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CONCOURS GÉNÉRAL SÉNÉGALAIS 1/12 08 T CGS 05 01 Durée : 6 heures Toutes séries

CONCOURS GÉNÉRAL SÉNÉGALAIS 1/12 08 T CGS 05 01 Durée : 6 heures Toutes séries réunies SESSION 2008 CLASSES DE TERMINALE S C I E N C E S P H Y S I Q U E S S C I E N C E S P H Y S I Q U E S S C I E N C E S P H Y S I Q U E S S C I E N C E S P H Y S I Q U E S THEME : PHENOMENES ET APPLICATIONS LIES AUX MOUVEMENTS DE PARTICULES CHARGEES. Les cinq parties de l’épreuve sont indépendantes. Données : Charge de l’électron : q = -1,6.10-19 C Masse de l’électron : m = 9,1.10-31 kg Intensité de la pesanteur : g = 9,8 SI Constante de Planck : h = 6,62.10-34 J.s Célérité de la lumière dans le vide : c =3.108 m/s. TEXTE INTRODUCTIF. Il existe d’importants phénomènes et applications liés aux mouvements de porteurs de charges. Dans un métal les porteurs de charges qui assurent le passage du courant électrique sont des électrons. On sait qu’un métal est constitué d’un empilement compact d’atomes. Chaque atome est constitué de noyaux et d’électrons. Si de nombreux électrons sont fortement liés aux noyaux, d’autres sont libres de se déplacer à l’intérieur du métal : on les appelle des électrons libres ou électrons de conduction. Dans un liquide conducteur (électrolyte) le courant électrique est un déplacement en sens inverses des ions positifs et des ions négatifs. Au niveau de la surface de contact des électrodes et du liquide se produit un ensemble de phénomènes chimiques appelé électrolyse. Les applications de l'électrolyse sont nombreuses. On l'utilise pour la préparation industrielle d'un grand nombre de corps (dihydrogène, dioxygène, dichlore, soude, etc…). Elle sert aussi à déposer une couche de métal (cuivre, nickel, chrome, argent, or..) sur un objet quelconque servant de support, soit de moule : c'est la galvanoplastie. On peut ainsi préserver le fer de la rouille : il suffit de le nickeler. On peut recouvrir un corps d'un métal précieux par argenture ou par dorure électrolytique. Le même phénomène permet de l'employer à l'affinage des métaux impurs, le cuivre par exemple. Les microscopes électroniques utilisent des électrons monocinétiques pour la formation des images. Le premier microscope électronique fut réalisé en 1932 par E. Ruska et M. Knoll. Le pouvoir de résolution du microscope électronique de marque PHILIPS XL 30 LaB6 (1993) est de 2nm à 30Kv et de 15nm à 1Kv, sa capacité de grossissement est d'environ 100 000 fois. A titre de comparaison, le pouvoir séparateur d'un microscope optique (c'est-à-dire son grossissement) est limité par la longueur d'onde de la lumière visible ; aucun détail de dimension supérieure à 0,2 µm ne peut être observé. Aussi l'utilisation de particules accélérées de plus courte longueur d'onde associée permet-elle d'augmenter le grossissement. PARTIE I : Questions relatives au texte. I-1 Préciser le sens du mouvement des électrons dans un conducteur métallique parcouru par un courant continu. I-2 Citer deux applications de l’électrolyse. I-3 L’électrolyse est une « réaction forcée », expliquer ce que cela signifie. I-4 Quel intérêt présente le microscope électronique comparé au microscope optique ? …/ 2 Cours à domicile: 775136349 http:physiquechimie.sharepoint.com SCIENCES PHYSIQUES 2/12 08 T CGS 05 01 Durée : 6 heures Toutes séries réunies CLASSES DE TERMINALE PARTIE II : Nature discontinue et corpusculaire des charges électriques Nous savons que l’électricité a un aspect corpusculaire ; c’est-à-dire qu’une quantité d’électricité quelconque est toujours égale à un nombre entier de fois une charge dite élémentaire e. Ce nombre entier peut être positif ou négatif. Ainsi la charge de l’électron est - e et celle du proton + e. Historiquement l’expérience de MILLIKAN a joué un rôle important pour prouver la structure discontinue de l’électricité. C’est en 1909 que l’Américain Robert Andrews MILLIKAN réalisa pour la première fois une expérience pour déterminer la charge électrique élémentaire. Il la renouvela de nombreuses fois en 1909 et 1917, améliorant ainsi la précision sur la détermination de la charge électrique élémentaire. Les corps électrisés dont MILLIKAN se proposa de mesurer les charges électriques étaient des gouttelettes d’huile d’un rayon de l’ordre du micron, produites par une nébuleuse (appareil de productions d’aérosols) et que les frottements dans la buse suffisait pour les électriser. Les gouttelettes tombaient lentement dans l’air