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CCINP (ex CCP)PHYSIQUEFilière PC
2e ÉDITION ACTUALISÉE
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pour préparer l’oral du concourscollection dirigée par Karine Beaurpère
24 JOURS
CCINP (ex CCP)PHYSIQUEFilière PC
Florence DEPAQUIT-DEBIEUVREProfesseure de Chaire Supérieure en PC*
au lycée Roosevelt de Reims
2e ÉDITION ACTUALISÉE
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Dans la collection 24 jours pour préparer l’oral
dirigée par Karine Beaurpère
Retrouvez tous les titres de la collection et des extraits
sur www.editions-ellipses.fr
ISBN 9782340051683© Ellipses Édition Marketing S.A., 2018
32, rue Bargue 75740 Paris cedex 15
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Présentation de la collection 3
Présentation de la collection Réussir ses oraux aux concours des Grandes Écoles nécessite une bonne organisation. Mais il existe une période pendant laquelle les étudiants sont parfois un peu désorientés : le mois généralement accordé entre le passage des écrits et celui des oraux. En effet, durant cette période, les étudiants doivent souvent faire face aux deux grandes interrogations suivantes :
- quels exercices travailler pour programme ?
- quelle méthode efficace utiliser pour bien travailler ces différents exercices ?
qualitative mais aussi quantitative.
sujets, et 24 sujets seulement, qui correspondent tous à des épreuves orales posées ces dernières années. Les auteurs de la collection, tous professionnels de la préparation aux concours, ont méticuleusement sélectionné ces 24 sujets afin de
. De plus, pour optimiser encore davantage la qualité des révisions, les auteurs ont
plusieurs fois à des moments bien différents. Ensuite, chaque ouvrage propose la même approche très méthodique. On se base sur 24 séances de travail réparties sur 4 semaines de 6 jours. Durant chaque séance, le candidat doit chercher, comme au concours, un sujet complet puis il consacre la fin de cette séance à une analyse minutieuse de tout l'ensemble du corrigé. Les 24 sujets sont toujours organisés de la façon suivante :
- une première présentation du sujet sous une forme identique à celle du concours ;
- une deuxième présentation de chaque exercice avec une analyse ;
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4 Présentation de la collection
- un corrigé très détaillé, de telle sorte que la solution soit comprise de tous les étudiants ;
- des techniques à mémoriser ; - un formulaire ; - des extraits pertinents des rapports de jurys.
Travailler méthodiquement avec les ouvrages de cette collection, à la fois
utilisant notamment les nombreux tableaux récapitulatifs des exercices), est
Alors, bon vent vers la réussite !
Karine Beaurpère
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Sommaire 5
Sommaire
Présentation du manuel ...
Conseils
Tableaux récapitulatifs des exercices
Jour n°1 Énoncé de l cice 1.1 Énoncé cice 1.2
Jour n°2 .. Énoncé 2.1 .. Énoncé 2.2
Jour n°3 Énoncé 3.1 . Énoncé 3
Jour n°4 Énoncé 4.1 . Énoncé 4.2 . .
Jour n°5 . Énoncé 5.1 . Énoncé 5.2 . .
Jour n°6 . Énoncé 6.1 . . Énoncé 6.2 . .
Jour n°7 . . Énoncé 7.1 .. . Énoncé 7.2 .
Jour n°8 . Énoncé 8.1 . . Énoncé 8.2 .
Jour n°9 . Énoncé 9.1 . Énoncé 9.2 .
Jour n°10 ... Énoncé 10.1 . .. Énoncé
Jour n°11 .......... Énoncé 11.1 ... . Énoncé 11.2 ... .
7
13
17
21 23 31
37 39 45
49 50 58
65 67 78
87 88 96
103 104 110
115 117 123
131 133 143
149 151 159
167 169176
183 185 192
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6 Sommaire
Jour n°12 Énoncé 12.1 .. Énoncé 12.2 ..
Jour n°13 Énoncé 13.1 .. Énoncé 13.2 ..
Jour n°14 .. Énoncé 14 Énoncé 14.2 ..
