Ondes électromagnétique, optique, thermodynamique : concours Atpl2 Nice 2014


Rayonnements électromagnétiques.
La lumière blanche est une onde électromagnétique composée d'une infinité de radiations colorées
monochromatiques. Chaque couleur est caractérisée par sa longueur d'onde l conformément à la figure
ci-dessous.

Inscrire dans le tableau suivant le nom des ondes électromagnétiques de chaque domaine.
N° du domaine
Nom des ondes électromagnétiques
1
Rayons gamma
2
Rayons X
3
UV
4
Visible
5
IR
6
Ondes radio
Parmi les ondes du tableau précédent citer l'une des plus nocives pour les êtres humains et
indiquer un mode de protection
.
Les rayons gamma : interposition d'écran épais et absorbant ( plomb ) , brève durée d'exposition , éloignement maximal des travailleurs des sources.
Compléter le tableau suivant :
Multiple ou sous multiple du mètre
signification
Puissance de 10 ( en m )
nm
nanomètre
10-9
µm
micromètre
10-6
mm
millimètre
10-3
fm
femtomètre
10-15
On considère le noir, le bleu, le jaune, le vert, le cyan, le rouge , le magenta et le blanc.
Citer les couleurs primaires.
En synthèse additive, les couleurs primaires sont le bleu, le vert et le rouge.
Citer les 4 couleurs des cartouches d'encre nécessaires au bon fonctionnement d'une imprimante couleur.
Le cyan, le jaune, le magenta et le noir.
Qu'est-ce qune source lumineuse monochromatique ?Donner un exemple.
Une lumière monochromatique ( laser par exemple ) possède une seule fréquence, une seule couleur
.
Afin de révéler un chromatogramme, on utilise une source lumineuse de longueur d'onde 254 nm. A quel domaine appartient cette longueur d'onde ? Quelle précautions faut-il prendre ?
Domaine UV. Il faut porter des lunettes de protection et limiter l'exposition.
La fréquence et la longueur d'onde sont reliées par la relation  l = c / f. On donne c = 3,00 108 m/s. Que représente  la grandeur c ?
c représente la célérité de la lumière dans le vide.
Convertir  la valeur de c en km/h.
Dans 1 km il y a 1000 m et dans une heure il y a 3600 s : 1 m/s = 3600 m/h = 3,6 km/h ;
3,00 108 m/s =
3,00 108 /3,6 km/h = 8,33 107 km/h.
Exprimer puis calculer la valeur de la fréquence de cette radiation.
f = c / l = 3,00 108 / (254 10-9) =1,18 1015 Hz.




Optique.
Le schéma du montage ci-après permet de réaliser le spectre d'une source de lumière blanche. On rappelle qu’avec ce dispositif les radiations bleues sont plus déviées que les radiations rouges.
Matériel à disposition : rétroprojecteur; écran de projection mobile; vidéoprojecteur; laser rouge; support à diapositive; diaphragme à iris; fente à largeur réglable; lampe à filament; générateur 6/12 V (Imax = 0,2 A); générateur 6/12 V (Imax = 10 A); réseau à 500 traits par mm; prisme en verre; demi-cylindre en plexiglas; lentille convergente; lentille divergente; série de 6 filtres colorées.

Ajouter sur le schéma suivant le spectre en ne représentant que les trois zones colorées
correspondantes aux couleurs Rouge, Vert, Bleu et en respectant l'ordre dans lequel elles apparaissent.



Indiquer les noms des éléments numérotés sur le schéma.

1 : fente de largeur réglable ;  2 : lentille convergente ; 3 : prisme en verre ; 4 : écran.
L'élément 3 du montage permet la décomposition de la lumière et peut être remplacé par un
autre: citer son nom et indiquer la (ou les) différence(s) dans les observations du spectre.
Le prisme peut être remplacé par un réseau.
La tache centrale de diffraction est blanche ( superposition de toutes les radiations de la lumière blanche ). De part et d'autre, on observe une alternance de taches sombres ( absence de lumière ) et de taches colorées. La radiation rouge est la plus déviée.

