell et Descartes. Ils sont arriv�s � la formule suivante n1x sini1=n2 xsin i2
1.2 A quelles grandeurs correspondent les symboles n1 et n2, i1 et i2 utilis�s dans cette formule ? On pourra s’aider d’un sch�ma.

i1 : angle d'incidence ; i2 angle de r�fraction.
Un enseignant souhaite faire une s�ance exp�rimentale sur cette formule. Il souhaite disposer d’une source monochromatique : il choisit un laser.
1.3 Quelle est la signification du terme � monochromatique � ?
Une seule fr�quence, une seule couleur.
1.4 Quel pictogramme faut-il placer dans la salle lors de l’utilisation du laser ?

Un autre scientifique, Newton, a �galement travaill� sur la lumi�re : reprenant les travaux de ses pr�d�cesseurs, il a r�ussi � d�composer la lumi�re blanche en utilisant un prisme.
1.5 Sch�matiser et annoter le montage permettant d’obtenir la d�composition de la lumi�re blanche.


1 : fente de largeur r�glable ;  2 : lentille convergente ; 3 : prisme en verre ; 4 : �cran.
1.6 Quel autre dispositif peut-on utiliser pour d�composer la lumi�re blanche ?
Un r�seau.
Depuis des si�cles, on a remarqu� que la temp�rature d’un corps d�pendait de sa temp�rature. Ainsi, lorsqu’on chauffe une barre d’acier, on passe d’un rouge sombre � du jaune en terminant par du blanc. Whilhelm Wien a montr� que le maximum du spectre du flux lumineux �nerg�tique �tait reli�e � la temp�rature de ce corps par la relation, appel�e loi de
Wien, λ max xT=2,898 x 10−3 K .m
1.7 A quelle grandeur physique correspond lmax dans cette formule ?
La longueur d'onde en m�tre.
1.8 Compl�ter le tableau suivant en utilisant la loi de Wien.
Source lumineuse
 lmax (nm)
 lmax (m) T(K)
Lampe halog�ne ( 220 V)
 900
 0,9 10-6
 2,898 10-3 /(0,9 10-6)
=3,22 103 K
Corps humain
 9,66 103
 2,898 10-3 / 300
=9,66 10-6
 300
Soleil
 485
 4,85 10-7
 2,898 10-3 / (4,85 10-7)
=5,97 103 K
Pour une source lumineuse bleue, on mesure lmax=480 nm et pour une source lumineuse rouge on mesure lmax=650 nm.
1.9 Ces valeurs sont-elles coh�rentes avec le symbolisme usuel du rouge pour le chaud et du bleu pour le froid ? On justifiera bri�vement la r�ponse.
D'apr�s la loi de Wien, T et lmax varient en sens inverse.
Pour le bleu : T = 2,898 10-3 / (480 10-9) =6,04 103 K
Pour le rouge : T = 2,898 10-3 / (650 10-9) =4,46 103 K.
Ces valeurs ne sont pas coh�rentes avec le symbolisme usuel du rouge pour le chaud et du bleu pour le froid.
En TP, l’enseignant propose le montage exp�rimental  suivant.

Les �l�ves disposent d’un spectroscope � main permettant d’obtenir le spectre de la lumi�re de la lampe.
En faisant varier la position du curseur du rh�ostat, les �l�ves constatent que le spectre de la lampe �volue.
Sur la lampe utilis�e, on note les indications suivantes : 6V, 100 mA.
1.10 Quel param�tre �lectrique du rh�ostat est modifi� lorsqu’on fait varier la position du curseur du rh�ostat ?
La r�sistance �lectrique et en cons�quence l'intensit� du courant.
1.11 On obtient le spectre suivant en regardant dans un spectroscope. Quels termes le d�crivent ?

Spectre d'�mission continu.
1.12 Quelle est la signification de chacune des indications not�es sur la lampe (6V, 100 mA) ?
6 V : tension d'alimentation ; I = 100 mA : intensit� nominale.
Sur le g�n�rateur utilis�, on peut choisir la tension d’entr�e � l’aide d’un bouton de s�lection. L’utilisateur a le choix entre les tensions 1,5V ; 3V ; 6V ; 9V ; 12V ; 24V.
1.13 Quelle tension faut-il utiliser pour cette manipulation ? On indiquera les raisons de ce choix.
Le fonctionnement nominal de la lampe n�cessite une tension de  6 V � ses bornes.
Ulampe + Urh�ostat = Ug�n�rateur = 9 V par exemple.
Sur une bo�te d’ampoules, on trouve l’indication 0,6 W.
1.14 A quelle grandeur physique correspond cette inscription ?
La puissance �lectrique.
1.15 La lampe utilis�e (6 V, 100 mA) provient-elle de cette bo�te (0,6 W) ? On justifiera la r�ponse.
P = UI = 6 x0,10 = 0,6 W.  L'ampoule n'est pas issue de cette bo�te.
 


  

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