Semaine du 18/03 au 22/03/2019 – La Physique en PCSI

Cette semaine, les colles de Physique seront consacrées :

au mouvement à force centrale conservative ;
à la mécanique du solide (solide en rotation autour d’un axe fixe, aspect énergétique compris).

Comme toujours, les connaissances et capacités exigibles en PCSI sont listées en bas de cette page.
Les questions de cours Q13, Q14 et Q15 portent sur la thermodynamique, mais cette partie n’est pas au programmes des exercices pour l’instant.

QUESTIONS DE COURS DE CETTE SEMAINE
Q1	Définir le moment d’inertie d’un solide. A l’oral, expliquer sa signification.
Q2	Soit un solide en rotation autour d’un axe $\Delta$ fixe à la vitesse angulaire $\omega$ . Démontrer la relation entre le moment cinétique $\cal{L}_\Delta$ du solide par rapport l’axe $\Delta$ , sa vitesse de rotation $\omega$ autour de cet axe, et son moment d’inertie $J_\Delta$ par rapport à cet axe.
Q3	Donner l’expression du moment d’une force par rapport à un axe, en utilisant le bras de levier (on ne demande pas de démonstration). Définir clairement le bras de levier par un schéma. Expliquer oralement à l’interrogateur le choix du signe, en s’appuyant sur un exemple de votre choix, dont vous ferez le schéma au tableau.
Q4	Énoncer la loi du moment cinétique pour un solide en rotation autour d’un axe fixe. La comparer à la loi de la quantité de mouvement pour un solide en translation, en mettant en évidence l’analogie entre ces deux lois
Q5	Donner puis démontrer l’expression de l’énergie cinétique pour un solide en rotation autour d’un axe fixe. Mettre en évidence l’analogie avec l’expression de l’énergie cinétique d’un solide en translation.
Q6	Déterminer l’expression de l’énergie potentielle de torsion, associée au couple de torsion d’un fil ${\cal C} =- C \theta$ . Mettre en évidence l’analogie avec l’énergie potentielle élastique associée à la force de rappel d’un ressort.
Q7	Déterminer l’expression de l’énergie potentielle associée à une force centrale newtonienne $\overrightarrow{F}=\frac{K}{r^2}\overrightarrow{u_r}$ , en utilisant la convention habituelle pour la constante.
Q8	Montrer que le mouvement d’un point matériel soumis uniquement à une force centrale est plan, puis en déduire l’expression de la constante des aires.
Q9	Exprimer l’énergie mécanique d’un point matériel soumis uniquement à une force centrale newtonienne (en coordonnées polaires) et construire une énergie potentielle effective permettant d’étudier uniquement le mouvement radial. Puis discussion à l’oral avec l’interrogateur sur la nature de la ou des trajectoire(s) possible(s).
Q10	Déterminer l’expression de la vitesse, puis l’énergie mécanique d’un satellite de masse $m$ en orbite circulaire de rayon $R$ autour d’une planète de masse $m_O$ . Sans démonstration, comment généraliser cette expression de l’énergie mécanique au cas où la trajectoire est elliptique (demi-grand axe $a$ , demi-petit axe $b$ ) ?
Q11	Déterminer l’expression puis donner l’ordre de grandeur de la vitesse de libération terrestre.
Q13	Définir les transformations thermodynamiques suivantes : isotherme, monotherme, adiabatique, isobare, monobare, réversible.
Q14	Qu’est-ce qu’un gaz parfait (hypothèses) ? Dans quelles conditions ce modèle décrit convenablement les gaz réels ?
Q15	Définir ce qu’on appelle le libre parcours moyen $\bar{\ell}$ dans un fluide. Grâce à un « modèle de sphères dures », en déduire une expression de $\bar{\ell}$ en fonction du rayon $r$ des particules, et de la densité particulaire $n^*$ . Puis rappeler l’ordre de grandeur de $\bar{\ell}$ dans les liquides et dans les gaz (dans les conditions habituelles de température et de pression).

