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  • Publié le : 18 mars 2010
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Classe de TS Physique

Devoir surveillé

Devoir surveillé : mécanique de Newton et piles
Durée : 1H Exercice n°1φ : Un mobile autoporteur sur plan incliné : 8pts

On abandonne, sans vitesse initiale, un mobile autoporteur de centre d’inertie G, de masse m, sur une table inclinée d’un angle α par rapport à l’horizontale. Un dispositif d’étincelage permet d’enregistrer sur une feuille fixéesur la table les différentes positions occupées par le centre d’inertie G à des intervalles de temps réguliers et espacés de τ =60ms (figure 1). On obtient l’enregistrement de la figure 2 (aucune mesure n’est à faire à partir de cette reproduction réduite). Le repère d’espace aura pour origine O, position occupé par G quand le mobile est abandonné, et pour vecteur unitaire de base i porté par latrajectoire et orienté dans le sens du mouvement y
j O
Figure 1

i

x
Figure 2

A partir d’un instant t quelconque du mouvement, on a relevé les valeurs prises par la vitesse du centre d’inertie G du mobile : Date V (m/s) t 0,395 t+ τ 0,412 t+2 τ 0,429 t+3 τ 0,446 t+4 τ 0,463 t+5 τ 0,479 t+6 τ 0,497 t+7 τ 0,514 t+8 τ 0,531 t+9 τ 0,548

LA COURBE OBTENUE EST DONNEE EN ANNEXE 1. Déduire dugraphe obtenu la valeur de l’accélération aG puis donner toutes les caractéristiques du vecteur aG . 2pts 2. A propos des forces s’exerçant sur le mobile : 2.1. Effectuer le bilan des forces qui s’exercent sur le mobile en l’absence de tout frottement. 0.5pt 2.2. Montrer que les projections du poids sur les deux axes sont : mg sin α sur l’axe Ox et – mg cos α sur l’axe Oy. 1pt 2.3. En déduire lasomme vectorielle des forces sur chaque axe. 1pt 3.1. Par application de la deuxième loi de Newton, montrer que l’expression littérale de l’accélération du mobile, si l’on admet qu’il n’existe aucun frottement entre le mobile et la table, est a = g sin α. 1pt 3.2. Après avoir fait l‘application numérique de cette accélération, comparer cette valeur à celle obtenue expérimentalement et constaterl’existence de frottements entre la table et le mobile. 1pt

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4. On peut décomposer l’action de la table en deux composantes. On désigne par f (les frottements) la composante tangente à la trajectoire du centre d’inertie G du mobile et par RN la composante normale. On appelle alors coefficient de frottement dynamique d’un solide sur un support, lenombre k f défini comme suit : k= RN En utilisant les résultats obtenus aux précédentes questions et la deuxième loi de Newton (projetée sur les deux axes) calculer la valeur de k, la comparer aux valeurs proposées ci-dessous et conclure : Acier sur acier : k ≈0,1 Téflon sur acier : k ≈0,04 1.5pts Métal sur glace : k ≈0,02
Données : sin( α )=3,41.10-2 et g = 9,81 N.kg-1.

Exercice n°2χ :Constitution et étude d’une pile :
Données :

15pts



Réaction entre le métal cuivre et l'ion argent (I) : Équation : 2 Ag+(aq) + Cu(s) = 2 Ag(s) + Cu2+(aq) Constante d'équilibre associée : K = 2,2.1015 Unités : 1 Faraday = 96,5.103 C.mol-1 1 A.h = 3,6.103 C

• • •

Masse molaire du cuivre : 63,5 g.mol-1 Définition : La capacité, noté χ , d'une pile est la quantité maximale d'électricitéqu'elle peut fournir avant d'être usée .

Expérience préalable : On mélange dans un même bécher une solution de nitrate d’argent et une solution de nitrate de cuivre II. Les concentrations des ions argent et cuivre dans ce bécher sont les suivantes : [Ag+] = 5,0.10-2 mol.L-1 et [Cu2+]= 2.5.10-2 mol.L-1 On ajoute dans ce bécher une lame de cuivre et un fil d’argent.

1. Appliquer le critèred’évolution spontanée à ce système chimique en considérant la réaction écrite dans les données. En déduire dans quel sens le système évolue. 1pt
On dispose du matériel suivant : - Un petit bécher contenant un volume V1 = 20 mL de solution de nitrate d'argent de concentration C1 = 1,0.10-1 mol.L-1. - Un petit bécher contenant un volume V2 = 20 mL de solution de nitrate de cuivre de concentration C2 =...
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