Jour n°15 .. Énoncé 15.1 .. Énoncé 15.2 ..
Jour n°16 .. Énoncé Énoncé 16.2 ..
Jour n°17 .. Énoncé 17.1 .. Énoncé 17.2 ..
Jour n°18 . Énoncé 18.1 . . Énoncé 18.2 .
Jour n°19 .. . Énoncé 19.1 .. . Énoncé 19.2 .. .
Jour n°20 Énoncé 20.1 .. Énoncé 20.2 ..
Jour n°21 Énoncé 21.1 .. Énoncé
Jour n°22 Énoncé Énoncé
Jour n°23 Énoncé Énoncé 23.2 ..
Jour n°24 Énoncé Énoncé 24.2 ..
Formulaire à compléter et derniers .
199 201 210
215 216 223
227 228 238
243 245 252
257 259 264
267 269 276
283 285 291
295 296 301
311 313 320
327 329 335
341 343349
353 354 361
365 367 375
381
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Présentation du manuel 7
Présentation du manuel
Ce manuel a pour but de vous préparer efficacement aux oraux des Concours Communs INP (CCINP ex CCP) en filière PC-PC*.
Pour commencer, rappelons le déroulement des oraux de physique au concours, comme le stipule la notice 2016 :
composée de deux exercices que le candidat est amené à présenter et qui lui sont remis lors de son entrée dans la salle. Celui-ci dispose de trente minutes de préparation sur table, suivies par une présentation au tableau de même durée. Toutes les parties du programme de sciences physiques de PCSI et de PC sont
sur des parties bien distinctes du programme.
Le premier exercice, noté sur 14 points, est un exercice cadré destiné à évaluer les connaissances scientif iques et les compétences, telles que définies dans le programme officiel, que les candidats doivent maîtriser. Les questions sont posées dans un souci de progressivité. Des résultats intermédiaires sont généralement donnés, évitant au candidat de rester bloqué sur une
préparation. Cet exdonné simultanément à tous les candidats ayant le même horaire de passage.
Le deuxième exercice, noté sur 6 points, est un exercice du type « résolution de problème » directement en relation avec
ence. Il présente une situation à traiter dans un cadre
candidat de mobiliser ses connaissances et ses compétences, afin
candidat de définir une démarche et de conduire cette dernière, en interaction av
exercices. I l est conseillé de consacrer environ vingt minutes à la
du second exercice.
domaines propres à la pratique de la démarche scientif ique :
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8 Présentation du manuel
créer, valider, ainsi qu
compétences.
Il est évident que la maîtrise des capacités exigibles, clairement identif iées dans le programme officiel des classes préparatoires, est une condition essentielle à la réussite de cette épreuve.
également un facteur déterminant. La démarche, les pistes de
généralement le cas, i l ne présente pas une résolution complète,
Une calculatrice est mise à disposit ion pendant la préparatio n. La
est nécessaire, dans la mesure où, une fois le temps de préparation , af in de la mettre
son nom sur celle-ci, afin de permettre de retrouver plus facilement son propriétaire.
Les téléphones portables sont str ictement interdits. I ls doivent être éteints (et non en mode silencieux) et rangés dans le sac. Ils ne peuvent en aucun cas servir de montre.
Ce manuel repose sur une méthode originale qui a fait ses preuves auprès de mes étudiants de PC* du lycée Roosevelt de Reims.
réaliser durant le mois généralement accordé entre les écrits et les oraux du concours CCINP( ex CCP).
Le principe est le suivant.
On se base sur quatre semaines de révisions, à raison de six jours de travail par de travail par jour, en plus bien évidemment du travail à
réaliser au lycée pendant cette période. Durant cette heure, vous devrez chercher, comme au concours, un sujet composé de deux exercices, pendant une durée de 30 minutes puis vous consacrerez ensuite 30 minutes à une analyse minutieuse de tout
corrigé ».
Concrètement, cela signif ie que vous devrez suivre, jour après jour, le planning qui vous est proposé ici. Le premier jour de révision, vous vous attaquerez au « Jour n°1 », etc. « Jour n°24 ». Vous aurez alors traité 24 sujets, c'est -à-dire 48 exercices.
