Une vidéo proposé par l’American Museum of Natural History :
Cette vidéo a été réalisé sur la base de l’atlas de l’univers qu’ils porposent gratuitement en téléchargement.
Pour fêter son anniversaire, crayonphysics est en téléchargement à un prix libre, jusqu’au 15 Janvier.
Crayonphysics est un puzzle de physique. Kézako ? Voici une petite vidéo explicative :
Alors n’hésitez pas, téléchargez-le sur le site de l’éditeur et n’oubliez de laisser un petit quelque chose pour le travail !
En plus d’être adorablement kitch (j’adore le moment où l’opérateur prend le temps de vider sa pipe…), cette vidéo présente le lien entre fréquence propre de vibration et mode propre de résonance (voir le 2ème chapitre du cours de physique de TS spé physique).
Elle illustre également parfaitement bien les aller-retour entre expérience et modélisation.
L’original “Tambour que dis-tu ?” est sur le site de canal-U
Une bombe nucléaire tire sa puissance de l’énergie du noyau contrairement aux bombes conventionnelles qui tirent leur énergie des réactions chimiques entre molécules.
Ainsi dans une bombe classique au trinitrotolène (TNT) la réaction chimique est 2 C7H5N3O6 → 3 N2 + 5 H2O + 7 CO + 7 C. Cette réaction produit 4,6 MJ/kg et sert de référence pour de nombreux engins explosifs, dont les bombes nucléaires.
Le terme bombe nucléaire recouvre en réalité 2 types de bombes correspondant aux 2 types de réactions nucléaires : la fission et la fusion. La fission consiste à fractionner un gros noyau en 2 petits. C’est la méthode utilisée par les américains dans les bombes utilisées sur Hiroshima (fission de l’uranium 235) et Nagasaki (fission du plutonium 239). Les bombes qui utilise la fusion sont dites thermonucléaires, on parle également de bombe H. Elles consistent à fusionner des noyaux d’hydrogène (isotopes 2 et 3 : deutérium et tritium) pour former des noyaux d’Hélium. Pour faire de la fusion il faut beaucoup d’énergie pour arriver à rapprocher des noyaux qui ont tendance à se repousser. Ainsi, les bombes H sont initiées par des explosions nucléaires de fission.
Sur Hiroshima, la bombe utilisée avait une puissance de 15 000 tonnes de TNT. Sur Nagasaki, la bombe avait une puissance de 21 000 tonnes de TNT. Mais ces puissances ne sont rien comparées à celles de la Tsar bomb, une bombe H soviétique (plus grosse bombe jamais testée) dont la puissance a atteint 50 000 000 de tonnes de TNT.
L’application ci-dessous (dont l’original est ici)permet de mieux se rendre compte de la puissance de ces bombes. Pour l’utiliser, commencez à sélectionner une ville que vous connaissez, puis choisissez une bombe (”select a weapon”) et enfin lancez-là (”Nuke it”).
Les connaissances et savoir-faire exigibles du programme officiel sont essentielles pour réussir son année de terminale. Comment réussir son épreuve de physique à coup sûr ? En les connaissant sur le bout des doigts. Après les ondes mécaniques progressives, voyons les ondes mécaniques progressives périodiques :
Reconnaître une onde progressive périodique et sa période.
Une onde périodique est caractérisée par le fait que chaque point a un mouvement périodique :
La période de l’onde est la période du mouvement de chaque point. On la note T. Attention, à ce niveau, le mouvement n’est pas forcément sinusoïdal (comme sur l’image), cela peut-être n’importe quel autre mouvement périodique.
Définir pour une onde progressive sinusoïdale, la période, la fréquence, la longueur d’onde.
Une onde progressive sinusoïdale est une onde telle que tous les points du milieu ont un mouvement sinusoïdal. Comme dans le cas général, la période T est la période du mouvement d’un point, la fréquence f est l’inverse de la période : T=1/f
Puisque le mouvement des points est périodique, certains points sont en phase (c’est dire qu’ils ont le même mouvement à chaque instant). La distance la plus petite entre deux points en phase est la longueur d’onde, notée λ.
Connaître et utiliser la relation λ =v T, connaître la signification et l’unité de chaque terme, savoir justifier cette relation par une équation aux dimensions.
On peut démontrer que la longueur d’onde telle qu’elle a été définie précédemment est la distance parcourue par l’onde pendant une période temporelle. Ainsi, λ =v.T où λ est la longueur d’onde (en m), v, la célérité de l’onde (en m/s) et T, la période (s). On vérifie aisément que v.T a pour unité des mètres ce qui correspond bien à l’unité de la longueur d’onde.
