Solutions des exercices : Oscillations électriques libres et forcées - Ts

Classe: 
Terminale
 

Exercice 1

1) a) Expression de Q0 en fonction de U0 et C.
 
Q0=CU0
 
b) Expression de E0 en fonction de Q0 et C.
 
E0=12CU0
 
2) a) Expression de l'énergie électromagnétique E en fonction de L, C, q et i.
 
E=12q2C+12Li2
 
b) Montrons que l'énergie électromagnétique se conserve et elle est égale à Q202C
 
Le circuit électrique ne comporte que des dipôles non dissipatifs (condensateur et bobine) ; donc l'énergie électromagnétique se conserve et est égale à l'énergie initialement emmagasinée par le condensateur : E0=12Q20C
 
Équation différentielle des oscillations électriques.
 
E0=E=12q2C+12Li2dE0dt=ddt(12+12Li2)=012C×2qdqdt+12L×2ididt=0or dqdt=i=˙qet didt=¨q˙q(qC+L¨q)=0comme ˙q n'est pas toujours nulqC+L¨q=0
 
c) Détermination de l'expression de la période propre T0 en fonction de L et C.
 
T0=2πLC
 
d) Expression de la charge q en fonction du temps.
 
q=qmcos(ω0t+φ)=qmcos(2πT0t+φ)
 
q=qmcosφ=qm=Q0cosφ=1φ=0q=Q0cos2πT0t
 
3. Montrons que l'expression l'énergie EL en fonction du temps s'écrit : 
 
EL=E02[1+cos(4πT0t+π)]EL=12Li2=12L¨q2=12L(2πT0Q0sin2πT0t)2=12L4π2T20Q20sin22πT0tsin2α=1cos2α2EL=12L4π2T20Q20
 
4) a) Valeurs de L et de E0.
 
E0=2103JE80=2103JE0=12Li2L=2E0i2=2×2103(0.2)2L=101H
 
b) Valeur de T0.
 
T0=2π104s
 
5) Détermination de C, Q0 et U0.
 
T0=2πLCLC=T204π2C=T204π2L=(2π104)24π2×2102C=5105F
 
E0=12L4π2T20Q20Q0=2E0T204π2L=2×2103×(2π104)24π2×2102Q0=4.47105C
 
U0=Q0C=4.471055107U0=89.4V

Exercice 2

A. L'interrupteur K est dans la position (1) 
 
1) Le phénomène observé est la charge du condensateur
 
2) Allure de la courbe de variation de la tension aux bornes du condensateur en fonction du temps.
 
 
B. L'interrupteur K est basculé dans la position (2) 
 
 
1) a) Établissement de l'équation différentielle qui régit les oscillations de la charge q(t).
 
La loi d'additivité des tensions s'écrit : UC+UL=0 
 
UC=qC ;UL=Ldidt ;i=dqdt=˙q ;didt=¨qqC+L¨q=0¨q+qLC=0
 
b) Montrons que q(t)=Qmsin(ω0t+φq) peut être une solution de l'équation différentielle
 
q(t)=Qmsin(ω0t+φq)q(t)=ω0Qmcos(ω0t+φq)¨qt=ω20Qmsin(ω0t+φq)¨q+qLC=0ω20Qmsin(ω0t+φq)+1LCQmsin(ω0t+φq)=0(ω20+1LC)Qmsin(ω0t+φq)=0ω20+1LC=0ω20Qmsin(ω0t+φq)=0ω20+1LC=0ω20=1LCω0=1LC
   
2) a) Montrons que le circuit (L, C) est conservatif  
 
EC+EL=12q2C+12Li2=12q2C+12L˙q2=12(Qmsin(ω0t+φq))2C+12L(ω0Qmcos(ω0t+φq))2E=12Q2mCsin2(ω0t+φq)+12Lω20Q2mcos2(ω0t+φq)orω20=1LCE=12Q2mCsin2(ω0t+φq)+12Q2mCcos2(ω0t+φq)=12Q2mC(sin2(ω0t+φq)+cos2(ω0t+φq))E=12Q2mC
 
Et l'énergie totale est constante ; le circuit (L, C) est donc conservatif  
 
b) Montrons que l'énergie électrique emmagasinée dans le condensateur en fonction de i2 est de la forme Ee=Q2m12Li2
 
E=12Q2mC=Ee+ELEe=12Q2mCELEe=12Q2mC12Li2
 
c) Justifions théoriquement l'allure de la courbe  
 
D'après la loi d'additivité des tensions : UC+UL=0
 
UL=UCUL=qC
 
La courbe représentant la tension UL aux bornes de la bobine en fonction de la charge q  une droite passant par l'origine de pente négative. Ce que l'allure de la courbe confirme
 
3) Détermination :
 
a) L'inductance L de la bobine.
 
Ee=12Q2mC12Li2ΔEeΔi2=12LL=2ΔEeΔi2=2(05104)(100)104L=1H
 
b) La capacité C du condensateur.

 

 

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