Ces sujets sont des sujets tombés aux oraux du concours CCP entre les années 2006 et 2016.
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Présentation du manuel 9
confronté aux oraux.
permettra de revoir en permanence les thèmes principaux du programme. Le but est ici après les autres. Cette méthode permet aussi de se mettre dans les conditions du concours avec la découverte du sujet.
Chaque jour de révision est construit de la façon suivante. Une première page comporte deux sujets à travailler : dans sa forme, cette page ressemble à celle que vous aurez le jour d sur 14 points et le second sur 6 points. Il est donc conseillé de consacrer 20 minutes du temps sur le premier et 10 minutes sur le second. Les pages suivantes vont vous permettre de rentrer dans le détail de chacun des deux exercices.
Si vous avez compris
situations. différentes parties qui vont être exposées ci-après.
Voici donc le schéma adopté pour chacun des deux exercices .
:
exercice facile qu'il faut savoir traiter assez rapidement ;
exercice de niveau moyen pouvant comporter des questions un peu délicates ;
exercice comportant des questions particulièrement difficiles.
La suite se découpe selon les 5 parties suivantes .
Énoncé
é
Analyse stratégique de
Je vous indique euxième année.
comprendre la question posée et de voir comment démarrer efficacement le sujet.
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10 Présentation du manuel
Il est bon de commencer par lire cette partie avant de lire le corrigé qui va suivre
Corrigé
Cette partie correspond bien évidemment au corrigé des exercices. Ce corrigé est très détaillé afin de permettre une meilleure compréhension et propose parfois plusieurs méthodes. Attention preuves sont volontairement très (trop !) détaillées afin de ne pas laisser de points
À questions. Au pire, alors toujours possible de donner à ce moment-là.
Techniques à mémoriser
, ce sont avant tout les techniques et les raisonnements qui ont été utilisés. Cette partie liste donc toutes les techniques à retenir.
commençant par :
Il faut se souvenir
Formulaire
Cette dernière partie consiste à lister les formules importantes à connaître qui sont .
thèmes du programme tout en travaillant sur des sujets
vous devez travail
cement de votre cours. Les numéros des exercices sont fabriqués comme suit : le premier numéro renvoie au jour de la préparation et le
premier exercice (sur 14 points) ou du cice 7.2 se trouve en deuxième partie
du « Jour n°7 ».
-compléter au fur et à mesure de votre travail. Ce formulaire est volontairement à remplir afin que vous le fassiez vivre. Un formulaire complètement rédigé est bien
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Présentation du manuel 11
souvent inutile car il est lu de façon passive sans réelle implication de la part de celui qui le lit, ce ne sera pas le cas si vous rédigez votre propre formulaire.
Je tiens aussi à préciser que le formulaire final ne correspond pas à la réunion des 48 formulaires issus des exercices car le formulaire final se veut plus complet et
er.
Enfin le formulaire est agrémenté de quelques extraits de rapports du jury afin que la rédaction de ce formulaire puisse se faire en ayant bien en tête les attentes du jury.
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Conseils 13
Conseils
Quelques conseils pour bien utiliser ce livre
Il serait bien de faire deux études de ce livre.
La première est une étude de fond qui peut commencer dès la première année de
termine, vous pouvez travailler avec minutie les exercices liés à ce chapitre : vous trouverez facilement les différents exercices répertoriés dans des tableaux.
apprend
retravaillées plus tard et de façon neutre.
, pendant les 24 jours de révision avant les oraux, de vous entraîner sur les deux exercices du jour comme en préparation Le fait de refaire deux fois les
,
Dans ce livre, je reviens plusieurs fois sur les mêmes notions. Pour un grand nom
s des commentaires du jury, les mêmes techniques à retenir, les mêmes formules
que que vous allez vous améliorer à toutes les situations.
Quelques conseils pour bien réussir son oral
Rapport du jury 2010 en un dialogue entre le candidat et
sont sa rigueur, son autonomie et son dynamisme dans la conduite Il est indispensable que le candidat prenne des
al, il est inutile de recopier au tableau tout ce qui est dit.
