Physique

 

La production d'énergie électrique est assurée par des alternateurs fonctionnant grâce à diverses sources d'énergie (nucléaire, thermique, hydroélectrique, éolienne...). Ces alternateurs fournissent des tensions alternatives triphasées. La distribution se fait alors avec quatre conducteurs (trois « phases » portées aux potentiels par rapport à un neutre de potentiel voisin de celui du sol). Cette technique permet de transporter plus d'énergie qu'en distribution monophasée (une phase et un neutre) tout en diminuant le coût de construction des lignes. Pour diminuer les pertes dans les lignes, le transport a lieu à très haute tension $($des centaines de $kV).$ Des  transformateurs abaisseurs de tension sont alors nécessaires avant l'utilisation $(380V$ entre phases en triphasé, $220V$ entre phase et neutre en monophasé$).$ L'utilisation de l'électricité présente des dangers pour les personnes et les installations. L'incendie est le danger essentiel pour les installations électriques : il peut être provoqué par des échauffements liés à l'effet Joule dû à une surintensité. Des dispositifs de protection doivent donc interrompre le courant lorsqu'il dépasse une valeur dangereuse (fusibles, disjoncteurs...). Si un appareil présente une dérivation inopportune, c'est-à-dire un contact entre le fil de phase et la carcasse (ou masse) de l'appareil, le disjoncteur différentiel détecte une différence d'intensité entre la phase et le neutre et interrompt le circuit d'alimentation, à condition que la carcasse soit reliée à une prise de terre $($dans les installations de régime « $TT$ », neutre et masse sont reliés à la terre$).$ Pour la protection des personnes, le corps humain peut supporter sans danger une intensité de l'ordre de $0.01\,A$ sous $25V$ alternatif. Au-delà, il peut y avoir des risques. Il est donc indispensable d'éviter le contact avec des parties de circuits électriques portées à des tensions élevées par rapport au sol. Ces précautions sont précisées par des normes $st$ 

                                                      

1.1. Donner un titre à ce texte

 

1.2. Définir les termes soulignés du texte

 

1.3. Quels avantages présentent une distribution triphasée par rapport à une distribution monophasée ?

 

1.4. Pourquoi quelle raison le courant est transporté sous très haute tension ?

 

1.5.  Quels dispositifs de protection utilise-t-on pour éviter les dangers liés au transport du courant ?

Choisir le mot correct parmi les mots mis entre parenthèses

 

2.1. Le déplacement d'un aimant au voisinage d'une bobine produit une tension (constant/variable) aux bornes de la bobine

 

2.2. Le signe de la tension aux bornes d'une bobine (change/ne change pas) lorsque l'on approche puis l'on éloigne un aimant de cette bobine

 

2.3. Un alternateur transforme l'énergie (électrique/mécanique) en énergie (mécanique/ électrique)

 

2.4. La turbine d'une centrale hydraulique est mise en rotation par un jet (eau/air)

 

2.5. La turbine d'une centrale (thermique/éolienne) est mise en rotation un jet de vapeur d'eau 

 

2.6. Un alternateur (consomme/convertit) de l'énergie

 

2.7. Le charbon, le fioul et le gaz sont des sources d'énergie (non renouvelables/renouvelables)

Choisir la bonne réponse

 

3.1. Lorsqu'on approche un aimant d'une bobine reliée à un voltmètre, l'écran d'un voltmètre affiche :

 

a. une tension                          

 

b. un courant                        

 

c. une résistance

 

3.2. L'aimant d'un alternateur de bicyclette est appelé :

 

a. Stator                                      

 

b. Rotor                     

 

c. Collector

 

3.3. L'alternateur convertit l'énergie mécanique en énergie :

 

a. Thermique                             

 

b. Chimique                                

 

c. Électrique

 

3.4. La partie commune à toutes les centrales électriques est :

 

a. La turbine                                       

 

b. La source d'énergie                           

 

c. L'alternateur 

 

