Physique-Chimie BAC Série A 2022 Madagascar : sujet et corrigé

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N.B. :
– Les trois (03) exercices sont obligatoires.
– Machine à calculer scientifique non programmable autorisée.

(A1 ; A2)

EXERCICE 1 (7points)

Une lame vibrante munie d’une pointe détermine en un point S de la surface libre d’un liquide initialement au repos, une vibration sinusoïdale transversale de fréquence \(N = 50\,\mathrm{Hz}\) et d’amplitude \(a = 3\,\mathrm{mm}\).

1.

a) Qu’appelle-t-on vibration transversale ? (1pt; 1pt)
b) Qu’observe-t-on à la surface libre du liquide ? (1pt; 0,5pt)

La source S a pour équation horaire :

\(y_s(t) = 3.10^{-3} \sin(100\pi t + \pi)\) où (t en s) et (\(y_s\) en m).

La distance entre 2 crêtes consécutives est 4mm.

a) Quelle est la valeur de la longueur d’onde de vibration ? (1pt; 0,5pt)
b) Calculer la célérité de propagation des ondes à la surface libre du liquide. (1pt; 1pt)

2. Écrire l’équation horaire du mouvement d’un point M de la surface libre du liquide situé à la distance \(x = 6\,\mathrm{mm}\) de la source S. Comparer les mouvements de S et de M. (3pts; 2pts)

Pour A2 seulement

3. Représenter l’aspect de la surface libre du liquide à l’instant \(t = 4.10^{-2}\,\mathrm{s}\). (0pt, 2pts)

EXERCICE 2 (7points)

On réalise l’expérience d’interférence lumineuse avec les miroirs de Fresnel qui font entre eux un angle \(\alpha = 2.10^{-3}\,\mathrm{rad}\) (\(\alpha\) angle petit). Une source S émettant une radiation monochromatique de longueur d’onde \(\lambda\), est placée à la distance \(d_1 = 50\,\mathrm{cm}\) de l’arête commune I de ces miroirs. Un écran d’observation (E) se trouve à la distance \(d_2 = 150\,\mathrm{cm}\) de I.

1. Faire le schéma du dispositif interférentiel en précisant la marche des rayons lumineux, les images virtuelles \(S_1\) et \(S_2\) de la source S ainsi que le champ d’interférence. (2pts; 1,5pt)

2. Expliquer le phénomène observé sur l’écran d’observation (E). (1pt; 0,5pt)

3. Calculer la distance a entre les 2 sources secondaires \(S_1\) et \(S_2\). (1pt; 1pt)

4. La distance entre la 3^ème frange obscure et la 6^ème frange brillante situées du même coté de la frange centrale est \(d = 1{,}75\,\mathrm{mm}\).
Définir et calculer l’interfrange i. (3pts; 2pts)

Pour A2 seulement.

5. Calculer la largeur du champ d’interférence \(\ell\). En déduire le nombre des franges brillantes observés sur l’écran (E) ; (0pt; 2pts)

EXERCICE 3 (6points)

La cathode d’une cellule photoémissive est éclairée par une radiation ultra-violette.

1. Faire le schéma du dispositif pour mettre en évidence l’effet photoélectrique. (1,5 pt ; 1pt)

2. Donner la définition de l’effet photoélectrique. (1,5 pt ; 1pt)

3. La fréquence seuil du métal fer est \(\nu_0 = 1{,}16.10^{15}\,\mathrm{Hz}\). On éclaire une plaque de fer constituant cette cellule par une radiation monochromatique de longueur d’onde \(\lambda = 0{,}2\,\mu\mathrm{m}\).
Justifier qu’il y a effet photoélectrique. (1,5pt; 1pt)

4. Calculer la vitesse maximale d’un électron à la sortie de la cathode de cette cellule. (1,5pt, 1,5pt)

Pour A2 seulement

5. Calculer la tension d’arrêt qu’il faut appliquer entre l’anode et la cathode pour annuler le courant photoélectrique. (0 ; 1,5pt)

On donne :
– Constante de Planck : \(h = 6{,}62.10^{-34}\,\mathrm{J.s}\)
– Masse d’un électron : \(m = 9.10^{-31}\,\mathrm{kg}\)
– Charge d’un électron : \(q = -e = -1{,}6.10^{-19}\,\mathrm{C}\)
– Célérité de la lumière dans le vide : \(C = 3.10^{8}\,\mathrm{m.s^{-1}}\)
\(1\,\mathrm{eV} = 1{,}6.10^{-19}\,\mathrm{J}\) et \(1\,\mu\mathrm{m} = 10^{-6}\,\mathrm{m}\)

Le barème est donné sous la forme (points A1 ; points A2). Dans le sujet original, les questions a) et b) qui suivent l’équation horaire de la source ne portent pas de numéro.