QCM physique, gravitation, chute, diffraction, concours Avenir 2017.

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Exercice 1.

Découverte par l’astronome américain Clyde Tombaugh en 1930, Pluton a été considérée comme la neuvième planète du Système Solaire. En 2006, l’Union Astronomique Internationale votait son déclassement en planète naine, en rapport à ses caractéristiques physiques et gravitationnelles. La même année, la sonde New Horizons est partie à sa rencontre avec une arrivée en orbite autour de Pluton prévue en juillet 2017. Elle permettra d’examiner de plus près cette ex-planète.
Données :
Constante gravitationnelle G ~ 7 10-11 SI ; célérité de la lumière 3 108m s-1 ; distance Terre-Sonde : dTS = 6 109 km.
Rayon de Pluton RP = 1 103 km ;  masse de Pluton : MP = 1,0 1022 kg ; log (2) ~0,3.
 gp : champ gravitationnel de Pluton à sa surface
- le mouvement de la sonde sur son orbite autour de Pluton sera considéré circulaire uniforme dans le référentiel plutoncentrique considéré comme galiléen

1. Le référentiel le plus adapté afin d’étudier la trajectoire de la sonde dans le système solaire avant son arrivée en orbite est :
A) local (New Horizons)
B) terrestre
C) géocentrique
D) héliocentrique. Vrai.
La sonde est soumise essentiellement à l'attraction du soleil.

2. Lors de son voyage Terre-Pluton, le système sonde + gaz de propulsion, pourra être considéré mécaniquement comme :
A) isolé. Vrai.
Le système {sonde + gaz éjecté} n'échange pas d'énergie avec l'extérieur.
B) pseudo-isolé
C) ouvert
D) aucune réponse.

3. Connaissant la masse du Soleil et la distance Soleil-Pluton , quelle loi permettra de déterminer la période de révolution de Pluton sur son orbite autour du Soleil :
A) la 1ère loi de Kepler
B) la 2nde loi de Kepler
C) la 3ème loi de Kepler. Vrai.
T2 / a3 = 4p2 / (MSoleilG).
D) la 2nde loi de Newton.

4.  En fonction de la masse du Soleil et de la distance Soleil-Pluton , la période de révolution de Pluton autour du Soleil est alors :

La trajectoire de la sonde, notée S et de masse mS, dans le référentiel plutoncentrique ainsi que les grandeurs qui la caractérise sont représentés sur la figure ci-dessous :

5. Arrivée dans le champ gravitationnel de Pluton, la sonde sera en orbite avec une accélération :
A) nulle.
B) constante
C) centripète. Vrai.
La sonde est soumise à l'attraction gravitionnelle de Pluton, dirigée vers le centre de Pluton.
D) centrifuge

6. La sonde en orbite sera soumise à une force :

7. A l’aide de la 2nde loi de Newton et de l’expression de l’accélération pour un mouvement circulaire uniforme, l’expression de la vitesse de rotation de la sonde autour de Pluton est :


8. La valeur du champ gravitationnel de Pluton à sa surface est :
A) 0,7 m s-2. Vrai.
GMP / R2P=7 10-11 x1022 / 1012 =0,7 m s-2.
B) 
7 105 m s-2.
C)
0,7 kg m s-2.
D)  7 105 kg m s-2.


Afin de communiquer avec la Terre, la sonde envoie des ondes électromagnétiques de fréquence f = 20 GHz.
9) Le domaine des ondes envoyées est :
A) ultra-violet
B) visible
C) infrarouge
D) radio. Vrai

10) Sachant que l’antenne émettrice de la sonde doit être de la même taille que la longueur d’onde utilisée, elle mesure alors :
A) 1,5 cm. Vrai.
l = c / f = 3 108 /(20 109) = 1,5 10-2 m = 1,5 cm.
B) 15 cm
C) 1,5 m
D) 15 m.

11) Déterminer la durée entre l’émission des ondes électromagnétiques par la sonde et leur réception par la Terre :
A) 20 s
B) 40 s
C) 2 104 s. Vrai.
dTS / c = 6 1012 / (3 108) =
2 104 s.
D) 4 104 s.