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14 Conseils
Rapport du jury 2015 La principale nouveauté de ce deuxième exercice qui se veut être une « résolution de problèmes ». Conformément aux nouveaux programmes, ce type
e situation dans laquelle il doit
des données expérimentales, sans se lancer dans des calculs trop théoriques, mais pour aboutir à des ordres de grandeur pertinents.
Selon ces rapports :
- un dialogue ent ; - u
s de résultats, du choix des paramètres intervenants) ;
- une proposition de méthode de résolution, après éventuellement une ;
- la mise en équation du problème en utilisant les outils du programme. - la résolution « mathématique » ; - l des résultats obtenus, la vérification aussi de
et la vérification de la pertinence du résultat ; - c
est dit.
ences en physique mais il va aussi, peut- , et ce, dès le début de
: - votre expression orale (attention au vocabulaire que vous employez) ; - votre rigueur ; - votre dynamisme ; - votre autonomie
; - le soin apporté dans la présentation du tableau (les schémas sont toujours
utiles et constituent une bonne base de travail) ; - l'intérêt du candidat est de présenter de manière
précise et concise, le travail effectué lors de la préparation, afin de disposer d'un maximum de temps pour aborder les questions non traitées avec une aide éventuelle de l'examinateur) ;
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Conseils 15
Rapport du jury 2015 La gestion du temps reste très souvent problématique : la quasi-totalité des candidats ne gère pas le temps lors du passage au
très vigilant au temps et de consacrer environ vingt minutes à
- votre capacité à vous adapter (il faut veiller lors de la préparation écrite à ne pas rester bloqué au niveau d'une question alors que l'on peut en admettre le résultat et traiter la suite. Les exercices sont progressifs et pour ne pas bloquer les candidats, des résultats intermédiaires sont souvent donnés) ;
- votre bon sens (pensez à signaler un résultat aberrant sans attendre la ;
- votre réactivité (capacité à assimiler les indications fournies par
Encore quelques conseils lors du temps de préparation qui doit être avant tout consacré au choix de la méthode de résolution. Vous devez préparer la structure de votre achever une phase calculatoire pendant la préparation. Vous êtes libre de choisir
é de consacrer 20 minutes à la présentation du premier exercice et 10 minutes à celle du deuxième.
Un petit conseil vestimentaire -à-dire de porter des vêtements dans lesquels vous vous sentez bien. Pensez à mettre des vêtements adaptés au climat qui est souvent chaud en juin juillet. Faites attention à ne pas non plus paraître trop décontracté voire désinvolte (pas de tongs, pas de tenue de plage, pour les filles éviter les grands décolletés, lol !). Bref soyez
aise dans vos habits afin de vous consacrer pleinement à votre oral.
Vous devez sortir de votre oral en vous disant que vous avez donné le meilleur de vous-même, que vous avez fait le maximum. Pensez toujours à raisonner de façon positive. Tous les points sont bons à prendre !
Pour conclure, sur le site des Concours Communs Polytechniques. Vous comprendrez alors ce
véritable atout !
Je termine par un extrait assez représentatif et optimiste des rapports des jurys.
Rapport du jury 2016 Le niveau général demeure comparable à celui des années précédentes. Les candidats sont en général bien préparés. Notons tout de même se creuser, un peu plus chaque année, entre les bons candidats et les candidats moyens qui ont rencontré plus de difficultés,
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16 Conseils
essentiellement par manque de maîtrise du cours. Un nombre non négligeable de candidats ne connaît pas suffisamment le cours et a
de constater que ces mêmes candidats sont capables de très bien
Il faut cependant reconnaître que, même si la connaissance du cours est moins bonne, et même si les aptitudes à mener des c
sensiblement améliorées, ce qui montre que les candidats possèdent un bon sens physique.
Je remercie pleinement Madame Karine Beaurpère pour ses conseils judicieux, sa relecture, sa disponibilité et ses encouragements.
Je suis aussi très reconnaissante envers mes étudiants du lycée Roosevelt de Reims et surtout mes 5/2, qui ont pu tester certains exercices lors des colles.
