Sciences Physiques BAC Série A 2018 Madagascar – Sujet

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

EXERCICE 1 (06 points)

Une lame vibrante munie d’une pointe détermine en un point \(S\) de la surface libre d’un liquide au repos, une perturbation transversale sinusoïdale, d’équation horaire \(Y_S(t) = 3.10^{-3}\sin(200\pi t + \pi)\) où \(t\) est en seconde et \(Y\) en mètre.

1. Qu’est-ce qu’on observe à la surface libre d’un liquide ? (1pt ; 1pt)

2. Qu’appelle-t-on onde transversale ? (1pt ; 1pt)

3. Calculer la longueur d’onde sachant que le mouvement se propage à la vitesse \(V = 10\) m/s. (1,5pt ; 1pt)

4. Écrire l’équation horaire du mouvement d’un point \(M\) de la surface libre d’un liquide situé à la distance \(x = SM = 30\) cm et comparer le mouvement de \(S\) et de \(M\). (2,5pts ; 1,5pt)

Pour A2 seulement

5. Représenter l’aspect de la surface libre d’un liquide à l’instant \(t = 2{,}5.10^{-2}\) s. (0pt ; 1,5pt)

EXERCICE 2 (07 points)

On réalise l’expérience des interférences lumineuses avec un biprisme de Fresnel, d’angle au sommet \(\hat{A}\) très petit. L’écran d’observation \((E)\) est parallèle au plan contenant des images virtuelles \(S_1\) et \(S_2\) et se trouve à la distance \(d_2 = 1{,}5\) m du biprisme. La fente source \(S\) se trouve à la distance \(d_1 = 50\) cm du biprisme. L’indice de réfraction du biprisme est \(n = 1{,}5\). On éclaire le dispositif par une source lumineuse \(S\) émettant une radiation monochromatique de longueur d’onde \(\lambda = 0{,}50\) µm.

1. Donner les conditions pour obtenir le phénomène d’interférence lumineuse. (1pt ; 1pt)

2. Faire le schéma de dispositif interférentiel du biprisme de Fresnel en précisant clairement la zone d’interférence lumineuse ainsi que la marche des rayons lumineux. (2pts ; 1,5pt)

3.

a) Sachant que la largeur du champ d’interférence est égale à \(L = 12\) mm, calculer l’angle au sommet \(\hat{A}\) du biprisme. (1pt ; 1pt)

b) En déduire la distance \(a = S_1S_2\) entre les deux images virtuelles \(S_1\) et \(S_2\). (1pt ; 1pt)

4. Définir et calculer l’interfrange \(i\). (2pts ; 1pt)

Pour A2 seulement

5. Le biprisme est maintenant éclairé par deux radiations monochromatiques de longueur d’onde respectives \(\lambda = 0{,}5\) µm et \(\lambda' = 0{,}65\) µm. À quelle distance de la frange centrale se trouve le lieu de la première coïncidence des franges brillantes des deux radiations ? On donne : \(1\) µm = \(10^{-6}\) m. (0pt ; 1,5pt)

EXERCICE 3 (07 points)

1. Qu’appelle-t-on effet photoélectrique ? (⚠ barème A1 coupé sur le scan ; 1pt)

2. Définir le potentiel d’arrêt d’une cellule photoémissive. (⚠ barème A1 coupé sur le scan ; 1pt)

3. Une cellule photoélectrique de longueur d’onde seuil \(\lambda_0 = 0{,}5\) µm et de potentiel d’arrêt \(U_0 = 0{,}4\) V est éclairée par une radiation monochromatique de longueur d’onde \(\lambda\) qui permet d’obtenir l’effet photoélectrique. Calculer en Joule (J) et en électron-volt (eV), l’énergie d’extraction \(W_0\) d’un électron du métal qui recouvre la cathode de cette cellule. (2pts ; 1,5pt)

4. Calculer en Joule (J) l’énergie cinétique maximale d’un électron à la sortie de la cathode de cette cellule. (1,5pt ; 1pt)

5. En déduire la valeur de la fréquence \(\nu\) de la radiation utilisée. (1,5pt ; 1,5pt)

Pour A2 seulement

6. Calculer la vitesse maximale d’un électron à la sortie de la cathode. (0pt ; 1pt)

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