Exemple d’utilisation de cette relation : les ondes sonores audibles ont une célérité de 340 m/s et une fréquence comprise entre 20 Hz et 20 kHz. Ainsi, en utilisant λ = v.T = v/f, on peut montrer que leur longueur d’onde est comprise entre 340/20000=1,7 cm (pour les aïgues) et 17 m (pour les basses).
Savoir, pour une longueur d’onde donnée, que le phénomène de diffraction est d’autant plus marqué que la dimension d’une ouverture ou d’un obstacle est plus petite.
Le phénomène de diffraction peut se résumer ainsi :
L’angle de diffraction θ (défini dans le schéma ci-dessous) est de l’ordre de λ/a où a est la largeur de la fente.
Ainsi, plus la fente est petite, plus le rapport λ/a est grand, donc plus la diffraction est marquée.
Définir un milieu dispersif.
Un milieu dispersif est un milieu tel que la vitesse dépend de la fréquence.
Exploiter un document expérimental (série de photos, oscillogramme, acquisition de données avec un ordinateur…) : détermination de la période, de la fréquence, de la longueur d’onde.
Pour s’entraîner à cette compétence, rien de tel qu’un petit sujet de bac, par exemple : la seconde partie d’Indonésie 2003 (merci labolycee.org) ou l’épreuve de bac blanc proposée par le webpedagogique.com en 2006
Reconnaître sur un document un phénomène de diffraction.
Par exemple, comment expliqueriez-vous la photo ci-dessous ?
Surface requise pour alimenter le monde avec des panneaux solaires
Du point de vue de la physique, toute action se décrit en terme de transfert d’énergie. Pour rouler, une voiture brule de l’essence : il s’agit d’une réaction chimique qui convertit de l’énergie potentielle chimique en énergie cinétique. De la même façon, une centrale électrique convertit de l’énergie primaire (hydraulique pour un barrage, chimique pour du charbon, nucléaire pour une centrale nucléaire) en énergie électrique.
L’activité du monde économique est basée sur cette conversion d’énergie primaire en une autre forme d’énergie. Une énergie primaire est une énergie naturellement accessible. Il n’y en a pas tant que ça :
Les 3 premières sont en fait des “filles” de l’énergie solaire. Récupérer les énergies hydrauliques et éoliennes revient à prélever une infime partie des énergies mise en oeuvre dans la machinerie climatique de la terre. L’énergie chimique fossilisée est issue d’organismes vivants, or tous les organismes vivants puisent leur énergie du soleil : les plantes transforment l’énergie solaire en énergie chimique, les animaux mangent les plantes et profitent de cette énergie chimique.
L’économie actuelle est essentiellement basée sur l’énergie chimique, une source d’énergie épuisable qui en plus modifie l’équilibre physico-chimique du climat. La question des énergies renouvelables est celle de la recherche d’une source d’énergie primaire économiquement rentable et écologiquement acceptable. Le solaire est certainement le meilleur candidat. En témoigne la carte présentée qui montre une estimation de la surface de panneaux solaires nécessaire pour alimenter le monde.
Les voici, les voilà, ils sont encore tout chaud, à peine sortis du four… J’espère qu’il n’y a pas d’erreur…
Beaucoup de calculs cette année, forcément on avait droit à la calculatrice, donc j’espère que vous avez fait attention aux chiffres significatifs. Quelques questions un peu spéciales qui auront peu-être posé quelques petits problèmes…
Pour réussir son épreuve de bac en physique, il faut connaître sur le bout des doigts les connaissances exigibles du programme. En Mécanique, dans le chapitre “mouvements paraboliques”, voici ce qu’il tout ce qu’il faut savoir pour réussir :
Remarque : Dans cet article, les vecteurs sont représenté en gras : g est le vecteur gravitation tandis que g est la valeur de la gravitation. On peut écrire : g=9,8 N/kg mais on écrira g=-g.k
Appliquer la deuxième loi de Newton à un projectile dans un champ de pesanteur uniforme.
On considère un projectile lancé à l’instant t=0 avec une vitesse V0 qui forme un angle alpha avec l’horizontale. On se muni d’un repère qui va bien (voir le schéma). Dans la mesure où l’on néglige les frottements, ce projectile dans un champ de pesanteur uniforme n’est soumis qu’à son poids P=mg. Ainsi, lorsqu’on appliquera la 2nde loi de Newton dans le référentiel considéré, on trouvera : mg=ma → a=g.
Ceci se traduit par d²x/dt²=0, d²y/dt²=0 et d²z/dt²=-g.
qui s’intègre en : dx/dt=A, dy/dt=B, dz/dt=-g.t+C où A, B et C sont des constantes d’intégration.
