Solutions des exercices : Mouvement d'une particule chargée dans un champ magnétique uniforme - Ts

Classe: 
Terminale
 

Exercice 1

1) a) Détermination de l'expression littérale de la vitesse v en A d'un ion de masse m et de charge q en fonction de m, e et U
 
Système étudié : l'ion 
 
Référentiel d'étude : terrestre
 
Bilan des forces appliquées : 
 
 la force électrique F 
 
 le poids négligeable P devant la force électrique
 
Le théorème de l'énergie cinétique entre S et A s'écrit :
 
ΔEC=WFEXTECAECS=WSA(F)12mv2A0=2eUvA=2eUm 
 
b) Montrons que les deux ions 20080Hg2+ et 20280Hg2+ émis par S arrivent en A avec des vitesses différentes.
 
Ayant la même charge et accélérés par le même champ, la vitesse des ions ne dépend que de leur masse. Ce qui explique bien la différence de vitesse des ions lorsqu'ils arrivent en A.
 
2) a) Établissement de l'expression de R en fonction de m, e, ||B|| et ||V|| puis en fonction de m, e, ||B|| et U.
 
 
Système étudié : l'ion 
 
Référentiel d'étude : terrestre supposé galiléen
 
Bilan des forces appliquées : 
 
 la force magnétique Fm  
 
 le poids négligeable P devant la force magnétique
 
La deuxième de Newton s'écrit : 
 
Fm=ma
 
2evB
 
a=2evBm
 
vFmat=0a=anan=v2R=2evBmR=mv2eBorv=2eUmR=m2eUm2eBR=12B2mUe 
 
b) Calcul de R1 et R2
 
R1=12B2m1Ue=12×0.22×3.321025×6001.61019R1=0.124m 
 
R2=12B2m2Ue=12×0.22×3.351025×6001.61019R2=0.125m
 
La distance IF entre les deux points d'impact
 
IF=2(R2R1)=2(0.1250.124)IF=0.002m

Exercice 2

 
1.1. Expression de la force agissant sur le proton en O 
 
Fm=qPv0B soit en module Fm=qPv0B
 
1.2. Montrons que la valeur de la vitesse est constante
 
vFmat=0at=dvdt=0v=cte 
 
1.3. Montrons que la trajectoire est circulaire de rayon R0=mPqPBV0 
 
at=0a=anan=v20R0=qPv0BmR0=mPv0qPB
 
Le rayon est constant, le mouvement est donc circulaire
 
2.1. Expression de la longueur parcourue par un proton sur le demi-tour de rayon R0
l=πR0=πmPv0qPB
 
2.2. Expression du temps t mis par ce proton pour effectuer ce demi-tour
 
t=lv0=πmPv0qPBv0t=πmPqPB
 
2.3. Ce temps est indépendant de la vitesse d'entrée du proton dans le «dee»
Calcul de la valeur de t.
 
t=πmPqPB=π×1.6710271.61019×1.0t=3.3108s
 
3. Calcul de la fréquence f
 
f=12t=12×3.3108f=15108s
 
4.1. Expression littérale de la variation d'énergie cinétique ΔEc du proton
 
Le théorème de l'énergie cinétique s'écrit :
 
ΔEc=WFEXTΔEc=WSA(F)=qPUM
 
Calcul de la variation d'énergie cinétique ΔEc du proton
 
ΔEc=qPUM=1.61019×2103ΔEc=3.21016J
 
ΔEc=qPUMeΔEc=2103eV
 
(e=qP=1.61019C)
 
4.2. Le rayon de la trajectoire du proton augmente à chaque fois qu'il traverse l'intervalle étroit puisque le rayon de la trajectoire augmente avec la vitesse. 
 
5. Calcul du nombre de tours que le proton décrits dans le cyclotron.
 
Le nombre de tours correspond à l'énergie finale de la particule divisée par l'énergie acquise à chaque tour.
 
n=ΔEcf2ΔEc=12mPv202ΔEcn=1.671027×(2107)24×3.21016=552tours
 
6. Calcul de la valeur du rayon 
 
R=mPvqPB=1.671027×21071.61019×1.0R=0.21m

Exercice 3 : Utilisation d'un spectrographe de masse

 
1) Expression de la force magnétique s'exerçant sur l'ion X+.
 
Fm=evB soit en module Fm=evB
 
Représentation sur un schéma du vecteur force Fm (Voir figure)
 
Sens du vecteur champ magnétique B (Voir figure)
 
2) Démontrons que le mouvement de l'ion X+ dans la zone IV est plan et uniforme
 
Système étudié : l'ion 
 
Référentiel d'étude : terrestre supposé galiléen
 
Bilan des forces appliquées : 
 
 la force magnétique Fm 
 
 le poids négligeable P devant la force magnétique
 
Le théorème du centre d'inertie s'écrit :
 
Fm=maevB=maa=evBm
 
aB ; vB et av 
 
La trajectoire est contenue dans un plan orthogonal B. 
 
Le mouvement est donc plan.
 
avat=0
 
at=dvdt=0v=cte 
 
Le mouvement est uniforme
 
3) Montrons que l'ion X+ décrit dans cette zone un arc de cercle.
 
at=0an=aan=av2R=evBmR=mveB=cte
 
L'ion X+ décrit donc dans cette zone un arc de cercle
 
4) Expression le rayon du cercle trajectoire en fonction de U, m, e et B.
 
