Exercice n°1 : du système à sa modélisation 9pts

Polynésie 09/2008 Exercice 1 : du système à sa modélisation (9
points)
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La physique valide des modèles par l'expérience. Mais les modèles ont leurs
limites. Nous allons étudier cinq systèmes et leurs modèles. Les situations
étudiées sont
indépendantes. I. Modélisation des ondes sismiques.
1. Les séismes sont provoqués par les mouvements de plaques. Ils
s'accompagnent de
la propagation d'ondes à partir du foyer (lieu du séisme). Les ondes de
fond se
propagent à l'intérieur du globe, elles sont constituées des ondes
primaires P, les plus
rapides, et d'ondes secondaires S. Les ondes P sont des ondes de
compression -dilatation (schéma a), les S des ondes de cisaillement
vertical (schéma b). 1. À quels types d'ondes mécaniques les ondes P et S correspondent-
elles ? Justifier.
2. À partir du texte, quelle grandeur peut-on utiliser pour comparer
la propagation des deux ondes ? 2. On modélise la propagation des ondes S par la propagation d'une onde sur
une corde tendue. Le séisme est matérialisé par une perturbation à la
source O à t0 = 0 s. L'allure de la corde à la date t1 = 0,20 s est
schématisée ci-dessous : 1. Calculer la célérité de l'onde.
2. Une modification de l'amplitude de la perturbation modifie-t-elle la
célérité de l'onde ?
Une modification de la tension de la corde modifie-t-elle la
célérité de l'onde ?
Justifier.
3. Calculer le retard ( de la perturbation en un point N situé à 1,00 m
de la source, par rapport à la source O.
4. Représenter l'allure du déplacement du point N de la corde sur un
axe temporel.
3. On modélise toujours la propagation des ondes S par la propagation d'une
onde sur
une corde tendue, mais le séisme est matérialisé par un vibreur de
fréquence
f = 100 Hz.
Déterminer la période et la longueur d'onde.
II. Modélisation de la décroissance radioactive. L'étude expérimentale porte sur le radon 220 noyau radioactif émetteur (. À
l'aide d'un compteur de radioactivité naturelle, on effectue une
acquisition toutes les 5 s pendant
10 min. Chaque acquisition a une durée de 1 s. On obtient la courbe, en
annexe,
représentant le nombre de désintégrations détectées en fonction du temps.
On donne [pic] ; [pic] 1. Donner la composition du noyau du radon 220.
2. Écrire l'équation de désintégration du radon 220 en polonium 216. 3. Tracer la courbe moyenne sur l'enregistrement de l'annexe, à rendre
avec la
copie.
Déterminer graphiquement la demi-vie t1/2 du radon 220. La méthode
utilisée doit
être clairement explicitée sur le graphique.
4. Déterminer graphiquement la constante de temps (.
En déduire la constante radioactive (.
5. Le logiciel modélise le phénomène par la fonction n(t) = 450.e-
0,012.t avec t en s.
En déduire la valeur de la constante radioactive (.
6. Montrer que l'on a la relation ( = [pic] et vérifier l'accord de sa
valeur numérique
avec les résultats précédents.
7. Donner la définition de l'activité et son unité.
III. Modélisation de la charge d'un condensateur.
On charge un condensateur, initialement déchargé, sous une tension continue
E. On réalise l'acquisition par ordinateur de la tension u aux bornes du
condensateur.
Données : C = 10 (F ; R = 1,0 k(.
1. Donner la relation entre la charge du condensateur q(t) = qA(t) et
l'intensité du
courant i(t).
2. Donner la relation entre q(t), la tension u(t) aux bornes du
condensateur et sa
capacité C.
3. Montrer que la tension u(t) vérifie l'équation différentielle
suivante :
E = R.C.[pic] + u
4. La solution proposée par le logiciel de modélisation est : u =
5,0.(1 - e-100.t) avec
t en s.
À quoi correspondent les valeurs numériques 5,0 et 100 ? 5. Déterminer graphiquement la constante de temps ( sur la courbe
fournie en
annexe. Calculer sa valeur théorique et conclure.
IV. Modélisation d'une chute avec frottement. On étudie la chute d'une bille en acier dans un fluide. On se place dans le
référentiel du laboratoire et on prend un axe vertical Oz dirigé vers le
bas. L'acquisition de la vidéo
permet au logiciel de déterminer l'évolution des valeurs de la vitesse de
la bille en
fonction du temps.
(Simulateur Microméga Hatier)
On prend comme modèle pour la force de frottement [pic] avec k = 6.(.R.( et
v vitesse
de la bille. La poussée d'Archimède a pour expression [pic]. 1. Représenter, sur un schéma, les forces extérieures appliquées à la
bille en chute verticale dans le fluide.
2. En appliquant la deuxième loi de Newton, montrer que l'expression de
l'équation différentielle régissant l'évolution de v est de la forme
a - b.v = [pic]
avec a = 8,2 m.s-2 et b = 8,7 s-1
3. Déterminer la vitesse limite à l'aide du graphique de la page
précédente.
Calculer la vitesse limite à l'aide de l'équation différentielle et
conclure.
V. Modélisation et longitude. « Le système GALILEO sera constitué de satellites en orbite autour de la
Terre. Ils
envoient des ondes électromagnétiques vers la Terre, ce qui permet de
déterminer la
longitude, la latitude et l'altitude. Avec ce système de radionavigation,
chacun pourra
connaître sa position à un instant donné. Le modèle de calcul repose sur
une
triangulation avec au moins 4 satellites et une synchronisation sur les
horloges
atomiques embarquées sur les satellites (horloges au césium ou rubidium
avec une
précision de 10 -12 s). Célérité de la lumière c = 3,00.108 m.s-1 » D'après le site futura-sciences.com 1. Avec un modèle d'orbite circulaire, la vitesse du satellite situé à
l'altitude
h = 2,00.104 km s'exprime par la relation v = [pic] avec :
G = 6,67.10 -11 SI : constante de gravitation ;
RT = 6380 km : rayon de la Terre ;
MT = 5,98.1024 kg : masse de la Terre.
Calculer la vitesse du satellite, en déduire sa période.
5.2. Déterminer la durée t minimale mise par les ondes envoyées par le
satellite pour arriver au récepteur situé au sol.
5.3. Le système GALILEO prévoit un écart sur la position d'un
centimètre. Quel sera l'écart (t sur la durée t ? La « précision »
des horloges est-elle suffisante ?
5.4. Les horloges atomiques au césium fonctionnent sur une transition
atomique de fréquence ( =9 192 631 770 Hz, calculer l'énergie du
photon correspondant.
La constante de Planck a pour valeur h = 6,63.10 -34 J.s
ANNEXE
(à rendre avec la copie)
Charge du condensateur
-----------------------
O N 1,00 m M x A C R i E u B (Nathan Term S 2006) Bille : Rayon : R = 1,00 cm
Volume : V = 4,20 cm3
Masse : m = 32,6 g Fluide : Viscosité : ( = 1,50 N.s.m-2
Masse volumique : ( = 1,30.103 kg.m-3 Accélération de pesanteur : g = 9,81 m.s-2