Des deux générateurs à disposition, quel est celui qu'il faut utiliser afin que la lampe
fonctionne correctement ? Justifier.
Générateur 6/12 V (Imax = 10 A); lampe à filament 12 V 20 W ; l'intensité du courant dans le filament est voisine de 20/12 = 1,7 A.

.


Thermodynamique.
Compléter le tableau suivant :
Pascal( Pa)
bar ( bar)
millibar ( mbar)
hectopascal ( hPa)
1,5 105
1,5
1500
1500

Calculer la valeur F de la force pressante exercée par l’air sur la face intérieure d’une vitre de largeur 1,40 m et de hauteur 90,0 cm. On notera p = 1013 hPa, la pression
atmosphérique. Représenter cette force sur la face intérieure du schéma ci-dessous; échelle : 1 cm pour 1.105 N
Surface de la vitre : S = 1,40 *0,90 =1,26 m2 ; p = 1,013 105 Pa ; F = p S = 1,013 105 *1,26 ~1,3 105 N.

 Déterminer la masse m d’un corps dont la valeur P du poids aurait la même valeur que F. Pourquoi la vitre ne cède-t-elle pas ?
m = F / g  ~ 1,3 105 / 10 ~1,3 104 kg.
De chaque côté de la vitre s'exerce deux forces de même direction, même intensité, de sens contraire.
Deux élèves doivent vérifier, au cours d’une séance de travaux pratiques que le gaz présent dans leur flacon fermé hermétiquement se comporte comme un gaz parfait.
La température de la salle de TP est constante et est égale à 22°C. Ils mesurent pour différents volumes les pressions suivantes :

Pression en hPa
600
1000

2400
Volume en L
3,5
2,1
1,7

Exprimer la température de la salle en kelvin. T = 273 +22 = 295 K.
Donner le nom des instruments qui ont permis d’effectuer les mesures de la température T de la salle et de la pression P.
Un thermomètre mesure la température ; un manomètre mesure une pression.
Comment les élèves peuvent prouver que le gaz utilisé se comporte comme un gaz parfait ? Justifier
La température de la salle est constante ; le flacon est fermé ( quantité de matière de gaz constante ). Le produit PV doit être constant.
Retrouver les deux mesures manquantes du tableau et le compléter.
600*3,5 = 1000 *2,1 = 2100 hPa L ; 2100 = 1,7 p ; p = 1235 hPa ; 2100 = 2400 V ; V = 0,88 L.
Un élève affirme : « pour un gaz parfait le graphe P = f(V) est une droite ». A-t-il raison? Justifier.
Pour une masse de gaz constante à température constante, le graphe P = f(V) est une branche d'hyperbole pour un gaz parfait. Le produit PV est constant.




Masse volumique, densité.
Le cyclohexane est un liquide incolore, d'odeur âcre, pratiquement insoluble dans l'eau. Son étiquetage est le suivant :

Ce flacon de cyclohexane a-t-il été acheté en 2014 ? Justifier.
Non, sur l'étiquette on retrouve les anciens pictogrammes de danger.
Justifier l'état physique du cyclohexane à température ambiante.
Le cyclohexane est liquide à température ambiante ; Tfusion = 6,5°C et Tébullition = 80,7 °C.
Un élève utilise une balance de précision et pèse plusieurs échantillons de cyclohexane pour trouver la masse de celui-ci. A chaque masse trouvée, il relève le volume de cyclohexane V à
l'aide d'une éprouvette graduée. L'ensemble des mesures est représenté dans le tableau ci-dessous.
Quelle est la relation permettant de trouver la masse volumique r en fonction de m et de V ?  Compléter la dernière ligne du tableau.

V(mL)
50
100
130
200
220
m(g)
39
78
101
156
172
r = m /V ( g/mL)
0,78
0,78
0,777
0,78
0,782

L’élève s’est-il trompé dans ses mesures ?
Non, les valeurs de la masse volumique sont cohérentes avec la densité donnée sur l'étiquette d = 0,779.




  

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