Enfin, je souhaite dédier ce livre à Marc mon père, à Michel qui partage ma vie, à mes enfants Romain, Valentin et adresse une pensée toute particulière à Antoine et Josette qui nous ont quittés prématurément.
Bon courage à vous donner le meilleur de vous-même !
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Tableaux récapitulatifs des exercices 17
Tableaux récapitulatifs des exercices
Tableau récapitulatif des exercices de mécanique
Mécanique du point
Mécanique dusolide
Référentiel non galiléen
Mécanique des fluides
Exercice 3.2Exercice 4.1Exercice 5.1Exercice 7.2Exercice 10.2Exercice 14.2Exercice 12.2Exercice 17.1Exercice 19.1Exercice 19.2Exercice 20.1Exercice 21.1Exercice 22.2Exercice 23.2
Tableau récapitulatif des exercices d optique
Géométrique Interférences Objet diffractantExercice 1.2Exercice 2.1 Exercice 7.1 Exercice 9.2 Exercice 11.1Exercice 12.1 Exercice 16.2 Exercice 17.2 Exercice 24.2
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18 Tableaux récapitulatifs des exercices
Tableau récapitulatif des exercices de thermodynamique
Diffusion thermique
Diffusion de particules
Premier et deuxième principes
Changements Fluides en écoulement
Exercice 2.2Exercice 3.1 Exercice 9.1 Exercice 15.1 Exercice 18.1Exercice 18.2
Tableau récapitulatif des exercices
Régime transitoire
Régime sinusoïdal
forcé
Filtre Traitement de signal
Exercice 6.2Exercice 8.2Exercice 11.2Exercice 13.2Exercice 15.2Exercice 21.2 Exercice 22.1
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Tableaux récapitulatifs des exercices 19
Tableau récapitulatif des exercices
ÉlectrostatiqueMagnétostatique
Équations de Maxwell et polarisation
Induction
Exercice 1.1Exercice 4.1Exercice 5.2 Exercice 6.1 Exercice 8.1 Exercice 10.1Exercice 19.2 Exercice 20.2 Exercice 23.1 Exercice 24.1
Tableau récapitulatif des exercices sur les ondes
Ondes mécaniques ou
sonores
Physique quantique et laser
Ondes électromagnétiques
Exercice 2.1Exercice 4.2Exercice 7.1 Exercice 13.1 Exercice 14.1 Exercice 16.1
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Jour n°1 21
Jour n°1
Exercice 1.1
Une ligne haute tension assimilable à un fil droit infini selon transporte un courant sinusoïdal de fréquence et de valeur efficace
. On approche de cette ligne haute tension une bobine plate de spires carrées de côté à une distance . Cette bobine
aire si la tension efficace à ses bornes est supérieure à .
On utilisera les coordonnées cylindriques et de base .
approximation des régimes quasi-stationnaires (ARQS).
1) Donner la défini, en la justifiant, tions de Maxwell dans
2) Déterminer en coordonnées cylindriques le champ magnétique créé dans
3) Déterminer le flux magnétique total créé par cette ligne haute tension à travers la bobine plate.
4) En déduire le nombre de spires
On assimile maintenant pour la question 5) en série avec une inductance propre ..
5) Calculer alors la valeur efficace dans la bobine plate lorsque et le déphasage entre et en régime sinusoïdal forcé. Faire les applications numériques.
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22 Jour n°1
Exercice 1.2
La figure suivante .
1) usuellement disponible en salle de TP que vous jugerez nécessaire.
2)
.
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Jour n°1 23
Exercice 1.1 2016 -
Énoncé
Une ligne haute tension assimilable à un fil droit infini selon transporte un courant sinusoïdal de fréquence et de valeur efficace
. On approche de cette ligne haute tension une bobine plate de spires carrées de côté à une distance . Cette bobine
à ses bornes est supérieure à .
On utilisera les coordonnées cylindriques et de base .
approximation des régimes quasi-stationnaires (ARQS).
