Examen de physique

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Série e2 Date : 21-6-2017

Classe : 2nde

Durée : 100 min

L’usage de la calculatrice est permis

Exercice 1 Les étoiles et leurs spectres (7 points)

Document 1 : Le système stellaire Gliese 667 C

La planète Krypton de Superman est souvent présentée comme une superterre en orbite autour d’une

naine rouge. On ne peut donc s’empêcher de penser que la réalité a quelque peu rejoint la fiction lorsque

l’on a annoncé voilà quelques années que deux superterres potentiellement habitables existent autour de

l’étoile Gliese 667 C.

Il s’agit bien d’une naine rouge située à environ 22 années-lumière du Soleil, dans la constellation du

Scorpion, et elle fait partie d’un système d’étoiles triple. La distance qui la sépare de ses deux sœurs est si

grande que depuis la surface des superterres, comme Gliese 667C, celles-ci apparaîtraient comme deux

astres aussi brillants que la Lune.

Nombre maximal de superterres dans la zone d'habitabilité

La Nature avait encore des surprises en réserve autour de Gliese 667C puisque des astronomes de l’ESO

viennent de faire savoir que selon eux, il y aurait au moins six exoplanètes, dont trois superterres dans la

zone d’habitabilité. Dans le cas présent, il ne peut y en avoir plus sans que la stabilité des orbites de ces

superterres soit compromise. Une comparaison des tailles de la Terre, Mars et Gliese 667 C c (le système

triple Gliese 667 comporte trois étoiles, notées A, B et C, et cette dernière abrite plusieurs planètes dont

la troisième est notée c). L'aspect probable de l'exoplanète a été simulé par ordinateur. Son atmosphère

est teintée de rouge du fait qu'elle est en orbite autour d'une naine rouge.

Cette affirmation des chercheurs se base sur de nouvelles analyses des données spectroscopiques prises

pendant des années avec l’instrument Harps à La Silla, ainsi que du spectrographe UVES équipant le

VLT de l’ESO. On lui doit déjà la découverte ou la confirmation de l’existence de nombreuses

exoplanètes par la méthode des vitesses radiales. Ces nouvelles analyses n’étaient cependant pas

suffisantes, et de récentes observations obtenues avec les instruments équipant le Keck Observatory et les

télescopes Magellan ont été nécessaires.

Illustration 1: Une comparaison des tailles de la Terre et Gliese 667C c (le système triple Gliese 667

comporte trois étoiles, notées A, B et C, et cette dernière abrite plusieurs planètes dont la troisième est

notée c).

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Document 4 : Spectre d'une étoile naine rouge

Document 5 : fonctionnement d'un spectroscope

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Spectres stellaires

1- Les spectres du Soleil (Illustration 2) et de la naine rouge (Document 4 : Spectre d'une étoile naine

rouge) sont-ils des spectres d'émission ou d'absorption ?

2- Comment déterminer quels sont les éléments contenus dans la couche externe du Soleil ? Détecte-t-

on la présence d'hydrogène ? Justifier.

3- Une étoile naine rouge contient-elle : du calcium, de l'hydrogène, de l'oxyde de titane ?

4- Pourquoi le Soleil apparaît-il jaune ou blanc alors que Gliese 667 C apparaît rouge ?

Obtention d'un spectre stellaire

5- Donner la définition de l'expression « source lumineuse polychromatique ».

6- On considère le verre « Dense flint SF10 » de l'Illustration 6. Déterminer graphiquement son indice

de réfraction pour une radiation lumineuse rouge à 700 nm et pour une radiation lumineuse violette à

400 nm.

7- Si la lumière arrive sur un angle de 30°, déterminer à l'aide des lois de Snell-Descartes l'angle de

réfraction pour la lumière rouge et pour la lumière violette par la première face du prisme.

Données : indice de l’air nair = 1,00

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Exercice 2 Rayons non particuliers (5 points)

1. Dans les quatre situations représentées ci-dessus, à l’aide d’une série de constructions graphiques

qu’il faudrait justifier. (Les constructions sont à compléter sur l’annexe à rendre avec la copie)

a - Déterminer la position du foyer objet F et du foyer image F′ de chaque lentille

b - Conclure quant à la nature de chaque lentille et compléter sa représentation graphique.

2. Sur la figure 2, quelle est la nature et la position de l’image A′ de A à travers L ?

3. Compléter la figure 4 en représentant le rayon ´émergeant provenant du rayon incident R2

(Sur le schéma R2 est parallèle à R1).