3.5. Une source d'énergie renouvelable est :

 

a. Le charbon                                       

 

b. L'uranium                                

 

c. L'eau 

 

3.6. La partie fixe de l'alternateur est :

 

a. Le stator                                

 

b. Le rotor                                   

 

c. La turbine

On désire alimenter un chantier sous une tension sinusoïdale de valeur efficace $230V$, à partir d'une ligne monophasée $15kV$, en utilisant un transformateur suppose parfait dont la plaque signalétique porte les indications suivantes : $15000V/230V$ ; $15kVA$ ; $50Hz.$

 

4.1. Donner la signification des quatre valeurs figurant sur la plaque signalétique.

 

4.2. Calculer : 

 

4.2.1. Les valeurs efficaces des intensités nominales des courants primaire et secondaire, notées $I_{1}$ et $I_{2}$

 

4.2.2. Le rapport de transformation.

 

4.2.3. Le nombre de spires du primaire si le secondaire en comporte $36.$

 

4.3. Lorsque l'ensemble des outillages est sous tension, le chantier absorbe une puissance moyenne de $14kW$ avec un facteur de puissance égale à $k=0.8.$

 

4.3.1. Calculer pour l'installation la puissance apparente.

 

4.3.2. Le transformateur précédemment étudié peut-il être utilise pour alimenter la totalité du chantier ? 

 

Justifier votre réponse. 

$$\text{Durée : 3\,heures}$$
 

 

 

1) Lisons les résultats donnés par les dynamomètres dans les cas suivant.

 

 

Les dynamomètres indiquent respectivement $3.5\;N\;;\ 0.3\;N\;;\ 6\;N\ $ et $\ 0.05\;N$

 

2) Une force dont l'intensité est égale à $125\;N$ est représentée par un vecteur qui mesure $5\;cm.$

 

Déterminons es mesures des longueurs des vecteurs qui représenteraient des forces de $25\;N\;,\ 300\;N\;,\ 480\;N$

 

On a :

 

$\dfrac{\ell}{F}=\dfrac{5\;cm}{125\;N}\ \Rightarrow\ \ell=\dfrac{5\;cm}{125\;N}\times F$

 

Ainsi,

 

pour $F=25\;N$ on a : $\ell=\dfrac{5\;cm}{125\;N}\times 25\;N=1\;cm$

 

pour $F=300\;N$ on a : $\ell=\dfrac{5\;cm}{125\;N}\times 300\;N=12\;cm$

 

pour $F=480\;N$ on a : $\ell=\dfrac{5\;cm}{125\;N}\times 480\;N=19.2\;cm$

 

3) On a représenté des forces par des vecteurs. 

 

 

Classons celles qui ont une ou plusieurs caractéristiques communes : direction, sens,....

$$\begin{array}{|l|l|}\hline&\text{Forces}\\\hline\text{Même direction}&\vec{F}_{1}\;,\ \vec{F}_{2}\;,\ \vec{F}_{4}\;,\ \vec{F}_{3}\\\hline\text{Même sens}&\vec{F}_{1}\;,\ \vec{F}_{2}\ \text{ et }\ \vec{F}_{4}\;,\qquad\vec{F}_{6}\ \text{ et }\ \vec{F}_{5}\\\hline\text{Même intensité}&\vec{F}_{3}\;,\ \vec{F}_{5}\ \text{ et }\ \vec{F}_{6}\;,\qquad\vec{F}_{1}\ \text{ et }\ \vec{F}_{4}\\\hline\end{array}$$

1) Anna est sur une luge tirée par Arthur avec une force $\vec{F}_{1}$ et poussée par Alain avec une force $\vec{F}_{2}.$

 

 