Pour trouver ces constantes d’intégration, on utilise les conditions initiales pour la vitesse puisque vx=dx/dt, vy=dy/dt et vz=dz/dt.
Ainsi, à t=0, dx/dt=A, dy/dt=B et dz/dt=C. Or, vx0=V0.cosα, vy0=0 et vz0=V0.sinα d’où :
A=V0.cosα, B=0 et C=V0.sinα
et on peut donc écrire : dx/dt=V0.cosα, dy/dt=0, dz/dt=-g.t+V0.sinα
Pour conclure, il ne reste plus qu’à intégrer tout ça encore une fois : x=V0.cosα.t+D, y=E, z=-g.t²/2+V0.sinα.t+F où D, E et F sont de constantes d’intégration.
Une nouvelle fois, pour trouver la valeur de ces constantes d’intégration, il faudra aller voir du côté des conditions initiales. Mais cette fois-ci ce n’est pas la vitesse initiale qui nous intéresse mais la position initiale. Comme on a centré le repère sur la position initiale, x0=y0=z0=0, d’où D=E=F=0.
Ainsi, on trouve au final que : x(t)=V0.cosα.t, y(t)=0, z(t)=-g.t²/2+V0.sinα.t
Ces trois équations sont les équations horaires du mouvement. Bien sûr, selon l’énoncé elles peuvent être légèrement différente. Par exemple, si le projectile n’est pas lancé à partir du sol, mais d’une hauteur h, on on trouvera pour z : z(t)=-g.t²/2+V0.sinα.t+h
Montrer que le mouvement est plan.
Ceci est clair dans les équations horaires du mouvement où l’on a trouvé que y(t)=0. Ainsi, il ne se passe rien selon y, le projectile reste dans le plan d’equation y=0, c’est à dire Oxz.
On aurait pu le dire un peu plus tôt, lorsqu’on a trouvé que dy/dt=0 : la vitesse selon y est toujours nulle, le mouvement reste dans le plan Oxz.
Établir l’équation de la trajectoire à partir des équations horaires paramétriques.
Un grand classique. Il faut passer de ce jeu d’équation : x(t)=V0.cosα.t, y(t)=0, z(t)=-g.t²/2+V0.sinα.t à une équation reliant x et z (on vient de démontrer que tout se passe dans le plan Oxz).
Pour cela, rien de plus simple, il faut éliminer le temps : x=V0.cosα.t implique que t=x/(V0.cosα) puis il faut injecter cette expression du temps dans z=-g.t²/2+V0.sinα.t ce qui donne : z=-g/(2.V²0.cos²α).x²+tanα.x
Les connaissances exigibles ne disent pas qu’il faut être capable d’aller plus loin puisque le reste relève des mathématiques, pas de la physique. Cependant, il est bon de savoir exploiter ces relations.
Par exemple, comment savoir où le projectile va retomber ? C’est à dire quelle est la portée ? Il faut écrire z=0. On trouve 2 solutions : x=0 et x=2.V²0.cosα.sinα/g. Ainsi, le projectile part de x=0 et atterit à x=2.V²0.cosα.sinα/g plus loin.
Comment savoir jusqu’où le projectile peut monter ?C’est à dire quelle est la flèche ? On peut cherche le moment où la vitesse vz s’annule : -g.t+V0.sinα=0 → t=V0.sinα/g. Ensuite, on regarde quelle est l’altitude du projectile à ce moment : z=-g.t²/2+V0.sinα.t avec t=V0.sinα/g ce qui donne après simplification : z=V²0.sin²α/(2.g).
Savoir exploiter un document experimental reproduisant la trajectoire d’un projectile : tracer des vecteurs vitesse et accélération, déterminer les caractéristiques du vecteur accélération, trouver les conditions initiales.
Voici le genre de choses qu’il faut savoir faire :
La vitesse est tangente à la courbe. Le vecteur accélération se trace par différence entre 2 vecteurs vitesse (voir la mécanique de Newton, ce qu’il faut en retenir). Puisque le projectile n’est soumis qu’à son poids, on doit trouver celle-ci verticale, dirigée vers le bas.
Pour s’entraîner on pourra faire un sujet de bac de la catégorie “projectiles” trouvé sur la page mécanique de labolycee.org.
La radioactivité est bien loin en ces périodes de révisions et une petite fiche pour explorer les connaissances exigibles en radioactivité ne peut pas faire de mal.
Connaître la signification du symbole ZAX et donner la composition du noyau correspondant.