COMPÉTENCES ÉVALUABLES CETTE SEMAINE DANS LES EXERCICES

MOUVEMENT DANS UN CHAMP DE FORCE CENTRALE CONSERVATIVE

Point matériel soumis à un seul champ de force centrale.
– Déduire de la loi du moment cinétique la conservation du moment cinétique.
– Connaître les conséquences de la conservation du moment cinétique : mouvement plan, loi des aires.
Energie potentielle effective. Etat lié et état de diffusion.
– Exprimer la conservation de l’énergie mécanique et construire une énergie potentielle effective.
– Décrire qualitativement le mouvement radial à l’aide de l’énergie potentielle effective. Relier le caractère borné à la valeur de l’énergie mécanique.

Champ newtonien. Lois de Kepler.
– Enoncer les lois de Kepler pour les planètes et les transposer au cas des satellites terrestres.
– Cas particulier du mouvement circulaire : satellite, planète.
– Montrer que le mouvement est uniforme et savoir calculer sa période.
– Etablir la troisième loi de Kepler dans le cas particulier de la trajectoire circulaire. Exploiter sans démonstration sa généralisation au cas d’une trajectoire elliptique.
Satellite géostationnaire.
– Calculer l’altitude du satellite et justifier sa localisation dans le plan équatorial.
Energie mécanique dans le cas du mouvement circulaire puis dans le cas du mouvement elliptique.
– Exprimer l’énergie mécanique pour le mouvement circulaire.
– Exprimer l’énergie mécanique pour le mouvement elliptique en fonction du demi grand axe.
Vitesses cosmiques : vitesses en orbite basse et vitesse de libération
– Exprimer ces vitesses et connaître leur ordre de grandeur en dynamique terrestre.

SOLIDE EN ROTATION AUTOUR D’UN AXE FIXE

Moment cinétique d’un système discret de points par rapport à un axe orienté

– Maîtriser le caractère algébrique du moment cinétique scalaire.

Généralisation au cas du solide en rotation autour d’un axe : moment d’inertie.

– Exploiter la relation pour un solide entre le moment cinétique scalaire, la vitesse angulaire de rotation et le moment d’inertie fourni.

– Relier qualitativement le moment d’inertie à la répartition des masses.

Couple. Liaison pivot. Notions simples sur les moteurs ou freins dans les dispositifs rotatifs.

– Définir un couple.

– Définir une liaison pivot et justifier le moment qu’elle peut fournir.

– Savoir qu’un moteur ou un frein contient nécessairement un stator pour qu’un couple puisse s’exercer sur le rotor.

Loi scalaire du moment cinétique appliquée au solide en rotation autour d’un axe fixe orienté dans un référentiel galiléen.

Pendule pesant.

– Établir l’équation du mouvement.

– Expliquer l’analogie avec l’équation de l’oscillateur harmonique.

– Établir une intégrale première du mouvement.

– Lire et interpréter le portrait de phase : bifurcation entre un mouvement pendulaire et un mouvement révolutif.

– Approche numérique : Utiliser les résultats fournis par un logiciel de résolution numérique ou des simulations pour mettre en évidence le non isochronisme des oscillations.

o
Pendule de torsion
– Etablir l’équation du mouvement.
– Expliquer l’analogie avec l’équation de l’oscillateur harmonique.
– Etablir une intégrale première du mouvement.

Approche énergétique du mouvement d’un solide en rotation autour d’un axe fixe orienté dans un référentiel galiléen.
– Utiliser la relation

${\cal E}_c=\frac{1}{2}J_\Delta\omega^2$

de l’énergie cinétique d’un solide en rotation, l’expression de

$J_\Delta$

étant fournie.
– Etablir l’équivalence dans ce cas entre la loi scalaire du moment cinétique et la loi de l’énergie cinétique pour un solide en rotation.
– Loi de l’énergie cinétique pour un système déformable.
Bilan énergétique du tabouret d’inertie.
– Prendre en compte le travail des forces intérieures. Utiliser sa nullité dans le cas d’un solide indéformable.

Bon travail à tous !

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

Q6

Q7

Q8

Q9

Q10

Q11

Q13

Q14

Q15

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