1) Justifier ici le choix , en la justifiant,
2) Déterminer en coordonnées cylindriques le champ magnétique créé dans
3) Déterminer le flux magnétique total créé par cette ligne haute tension à travers la bobine plate.
4) En déduire le nombre de spires
On assimile maintenant pour la question 5) en série avec une inductance propre ..
5) Calculer alors la valeur efficace dans la bobine plate lorsque et le déphasage entre et en régime sinusoïdal forcé. Faire les applications numériques.
ampoule
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24 Jour n°1
Analyse stratégique de
exercice porte sur e assez classique qui
ne pose pas de grandes difficultés. Les questions sont progressives.
1) Cette question est
courant constant par le courant dépendant du temps.
as infini et négliger les effets de bord pour le calcul.
Il faut écrire ensuite les équations de Maxwell en faisant les bonnes approximations.
On cherche à simplifier les équations. déplacement est négligeable par rapport au courant de conduction.
2) regarder les symétries et invariants.
Le résultat a été donné dans le programme de première année et se démontre
au plan de symétrie.
3) Il faut maintenant déterminer le flux du champ magnétique à travers le circuit. Attention à prendre en compte le nombre de spires.
Penser à orienter le circuit.
Faire attention car le champ magnétique dépend de la distance par rapport au fil.
4) Il faut maintenant déterminer la fem induite en utilisant la loi de Faraday et utiliser la condition donnée
.
5) On tient compte de la résistance de la lampe. Il faut donc écrire une équation de mailles. On a donc un déphasage entre la fem et le courant dans le circuit.
Corrigé
1) S consiste à négliger les phénomènes de propagation dans le circuit,
c'est-à- devant le temps
caractéristique des variations temporelles des sources. Le critère est donc en fonction de la longueur caractéristique du circuit :
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Jour n°1 25
On a donc :
représente la longueur d’onde. Ici la condition est la suivante :
bords pour le calcul du champ magnétique. On garde les propriétés du fil infini pour la géométrie.
Les équations de Maxwell sont les suivantes :
Pour un conducteur ohmique, la densité volumique de charges est nulle. Dans le
conduction et on obtient donc les équations simplifiées suivantes :
2) En coordonnées cylindrique, le champ magnétique est de la forme . Le problème est invariant par translation le long du fil et donc le champ magnétique ne dépend pas de . Le problème est aussi invariant par rotation autour
donc le .
Le plan contenant le fil et de symétrie (plan donc le champ est perpendiculaire à ce plan.
On a donc :
Les lignes de champ sont donc des cercles.
e de rayon
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26 Jour n°1
On a ainsi le schéma suivant :
L’orientation du contour d’Ampère et l ’orientation de la surface s’appuyant sur le contour sont liées.
:
Comme le champ magnétique est selon , il est donc colinéaire à . On a donc :
Comme le courant est dans le même sens que le courant enlacé est égal à : On trouve donc :
Le champ magnétique vaut :
On retrouve bien le champ créé par un fi l infini . Penser à vérif ier l ’homogénéité.
3) :
Il faut donc orienter le circuit. Pour cela, il est nécessaire et obligatoire de faire un schéma :
ampoule
fil
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Jour n°1 27
L’orientation du circuit est arbitraire. Celle de la surface est l iée à l ’or ientation du contour par le règle du tire bouchon.
On a donc :
On prend pour élément de surface élémentaire un rectangle de hauteur et . On a donc pour une spire :
Pour spires, on obtient donc le flux magnétique suivant :
Penser à multiplier le f lux par le nombre de spires.
4) On a donc un circuit placé dans un champ magnétique variable créé par le fil.
et la fem induite est donnée par la loi de faraday :
:
:
La dérivée est donc égale à :
La fem induite est donc égale à :
En simplifiant, on obtient donc :
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Pour que la lampe p que efficace de la fem soit supérieure à la tension efficace soit :
:
plication numérique donne :
5) Le circuit est donc maintenant équivalent à un circuit On a donc le schéma suivant :
:
En remplaçant, on obtient :
On passe en notations complexes en prenant la partie imaginaire. On a donc en posant :
Le courant efficace est donc égal à :
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