d’une chambre (voir figure ci-après) à la façon d’un brouillard. Quelques unes passaient par un trou T d’aiguille percé dans une plaque métallique horizontale P formant l’une des armatures d’un condensateur à air. L’autre, P’, est maintenue à une distance constante par des cales isolantes. Tout l’intérieur du dispositif était soigneusement à l’abri des courants d’air et préservé des inégalités des températures. Un viseur permettait de suivre le mouvement, entre les plateaux, des gouttelettes convenablement éclairées et de mesurer leurs déplacements. Un chronomètre permet de mesurer la durée qui sépare les passages d’une gouttelette devant deux divisions d’un micromètre dans l’oculaire d’un microscope. II-1 Quel est le mode d’électrisation utilisé dans l’expérience ? Citer deux autres modes d’électrisation. II-2 En l’absence de champ électrique entre P et P’ les gouttelettes sont assez éloignées les unes des autres pour que les interactions électriques soient négligeables. On prendra la vitesse initiale des gouttelettes à l’entrée des plaques (trou T) comme nulle et on négligera la poussée d’Archimède devant le poids de la gouttelette. …/ 3 brouillard Viseur T P A Eclairage P’ Figure 1 : Dispositif de Millikan Cours à domicile: 775136349 http:physiquechimie.sharepoint.com SCIENCES PHYSIQUES 3/12 08 T CGS 05 01 Durée : 6 heures Toutes séries réunies CLASSES DE TERMINALE La force due à la résistance de l’air (force de Stokes) est donnée par F r = - 6 π η r V r avec η = 1, 8 .10-5 S.I (coefficient de viscosité de l’huile) ; r est le rayon de la gouttelette et V r sa vitesse instantanée. On constate que les particules atteignent rapidement une vitesse limite V1. II-2-1 Donner l’unité de η dans le système international. II-2-2 On rapporte le mouvement de la gouttelette à un axe OZ vertical orienté vers le bas. II-2-2-1 Ecrire l’équation différentielle régissant le mouvement de la gouttelette de masse m. II-2-2-2 Vérifier que ) 1 .( / 1 τ t e V V − − = est une solution de cette équation avec V1 = r 6πη mg . II-2-2-3 En prenant les gouttelettes comme de petites sphères, montrer que la constante τ est donnée par l’expression τ = η µ 9 2 2 r et donner une signification physique de τ (dans cette relation µ est la masse volumique de l’huile). II-2-2-4 Montrer que la vitesse limite est atteinte au bout de t =10-3 s. On donne : r =10-6 m ; η = 1,8.10-5 unité S.I et masse volumique de l’huile µ = 0, 89 g / cm3 II-2-3 On établit entre P et P’ un champ électrostatique uniforme E r orienté vers le bas ; on constate que la gouttelette effectue un mouvement descendant et atteint plus rapidement une vitesse limite V2 II-2-3-1 Quelle est le signe de la charge de cette gouttelette ? II-2-3-2 Ecrire l’équation différentielle régissant le mouvement de la gouttelette et donner l’expression de la vitesse V2 en fonction de E, q, m, g, r et η II-2-3-3 Montrer que la charge q est donnée par : q = E V V r ) ( 6 1 2 − πη II-2-3-4 Pour des gouttelettes de rayon r =1,44.10-6 m la mesure de la vitesse donne V1= 2,25.10-4 m/s. Dans le champ électrostatique d’intensité E =105 V/m la vitesse limite V2 prend les valeurs suivantes exprimées en m/s : V2 (m/s) 1 ,92.10-4 1,59. 10-4 1,27. 10-4 0,94. 10-4 0,61. 10-4 0,29. 10-4 q (C) Recopier le tableau, le compléter et montrer à partir de ces résultats que la charge q des gouttelettes ne prend que des valeurs multiples de la charge e. Conclure. PARTIE III : La nature du courant électrique Le courant électrique est dû à un mouvement d’ensemble de particules chargées. III-1- Le mécanisme de conduction dans les métaux (cas du courant continu) : Nous allons étudier le mouvement d’ensemble des électrons libres dans un fil métallique relié à un générateur qui crée un champ électrique uniforme E r à l’intérieur du métal. …/ 4 Cours à domicile: 775136349 http:physiquechimie.sharepoint.com SCIENCES PHYSIQUES 4/12 08 T CGS 05 01 Durée : 6 heures Toutes séries réunies CLASSES DE TERMINALE Le métal qui constitue le fil contient p électrons libres par m3. Le fil a pour section s (en m2). L’intensité du courant est I (en A). Les électrons libres progressent à la vitesse V en moyenne (en m/s). III-1-1 Exprimer le nombre N d’électrons libres contenus dans une portion de fil de longueur l en fonction de p, l et s. III-1-2 Faire le schéma du fil relié à un générateur de tension continue. Montrer une vue intérieure du métal en indiquant par des flèches le mouvement d’ensemble uploads/Sante/ 1cm36ijd8-96188.pdf