L’onde électromagnétique reçue sur Terre est convertie en onde sonore.
12. L’onde sonore est une onde :
A) longitudinale dont la vitesse ne dépend pas du milieu de propagation
B) longitudinale dont la vitesse dépend du milieu de propagation. Vrai.
C) transversale dont la vitesse ne dépend pas du milieu de propagation
D) transversale dont la vitesse dépend du milieu de propagation.

13) A l’aide d’un sonomètre, l’intensité sonore I est mesurée. Elle s’exprime en :
A) J m-1.
B) J m-2.
C) W m-1.
D) W m-2. Vrai.
Puissance reçue par unité de surface.

14) L’intensité sonore I perçu par un récepteur est :
A) proportionnelle à la distance d de l’émetteur
B) proportionnelle au carré de la distance d de l’émetteur
C) inversement proportionnelle à la distance d de l’émetteur
D) inversement proportionnelle au carré de la distance d de l’émetteur. Vrai.

15) Avec deux émetteurs sonores de même niveau sonore L = 60 dB ( à une distance D), le niveau sonore de l’ensemble à la distance D sera de:
A) 60 dB
B) 63 dB. Vrai.
L'intensité sonore double et le niveau sonore augmente de 10 log(2) = 3 dB.
C) 90 dB
D) 120 dB


Exercice 2.
La sonde, afin de faire des prélèvements et des analyses du sol de Pluton, envoie un petit engin A en chute libre sur le sol. Sa trajectoire, par rapport à la surface de pluton, est représentée sur la figure suivante.  O est un point du sol de Pluton.
Données :
- Constante de Planck h~6 10-34 SI ;  masse de l’engin m = 50 kg ; vitesse initiale de largage v0 = 10 m s-1 ; H = 400 km.

16) Dans un référentiel galiléen, si la somme des forces appliquées à un point matériel est nulle, alors :
A) le mouvement est circulaire
B) le mouvement est rectiligne
C) le mouvement est rectiligne et uniforme. Vrai.
D) le mouvement est circulaire et uniforme.

17) La valeur de l’accélération du petit engin A lors de sa chute sur Pluton est :
A) De même sens que le champ de pesanteur de Pluton et de norme positive. Vrai.
B) De même sens que le champ de pesanteur de Pluton et de norme négative
C) De sens opposé au champ de pesanteur de Pluton et de norme positive
D) De sens opposé au champ de pesanteur de Pluton et de norme négative.

18) Les composantes de la vitesse évoluent comme suit :
A) La composante horizontale est constante et la verticale augmente. Vrai.
L'accélération horizontale est nulle, la composante horizontale de la vitesse est donc constante.
L'accélération est dirigée vers le bas, la composante verticale de la vitesse augmente.
B) La composante horizontale est constante et la verticale diminue
C) La composante verticale reste constante et l’horizontale augmente
D) La composante verticale reste constante et l’horizontale diminue.

19) L’expression du vecteur vitesse s’obtient en obtenant :
A) la dérivée du vecteur accélération.
B) la primitive d
u vecteur accélération. Vrai
C) la primitive du vecteur position.
D) la dérivée du vecteur quantité de mouvement.

20) L’équation paramétrique de la trajectoire est :
A) t = 0 ; y(t) = ½gt2 +v0t +H.
B) x(t) = 0 ; y(t) =
-½gt2 +v0t +H.
C) x(t) = v0t ; y(t) =
½gt2  +H.
D) x(t) = v0t ; y(t) = -½gt2  +H. Vrai.




21) La portée P de la trajectoire qui correspond au point d’impact sur le sol vaut :
A) xP = 2Hv0 / g.
yP = -½gt2  +H=0 ; t =(2H / g)½ xP =v0(2H / g)½ ;
B) 2Hv02/g.
C)
(2Hv0 / g)½ ;
D)
v0(2H / g)½ ; vrai.

22) La durée de la chute de l’engin sur le sol a pour expression :
A) t = 2Hg
B) (2Hg)½.
C) (2H / g)½. Vrai.
yP = -
½gt2  +H=0 ; t =(2H / g)½ ;
D) 2H /g.

23. Si la vitesse initiale est inclinée d’un angle positif de 45°par rapport à l’horizontal, la portée P serait :
A) plus petite
B) plus grande. Vrai.
C) identique
D) l’angle n’a aucune incidence sur la portée.

