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Examens nationaux

Baccalauréat · Série E · Physique — 2022

BAC E — Physique — Sujet type n° 3

  • Série E
  • ⏱ 4 h
  • Coefficient 5
  • Niveau difficile
  • 12 questions

Consignes

  • Le candidat traitera les trois exercices.
  • On prendra g=10 m⋅s−2g = 10\ \mathrm{m\cdot s^{-2}} et ceau=4 185 J⋅kg−1⋅K−1c_{\text{eau}} = 4\,185\ \mathrm{J\cdot kg^{-1}\cdot K^{-1}}.
  • Toute réponse numérique sera accompagnée de son unité.

Exercice 1 — Énergie mécanique et boucle verticale

Un chariot de masse m=200 gm = 200\ \mathrm{g} est lâché sans vitesse initiale du point AA, situé à la hauteur hh au-dessus du sol. Il descend la piste, la parcourt jusqu'en BB, puis effectue une boucle verticale de rayon r=0,50 mr = 0{,}50\ \mathrm{m} dont CC est le sommet. Les frottements sont négligés.

h2rABCPfrottements négligés
1.
Exprimer la vitesse vBv_B au point BB en fonction de gg et hh, puis la calculer pour h=2,0 mh = 2{,}0\ \mathrm{m}.
1,5 pts
2.
Établir l'expression de la vitesse vCv_C au sommet de la boucle, puis la calculer.
1,5 pts
3.
Écrire la condition pour que le chariot ne décolle pas de la piste en CC. En déduire la hauteur minimale hmin⁡h_{\min} du point de départ.
2 pts
4.
Calculer la valeur de la réaction R⃗\vec{R} de la piste sur le chariot au point CC, pour h=2,0 mh = 2{,}0\ \mathrm{m}.
2 pts

Exercice 2 — Calorimétrie

Un calorimètre de capacité thermique C=150 J⋅K−1C = 150\ \mathrm{J\cdot K^{-1}} contient m1=200 gm_1 = 200\ \mathrm{g} d'eau à la température θ1=20 ∘C\theta_1 = 20\ ^{\circ}\mathrm{C}. On y verse m2=100 gm_2 = 100\ \mathrm{g} d'eau à θ2=80 ∘C\theta_2 = 80\ ^{\circ}\mathrm{C}.

thermomètreagitateurdouble paroi(vase Dewar)eauvide d air
1.
Établir le bilan thermique du système et écrire l'équation permettant de trouver la température finale θf\theta_f.
2 pts
2.
Calculer θf\theta_f.
2 pts
3.
Quelle serait la température finale si le calorimètre était de capacité négligeable ? Commenter l'écart.
1 pt
4.
Expliquer le rôle de la double paroi visible sur le document 2.
1 pt

Exercice 3 — Moteur électrique et levage

Un moteur de force contre-électromotrice E′=18 VE' = 18\ \mathrm{V} et de résistance interne r′=1,5 Ωr' = 1{,}5\ \Omega est alimenté par un générateur de f.é.m. E=24 VE = 24\ \mathrm{V} et de résistance interne r=0,5 Ωr = 0{,}5\ \Omega.

E, rAMmoteur (E′, r′)ampèremètreVvoltmètreI
1.
Établir l'expression de l'intensité II du courant, puis la calculer.
1,5 pts
2.
Calculer la tension UU aux bornes du moteur, et vérifier le résultat par un second chemin de calcul.
1,5 pts
3.
Dresser le bilan de puissance du moteur et calculer son rendement.
2 pts
4.
Ce moteur entraîne un treuil qui soulève une charge de masse M=20 kgM = 20\ \mathrm{kg} à vitesse constante. Calculer cette vitesse de levage, en supposant le treuil parfait.
2 pts

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