Sachant que l'échelle utilisée est de $1\;cm$ pour $50\;N$, caractérisons $\vec{F}_{1}\ $ et $\ \vec{F}_{2}.$

$$\begin{array}{|l|l|l|l|c|}\hline\text{Force}&\text{Point}&\text{Direction}&\text{Sens}&\text{Valeur (N)}\\&\text{d'application}&&&\\\hline&\text{Point de}&\text{Portée vers}&\text{vers le}&\\\vec{F}_{1}&\text{contact}&\text{la corde}&\text{haut}&120\;N\\&\text{doigts et fil}&&&\\ \hline\vec{F}_{2}&\text{Anna}&\text{horizontal}&\text{vers la}&205\;N\\&&&\text{droite}&\\ \hline\end{array}$$

2. On s'intéresse à la force $\vec{F}$ exercée par l'athlète sur l'anneau.

 

2.1. Donnons la nature de l'action.

 

L'action est une action répartie

 

2.2. Caractérisons et représentons la force $\vec{F}$ de valeur $450\;N.$

 

$$\begin{array}{|l|l|l|l|c|}\hline\text{Force}&\text{Point}&\text{Direction}&\text{Sens}&\text{Valeur (N)}\\&\text{d'application}&&&\\\hline\vec{F}&\text{contact doigts}&\text{verticale}&\text{dirigé vers}&450\;N\\&\text{et anneau}&&\text{le bas}&\\ \hline\end{array}$$

 

Représentation

 

Échelle : $1\;cm$ pour $150\;N$

 

 

3. Traçons en rouge et nommons les zones de contact

 

 

3.1. La force $\vec{F}_{1}$ qui exerce le marteau sur le clou est répartie sur la surface contact entre le marteau et le clou

 

3.2. La force $\vec{F}_{2}$ qui exerce le clou sur la planche est localisée au point de contact entre le clou et la planche

 

3.3. La force $\vec{F}_{3}$ qui exerce la planche sur l'établi est répartie sur la surface de contact entre la planche et l'établi

Exercice 4

Exercice 5

 

 

1. Exprimons, puis calculons l'énergie cinétique de l'autoporteur en $A.$

 

$\begin{array}{rcl} E_{C_{A}} &=&\dfrac{1}{2}mV_{A}^{2}\\ &=&\dfrac{1}{2}\times 600\cdot 10^{-3}\times 6^{2} \\\Rightarrow E_{C_{A}} &=&10.8J \end{array}$

 

2. Inventaire des forces extérieures agissant sur l'autoporteur au cours de la phase $AB.$

 

Les forces extérieures sont : $\overrightarrow{P}$ et $\overrightarrow{R}$

 

3. a) Définition d'un système pseudo-isolé ;

 

Un système pseudo-isolé est un système soumis à des forces qui se compensent.

 

b) L'autoporteur est pseudo-isolé au cours de la phase $AB$, car, pendant cette phase les forces se compensent.

 

Par contre, pendant la phase $BD$, les forces ne se compensent plus, et le système n'est plus pseudo-isolé

 

c) Déduction de la vitesse du centre d'inertie du mobile en $B$

 

Le théorème de l'énergie cinétique s'écrit :

 

$\begin{array}{rcl} \Delta BC &=& \sum\,W\left(\overrightarrow{F}_{extérieurs}\right)\\\Rightarrow\;E_{CB}-E_{CA}&=&W_{AB}\left(\overrightarrow{P}\right)+W_{AB}\left(\overrightarrow{R}\right) \\\Rightarrow\dfrac{1}{2}mV_{B}^{2}-\dfrac{1}{2}mV_{A}^{2}&=&0+0\\\Rightarrow\dfrac{1}{2}mV_{A}^{2}&=&\dfrac{1}{2}mV_{B}^{2}\\\Rightarrow\;V_{B}^{2}&=&V_{A}^{2}\\\Rightarrow\;V_{B}&=&V_{A}\\ \Rightarrow\;V_{B}&=&6m\cdot s^{-1} \end{array}$

 

4. Calcul du travail du poids de l'autoporteur et le travail de l'action $R$ du plan sur l'autoporteur au cours du déplacement $BC_{1}$

 