Voici une vieille connaissance qui date de la seconde :
ZAX : noyau de symbole X qui a pour nombre de masse A et numéro atomique Z. Un noyau ZAX est donc constitué de Z protons et A-Z neutrons.
Définir l’isotopie et reconnaître des isotopes.
2 noyaux isotopes ont le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons. Ainsi, ils ont le même Z mais pas le même A.
Reconnaître les domaines de stabilité et d’instabilité des noyaux sur un diagramme (N,Z).
Il s’agit de reconnaitre sur un diagramme du type :
Qu’il y a une zone correspondant à des noyaux stable, donc non radioactifs. Sur le diagramme ci-dessus, c’est la zone la plus rouge. On voit que pour des petits Z, cette zone suit plus ou moins la courbe N=Z, puis s’en éloigne au fur et à mesure que les Z devient de plus en plus grand.
Et qu’autour de cette zone, les noyaux sont de plus en plus instables au fur et à mesure qu’on s’en éloigne. Le reste du diagramme (en blanc ici) correspond à des noyaux qui ont une durée de vie tellement infinitésimale qu’il n’a jamais été possible de les fabriquer.
Définir un noyau radioactif.
Un noyau radioactif est un noyau qui subit spontanément une désintégration nucléaire. Cela se traduit par l’émission d’un rayonnement et la transmutation du noyau père en un noyau fils.
Connaître et utiliser les lois de conservation.
Lors d’une désintégration nucléaire, le nombre total de nucléons et le nombre de charge se conservent. Ce sont les lois de Soddy. Ainsi, lors d’une désintégration α qui produit un noyau d’Hélium (A=4 et Z=2), on aura :
Par exemple, un noyau d’uranium 238 (A=92, Z=92) se désintègre en Thorium 234 (A=234 et Z=90).
Définir la radioactivité α, β+, β- l’émission γ et écrire l’équation d’une réaction nucléaire pour une émission α, β+, β- en appliquant les lois de conservation.
Ainsi, un noyau Cobalt 60 (symbole Co, A=60 et Z=27) radioactif β- produira un électron (A=0, Z=-1) et son noyau fils sera carctérisé par (A=60 et Z=28) pour assurer les lois de conservation de Soddy. Si l’on regarde dans un tableau périodique des éléments, on trouvera que Z=28 correspond au Nickel (symbole Ni). L’équation de désintégration s’écrit donc :
6027Co → 6028Ni + 0-1e
À partir de l’équation d’une réaction nucléaire, reconnaître le type de radioactivité.
Celle-ci est assez simple, il suffit de reconnaître l’élément éjecté : une noyau 42He c’est de la radioactivité α, un positron 01e c’est du β+ et un électron 0-1e c’est du β-. Attention la présence d’un noyau d’hélium dans les produits ne signifie pas obligatoirement qu’on a affaire à une radioactivité α. Il est possible également que ce soit une réaction de fusion. Besoin de se rafraîchir la mémoire ? Jetez donc un oeil sur la fiche Réaction nucléaire.
Connaître l’expression de la loi de décroissance et exploiter la courbe de décroissance.
Une population de noyau décroit en suivant la loi de décroissance suivante : N(t)=N0e-λt. Cela se traduit par :
Sur le graphique, on trouvera comment lire la valeur de N0 et comment trouver λ.
Savoir que 1 Bq est égal à une désintégration par seconde.
Dit comme ça c’est un peu rapide. Déjà il faut savoir que le Becquerel, Bq, (du nom d’un physicien qui a compté… on fait comme ça en physique : on donne le nom des gens qui comptent à des unités comme ça on est sûr que les apprentis retiendront leur nom même s’ils ne savent pas de qui il s’agit) est l’unité de l’activité d’une source radioactive. Et donc, lorsque pour une source radioactive il y a une désintégration par seconde, alors son activité est de 1 Bq. Ainsi le Bq est égal à des s-1.
Pour info : 1 Bq c’est tout petit, une source radioactive qui émet une particule par seconde, c’est à peine détectable. Dans un exercice où l’on vous fait calculer l’activité d’une source radioactive, ne vous étonnez pas de trouver de très grand nombre. Avant le Bq, on utilisait le Ci (de Curie) qui vaut 3,7·1010 Bq. C’est une unité plus adaptée à la radioactivité mais elle n’est pas “standard”.
Expliquer la signification et l’importance de l’activité dans le cadre des effets biologiques.
Une source radioactive émet des radiations très énergétique. lorsque ces radiations arrivent sur un organisme vivant, c’est comme un éléphant dans un magasin de porcelaine : ça fait beaucoup de dégat (voir les effets biologiques de la radioactivité I & II). Ainsi, l’activité qui mesure le nombre de désintégration par seconde donne une bonne idée de la dangerosité d’une source. Plus elle est active, plus elle est susceptible d’avoir un impact biologique.