24) Au cours de la trajectoire, le travail du poids est :
A) résistant et vaut mgH
B) résistant et vaut -mgH
C) moteur et vaut mgH. Vrai.
D) moteur et vaut -mgH.

25) Au cours du mouvement :
A) l’énergie mécanique se conserve et l’énergie cinétique diminue
B) l’énergie mécanique se conserve et l’énergie cinétique augmente. Vrai.
C) l’énergie cinétique se conserve et l’énergie mécanique diminue
D) l’énergie cinétique se conserve et l’énergie mécanique augmente.

26) Si l’on prend en compte une force de frottement symbolisant l’interaction de la sonde avec l’atmosphère de Pluton :
A) l’énergie mécanique se conserve mais la portée est plus petite
B) l’énergie mécanique se conserve mais la portée est plus grande
C) l’énergie mécanique augmente
D) l’énergie mécanique diminue. Vrai.

La sonde, arrivée au sol, va pouvoir effectuer des tests et prélèvements en utilisant un laser de longueur d’onde 600 nm. Une expérience de diffraction avec une poussière de largeur a est réalisée afin d’en déterminer la taille.
27) La période de l’onde laser est :
A) 2 10-15 s. Vrai.
B) 2 10-12 s
C) 180 s
D) 5 1014 s.
T = l / c = 660 10-9 / (3 108) =2,2 10-15 s.

28) La figure de diffraction obtenue avec une poussière filaire de largeur a est :
A) circulaire avec une tache centrale sombre
B) circulaire avec une tache centrale claire
C) rectiligne avec une direction d’étalement parallèle à l’axe de la poussière filaire
D) rectiligne avec une direction d’étalement perpendiculaire à l’axe de la poussière filaire. Vrai.

29) La figure de diffraction obtenue est composée d’une tache centrale de longueur L, distante d’une longueur D de la poussière de largeur a. Ces paramètres sont reliés par la relation :
A) a / l = 2D / L. Vrai.
B)
a / l = D / (2L)
C) l /a = 2D / L
D)
l /a =D / (2L).

tan q = ½L/D voisin de q radian pour les angles petits.
d'autre part q = l/a.
avec : l longueur d'onde (m) et a : diamètre du fil (m)
en tenant compte des deux relations ci-dessus : ½L/D=l/a soit a=2lD/L ou L = 2l D/a.


30) Une poussière de même largeur a se place à côté de la première et une nouvelle figure est observée à l’aide du laser. Il s’agit d’une figure :
A) d’absorption
B) d’émission
C) d’interférences. Vrai.
D) de dispersion
Lorsqu'une onde passe sur deux fentes ou deux obstacles, on observe une figure d'interférences.

31) La constante de Planck a pour unité dans le système international :
A) kg m s-1.
B)
kg m s-2.
C) kg m2 s-2.
D) kg m2 s-1. Vrai.
h = énergie (J) / fréquence ( s-1) ; h s'exprime en J s.
Une énergie est une force fois un déplacement et une force est une accélération fois une masse.
L'énergie s'exprime en kg m s-2 m  =
kg m2 s-2 .

32) La lumière émise par le laser transporte une énergie de l’ordre de :
A) 1,2 10-48 J
B)
1,2 10-45 J
C) 3 10-19 J.Vrai.
D) 3 10-22 J
E = h c / l ~ 6 10-34 x 3 108 /(660 10-9) ~ 3 10-19 J.

33) La Lumière émise par le laser est constituée de photons dont la quantité de mouvement de chacun est de l’ordre :
A) 3,6 10-14 kg m s-1.
B)
1,0 10-27 kg m s-1. Vrai.
C) 1,0 1027 kg m s-1.
D) 3,0 10-39kg ms-1.
p = h / l = 6 10-34 /(660 10-9) ~
1,0 1027 kg m s-1.

34) L’émission laser est basée sur :
A) un phénomène d’émission stimulée de photon. Vrai.
B) un phénomène d’émission spontanée de photon
C) un phénomène d’absorption spontanée de photon
D) un phénomène d’absorption stimulée de photon.

35) Parmi les propriétés de la lumière laser, il y a :
A) la directivité
B) la cohérence
C) la monochromaticité
D) toutes les propositions sont exactes. Vrai.



  

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