$\begin{array}{rcl} W_{BC_{1}}\left(\overrightarrow{P}\right) &=&\overrightarrow{P}\cdot\overrightarrow{BC_{1}}\\ &=&-mgBC_{1}\sin\alpha\nonumber\\ &=&-600\cdot 10^{-3}\times 10\times 1\times\sin 30^{\circ} \\ \Rightarrow\;W_{BC_{1}}\left(\overrightarrow{P}\right) &=&-3.0J \end{array}$

 

$W_{BC_{1}}\left(\overrightarrow{R}\right)=\overrightarrow{R}\cdot\overrightarrow{BC_{1}}=0\left(\overrightarrow{R}\perp\overrightarrow{BC_{1}}\right)$

 

5. Déduction de $V_{c_{1}}$

 

Le théorème de l'énergie cinétique au solide entre les instants $t_{B}$ et $t_{C_{1}}$ s'écrit :

 

$\begin{array}{rcl} E_{C_{c_{1}}}-E_{C_{B}}&=&W_{BC_{1}}\left(\overrightarrow{P}\right)+W_{BC_{1}}\left(\overrightarrow{R}\right)\\\Rightarrow\dfrac{1}{2}mV_{C_{1}}^{2}-\dfrac{1}{2}mV_{B}^{2}&=&-mgBC_{1}\sin\alpha+0\\\Rightarrow\;V_{C_{1}}^{2}-V_{B}^{2}&=&-2gBC_{1}\sin\alpha\\\Rightarrow\; V_{C_{1}}^{2}&=&V_{B}^{2}-2gBC_{1}\sin\alpha\\\Rightarrow\; V_{C_{1}} &=&\sqrt{V_{B_{1}}-2gBC_{1}\sin\alpha}\\ \Rightarrow\; V_{C_{1}}&=&\sqrt{6^{2}-2\times 10\times 1\times\sin 30^{\circ}}\\\Rightarrow\;V_{C_{1}} &=&5.1\,m\cdot s^{-1} \end{array}$

 

6. Déduction de $BC_{2}$ la distance parcourue par le mobile avant de rebrousser chemin en $C_{2}.$

 

$\begin{array}{rcl} E_{C_{c_{1}}}-E_{C_{B}} &=& W_{BC_{2}}\left(\overrightarrow{P}\right)+W_{BC_{2}}\left(\overrightarrow{R}\right)\\\Rightarrow\;0-\dfrac{1}{2}mV_{B}^{2} &=&-mgBC_{2}\sin\alpha+0 \\\Rightarrow \;-V_{B}^{2} &=& -2gBC_{2}\sin\alpha\\\Rightarrow\; 2gBC_{2}\sin\alpha &=&V_{B}^{2} \\\Rightarrow\;  BC_{2} &=&\dfrac{V_{B}^{2}}{2g\sin\alpha}\\\Rightarrow\;BC_{2} &=&\dfrac{6^{2}}{2\times 10\sin 30^{\circ}}\\\Rightarrow \;BC_{2} &=&3.6\,m \end{array}$

 

1.1. Bilan des forces qui s'appliquant sur le mobile au point $M$ sont : $\overrightarrow{P}$ et $\overrightarrow{R}.$

 

1.2. Expression du travail de chacune des forces, au point $M$, en fonction de $m$, $g$, $r$ et $\theta.$

Exercice 3 Voiture tremplin

Exercice 4

 

Les dipôles, encore appelés générateurs, sont des dipôles grâce auxquels un courant électrique peut circuler dans un circuit.

 

Pour qu'un circuit fermé soit parcouru un courant, il faut qu'il comporte au moins un dipôle actif.

On appelle graphe caractéristique d'un dipôle actif le graphe de la fonction qui lie la tension $U$ entre ses bornes au courant $I$ qu'il débite dans une charge.

 

Le circuit comporte :

 

$-\ $un générateur qui fournit le courant électrique

 

$-\ $un voltmètre monté en dérivation permettant la tension aux bornes de la pile

 

$-\ $un ampèremètre qui l'intensité du courant

 

$-\ $et rhéostat permettant de régler l'intensité débitée par la pile