Connaître la définition de la constante de temps et du temps de demi-vie.
La constante de temps est l’inverse de la constante radioactive λ qui apparaît dans l’expression de la loi de décroissance radioactive : N(t)=N0e-λt. τ=1/λ.
Le temps de demi-vie est la durée pour qu’une population de noyau soit divisée par 2 : N(t1/2)=N0/2.
Utiliser les relations entre τ et λ et t1/2.
Noter bien qu’il est dit “utiliser” et pas “savoir les démontrer”, donc à priori, il n’est pas nécessaire de savoir démontrer que N(t1/2)=N0/2 implique que t1/2=ln2/λ. Cependant, ce calcul est parfois demandé (voir par exemple Liban 2008 sur labolycee.org). Pour mémoire :
N(t1/2)=N0/2 ↔ N0e-λt1/2 = N0/2 ↔ e-λt1/2 = 1/2 ↔ eλt1/2 = 2 ↔ λ.t1/2=ln2
D’où t1/2=ln2/λ et en se rappelant que τ=1/λ on peut écrire : t1/2=τ.ln2.
Pour l’application de ces expressions, attention aux unités : si τ est en seconde, alors t1/2 l’est aussi. Cependant t1/2 est souvent donner en heure ou en seconde, donc il faut le convertir en seconde pour avoir τ en seconde et λ en s-1.
Ceci est extrêmement important car l’activité (nombre de désintégration par seconde) est égale à la dérivée de N par rapport au temps : A=dN/dt qui est égal à λN. Ainsi l’unité de λ donne l’unité de A. Comme A est en Bq (donc en s-1) alors, il faut toujours exprimer λ en s-1.
Un exemple ? Envisageons une source de carbone 14 contenant 1 mole de noyaux (6.1023 noyaux). La demi-vie du carbone 14 est de 5 730 ans. Ainsi, λ=ln2/t1/2=ln2/t1/2=ln2/(5730*365*24*3600)=3,84 10-12 s-1 et A=2,3 1012 Bq.
Déterminer l’unité de τ ou de λ par analyse dimensionnelle.
Celle-ci est assez facile : Sachant que ln2 est juste un nombre sans unité, t1/2=ln2/λ implique que t1/2 et λ ont une unité inverse l’une de l’autre. Si t1/2 est en heure alors λ est en h-1. Pour τ, t1/2=τ.ln2 implique que t1/2 et τ ont la même unité.
Expliquer le principe de la datation, le choix du radioélément et dater un événement.
Du fait de la décroissance exponentielle d’une population de noyaux radioactive, une source a une activité qui décroit de manière exponentielle : A(t)=A0e-λt. Ainsi, connaissant le temps de demi-vie de l’élément considéré et l’activité initiale, il est facile de trouver l’age de l’échantillon en mesurant son activité à l’instant présent.
Bien entendu, connaître l’activité initiale n’est pas facile. Il faut faire des raisonnements très rusé pour y arriver. Cependant, dans tous les sujets de bac traitant de datation on vous guide tout au long du raisonnement qui permet de déterminer l’activité initiale.
Un exemple classique de datation : la datation au carbone 14. Elle est basée sur le fait que le carbone 14 (isotope radioactif du carbone) est continuement régénéré dans la haute atmosphère. Ainsi le taux carbone 14 sur carbone 12 (C14/C12) est constant dans l’atmosphère, de l’ordre de 10-12. Comme les plantes “respirent” le carbone de l’air (par le dioxyde de carbone), le taux C14/C12 des plantes est le même que celui de l’atmosphère. A partir du moment où l’organisme vivant meurt, les échanges cessent et la quantité de Carbone 14 décroit de manière exponentielle. Ainsi, une mesure de l’activité radioactive due au carbone 14 permet de savoir depuis combien de temps l’organisme est mort. Le temps de demi-vie du carbone 14 étant de 5730 ans, on peut pas remonter plus loin que 50 000 ans. Au-delà de cette durée, il n’y a plus assez de Carbone 14 pour mesurer l’activité radioactive.
C’est demain la première phase d’appel sur le site admission post bac. Un choix d’orientation vous sera proposé en fonction de votre dossier. Vous êtes perdu entre les “oui”, les “oui mais”, les “non” et les “non mais” ? Cette présentation d’étude de cas d’une élève de TS, proposé par l’académie de Lyon, vous aidera peut-être à y voir plus clair :
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