R=mveBor v=2eUmR=m2eUmeBR=1B2mUe
 
5) Masse de l'ion X+
 
O3A=2R=2B2mUeO3A2=4B2×2mUem=eB2O3A28U=1.61019×(1.80)2×(0.069)28×8.00103m=3.861026Kg 
 
Identification de la substance X.
 
m=AmPA=mmPA=3.8610261.671027=23 
 
L'élément est le sodium de symbole Na  

Exercice 4 : spectromètre de masse

 
a) Valeur du champ électrique E
 
Les particules ne sont pas déviées lorsque les deux forces électrique et magnétique auxquelles sont soumises se compensent.
 
Fe+Fm=0qE+qvB=0E=vBE=vBv=EB=6.41060.32v=20.106ms1
 
Il ne se passe rien si q change de signe puisque cette vitesse est indépendante de la charge.
 
b) i) Montons que les particules de même rapport qm décrivent des trajectoires circulaires de même rayon R. 
 
Fm=qvB=ma|q|vB=man|q|vB=m|v2|R|q|m=vRB 
 
v=cte, m=cte ; si |q|m=cteR=cte
 
Les particules de même rapport q/m décrivent des trajectoires circulaires de même rayon R.
 
Calcul de R.
 
Le signe q détermine le sens de la déviation.
 
ii) Montrons que R=(d2+a2)/2d.
 
R2=a2+x2 or R=d+XX=RdR2=a2+(Rd)2R2=a2+R22dR+d22dR=a2+d2R=a2+d22d 
 
Valeur de q/m
 
qm=vRB=2dvB(a2+d2)=2×10102×201060.32×((5.0102)2+(10102)2)qm=48106CKg1
 
Identification des particules
 
qm=48106CKg1m=q48106AmP=q48106A=q48106mP=q48106×1830me=1.6101948106×1830×9.11031A=2  
 
Les particules sont des deutériums 

Exercice 5 

 
1) Établissement de l'expression de r1 et r2 en fonction de q, m, B et des vitesses respectives v1 et v2 de la particule.
 
Fm=man=mv2r=qvBr=mvqBnonumberr1=mv1qBetr2=mv2qB
 
r13=r2r2=3r1r2>r1mv2qB>mv1qBv2>v1
 
Lorsque la particule ralentit, sa vitesse diminue. La particule se déplace de II vers de I
Détermination de v1 et v2.
 
v2=2107ms1
 
r=mvqBqBm=vr
 
v1r1=v2r2v1=r1v2r2=13×2107v1=6.7106ms1 
 
2) Le signe de la particule est positif. Le trièdre doit être direct et la particule se déplace   de II vers de I
 
3) Calcul de la charge massique qm
 
qm=vr2B=2.01073×14102×0.50qm=9.5107CKg1
 
Identification de la particule
 
qm=9.5107CKg1q=9.5107mZe=9.5107mZ=9.5107me=9.5107×1.6710271.61019 
 
Z=1 La particule est un proton 

Exercice 6

 
1) a) La tension doit être établie de façon que la plaque P2 soit chargée négativement.
 
b) Montrons que l'énergie cinétique, est indépendante de l'isotope envisagé.
 
Système étudié : l'ion 
 
Référentiel d'étude : terrestre
 
Bilan des forces appliquées : 
 
 la force électrique F
  
 le poids négligeable P devant la force électrique
 
Le théorème de l'énergie cinétique entre P1 et P2 s'écrit :
 
ΔEc=W(F)=2eUECp20=2eUECp2=2eU
 
L'énergie cinétique, ne dépend que de la tension accélératrice
 
ECp2=2eU=2×1.61019×1000ECp2=3.21016J
 
c) Calcul de la vitesse acquise par les ions 12954Xe+
 
12mv2=ECp2v=2ECp2129mP=2×3.21016129×1.671027v=5.45104ms1 
 
d) Expression, en fonction de x et v, de la vitesse v acquise par les ions x54Xe+ en O2
 
12×129mPv2=2eU ;
 
12xmPv2=2eU12xmPv2=12×129mPv2v=v129x
 
2) Séparation des ions
 
a) Montrons que le mouvement est plan, circulaire et uniforme
 
Système étudié : l'ion
 
Référentiel d'étude : terrestre supposé galiléen
 
Bilan des forces appliquées : 
 
 la force magnétique Fm
 
 le poids négligeable P devant la force magnétique
 
Le théorème de centre d'inertie s'écrit :
 
Fm=maevB=maa=evBm
 
aB ; vBetav 
 
La trajectoire est contenue dans un plan orthogonal B  
 
Le mouvement est donc plan
 
avat=0at=dvdt=0v=cte
 
Le mouvement est uniforme
 
at=0an=aan=av2R=evBmR=mveB=cte
 
Le mouvement est circulaire
 
Expression du rayon de courbure R. 
 
R=mveB=129×1.671027×5.451041.61019×0.1R=0.734m
 
b) Valeur de x
 
AB=2R2R=2(xmPveB129mPveB)=2(xmPeBv129x129mPveB)=2(mPeBv129x129mPveB)mPeBv129x=AB2+129mPveB129x=eBAB2mPv+129x=1129(eBAB2mPv+129)2=1129(1.61019×0.1×81022×1.671027×5.45104+129)2x=143

 

Commentaires

Je pense que y'a erreurs au niveau l'exo1 pour l'exp de Va je pense que c'est √4eu÷m au lieu de √2eu÷m

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