Exercice 3 La physique au service de la médecine

Partie A Electrocardiogramme (3 points)

AU REPOS, LE CŒUR EFFECTUE NORMALEMENT ENTRE 60 ET 80 BATTEMENTS A LA MINUTE

(C'EST CE QU'ON APPELLE LE POULS OU LES PULSATIONS CARDIAQUES). UNE

ACCELERATION (TACHYCARDIE), UN RALENTISSEMENT (BRADYCARDIE) OU UN

CHANGEMENT DU RYTHME CARDIAQUE SONT LES FORMES D'ARYTHMIE.

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1- Le Schtroumf docteur prend le pouls du grand schtroumpf à

l’aide d’un sablier. Quand le sablier se vide de 3 min le schtroumpf

docteur a compté 215 battements de cœur, quelle fréquence du

rythme cardiaque peut-il calculer en battements/minute

2- Il consulte ensuite 2 électrocardiogrammes du grand schtroumpf pris récemment.

a- 1e ECG montrait les battements du cœur il y a 24h. Peut-on dire que le grand schtroumpf souffrait

d’arythmie cardiaque ? Justifier.

b- Le deuxième ECG montre l’enregistrement actuel. Souffre-t-il toujours d’arythmie ? Justifier

c- Mesurer la période du rythme cardiaque actuel du grand schtroumpf. Puis déduire sa fréquence

en Hz puis en battements/min.

d- Comparer cette fréquence avec celle mesurée avec le sablier. Le grand schtroumf a-t-il retrouvé

des battements du cœur normaux.

Partie B Ultrasons et écographie

1- Comprendre le principe de l’échographie – Modélisation (3 points)

Dans un récipient rempli d’eau, on place une plaque de Plexiglas d’épaisseur e. L’eau simule le corps

humain dont la composition est de 65 à 90 % d’eau (excepté pour les os et les dents). La plaque de

plexiglas simule un muscle dense.

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Une sonde échographique constituée

d’un émetteur et d’un récepteur est

plongée dans l’eau. Les signaux émis

et reçus par la sonde sont très brefs.

Sur les oscillogrammes, on

représentera par un pic simple les

signaux nécessaires à l’exploitation.

On choisit sur les oscillogrammes

l’origine des dates à l’instant de

l’émission du signal.

Schéma de principe

On réalise 2 mesures : 1-avec la plaque de plexiglas et 2- sans la plaque de plexiglas

a. Pourquoi obtient-on 3 échos sur l’oscillogramme 1, de quelle expérience s’agit-il, 1 ou 2 ?

b. En observant les 2 oscillogrammes peut-on dire que les ultrasons se propagent plus vite dans

l’eau que dans le plexiglas ? Justifier pourquoi.

c. Les ondes sonores sont appelées des ondes mécaniques. Justifier cette nomenclature.

2- Echographie du crâne de grand schtroumpf (3 points)

1- Le schtroumpf docteur veut utiliser des ondes ultrasonores à 12

MHz. Exprimer cette valeur sous la forme d’une écriture scientifique.

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2- L’épaisseur de l’os du crane du grand

Schtroumpf est de 1,2 mm. Quel pourcentage

de l’intensité du faisceau d’ultrasons pourra

traverser l’os du crane ?

3- La vitesse v de l’onde ultrasonore dans l’os est de 3000 m/s. Après avoir traversé le crane

d’épaisseur e = 1.2 mm, l’onde est renvoyée vers le récepteur. La durée mesurée est Δt.

a) Quelle est la distance d parcourue par l’onde entre l’émetteur et le récepteur ? Expliquer.

b) Trouver Δt.

c) Le grand schtroumpf, une fois guéri part à la pêche en mer avec son bateau. Citer une

autre application pratique des ultrasons en mer et expliquer comment il détectera des

bancs de poissons.

Exercice 4 La variation de la vitesse en fonction du temps (4 points)

1- Quelle(s) section(s) de ce graphique représente(nt) un MRUA ?

2- Quelle a été l’accélération du mobile pour la section C?

3- Quel a été le déplacement du mobile de la 6ème à la 14ème seconde?

4- Quelle a été la vitesse moyenne du mobile pour ce déplacement ?

5- Quelle section de ce graphique présente la plus grande accélération? Justifier.

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

I(%)

épaisseur (cm)

Intensité du faisceau us en fonction de l'épaisseur pour l'os : I = f(e)

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ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE

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