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Exercices Objectif Bac
P.311-312




Objectif
Pictogramme de Bac




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Comprendre les attendus
Pictogramme calculatrice non autorisée

29
Lancement d’un satellite météorologique

REA/MATH : Intégrer
APP : Faire des prévisions à l’aide d’un modèle

D’après le sujet Bac S, Métropole, 2008.

Pour ce lancement, la fusée Ariane 5 a une masse totale . Sa propulsion est assurée par un ensemble de dispositifs fournissant une force de poussée verticale constante. On étudie le mouvement du système {fusée} dans le référentiel terrestre et on choisit un repère dans lequel est un vecteur unitaire vertical dirigé vers le haut et porté par l’axe .
À l’instant s, Ariane 5 est immobile. On assimile son étude à celle d’un point M, confondu avec l’origine au moment du décollage. La valeur de l’accélération est donnée par la formule :

Pendant le lancement, on suppose que la valeur de l’accélération reste constante. La trajectoire ascensionnelle de la fusée reste verticale jusqu’à la date s.

1. Montrer que m·s-2 et donner le sens du vecteur .


2. Déterminer l’équation horaire de la valeur de la vitesse.


3. En déduire l’équation horaire de la valeur de la position.


4. Déterminer la distance parcourue par la fusée depuis son décollage.


Données

    • Rapport entre l’intensité de la poussée et la masse totale de la fusée  : N·kg-1
    • Intensité de pesanteur : N·kg-1



Détails du barème

TOTAL / 5 pts
1. Calculer sans utiliser la calculatrice.
1 pt
Préciser le sens de .
0,5 pt
2. Exprimer .
1,5 pt
3. Exprimer .
1,5 pt
4. Calculer l’ascension de la fusée.
0,5 pt
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30
Lancer de poids

APP : Faire des prévisions à l’aide d’un modèle
COM : Rédiger correctement une résolution d’exercice
D’après le sujet Bac S, Nouvelle-Calédonie, 2004.

Lors des Championnats du monde d’athlétisme qui ont eu lieu à Paris en août 2003, le vainqueur de l’épreuve du lancer du poids, Andrei Mikhnevich, a réussi un jet à une distance m.
L’entraîneur de l’un de ses concurrents souhaite étudier ce lancer. Pour cela, il dispose pour le centre d’inertie du boulet, en plus de la valeur 21,69 m du record, de la vitesse initiale mesurée à l’aide d’un cinémomètre et de l’altitude .

Représentation d'un lancer de poids

L’entraîneur a étudié le mouvement du boulet et a obtenu trois graphes :
  • le graphe de la trajectoire du boulet ;
Graphe de la trajectoire y = f(x) du boulet
  • les graphes de et de en fonction du temps et sont les coordonnées horizontale et verticale du vecteur vitesse .

Données

  • Vitesse initiale du boulet : m⋅s-1
  • Hauteur initiale du lancer : m
  • Intensité de pesanteur : N⋅kg-1

Graphes de vx(t) et vy(t)

I. Étude de la projection horizontale du mouvement du boulet

1. Déterminer la composante du vecteur vitesse du boulet à l’instant de date s


2. Caractériser la nature du mouvement de la projection sur l’axe en justifiant la réponse.


3. Déterminer la composante du vecteur vitesse lorsque le boulet est au sommet S de sa trajectoire.


II. Étude des conditions initiales du lancer

1. En utilisant la figure 2, déterminer la composante du vecteur vitesse à l’instant s.


2. À partir des résultats précédents, vérifier que la valeur de la vitesse initiale et celle de l’angle de tir soient compatibles avec les valeurs respectives m·s–1 et °.


III. Étude du vecteur vitesse du boulet

1. Déterminer toutes les caractéristiques du vecteur vitesse du boulet au sommet de la trajectoire.


2. Reproduire, à main levée et sans souci d’échelle, le graphe , puis représenter :
  • le vecteur vitesse du boulet à l’instant du lancer ;
  • le vecteur vitesse du boulet au sommet de la trajectoire.
Dessinez ici

IV. Étude théorique du mouvement

L’accélération du boulet admet comme coordonnées en fonction du temps :


1. Dans le repère d’espace défini en introduction, montrer que les équations horaires de la vitesse s’expriment sous la forme :


 : vitesse initiale du jet (m·s-1)
 : l'angle de tir (°)



2. Dans le repère d’espace défini en introduction, montrer que les équations horaires du mouvement s’expriment sous la forme :





L’équation de la trajectoire s’obtient en isolant dans l’équation horaire , puis en remplaçant par sa nouvelle forme dans l’équation horaire .

3. Vérifier ainsi que l’équation de la trajectoire est de la forme :


4. En déduire la position théorique atteinte par le boulet lorsqu’il touche le sol avec les conditions initiales précédemment évoquées : m·s–1, m et °.


V. Amélioration des performances du lancer

L’entraîneur veut ensuite savoir sur quel(s) paramètre(s) il peut travailler pour améliorer la performance de l’athlète. L’entraîneur décide donc d’étudier l’influence de la valeur de la vitesse initiale du lancer et de l’angle de tir . Il réalise des séries de simulations rassemblées dans les réseaux de courbes correspondants aux graphiques suivants :

Graphique pour v0

L’angle de tir est maintenu constant, soit °.

Graphique pour α

La vitesse est maintenue constante, soit m·s–1

Confronter les graphiques précédents pour en déduire si, parmi les combinaisons proposées, il en existe une satisfaisante pour battre le record du monde. Justifier la réponse.
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A
Saut à la perche

APP : Extraire l’information utile

D’après le sujet Bac S, Antilles, 2019.


schéma 1

Le saut à la perche est un sport d’athlétisme faisant partie des dix épreuves du décathlon. Il est présent aux Jeux Olympiques depuis 1896 pour les hommes, et 2000 pour les femmes. Le saut se déroule en trois phases : prise d’élan, phase ascendante et phase descendante.

Lors de la prise d’élan, le perchiste doit atteindre une vitesse maximale au moment de l’impulsion. S’il l’atteint trop tôt, il risque de ne pas pouvoir la conserver jusqu’à l’impulsion. Pour éviter cela, ce n’est que dans les derniers mètres de la prise d’élan qu’il redouble d’efforts pour atteindre sa vitesse maximale.

représentation graphique

1. Comment peut‑on qualifier le mouvement du perchiste entre 3 s et 4 s ? Relever la vitesse du perchiste.


2. Même question entre 5 s et 7 s.


3. Calculer l’accélération du perchiste entre 5 s et 7 s.
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B
Canon de Paris

VAL : Analyser des résultats

D’après le sujet Bac S, Amérique du Sud, 2019.


Le canon de Paris est l’un des canons les plus célèbres dans l'histoire de l'artillerie. Il a servi à bombarder Paris à la fin de la Première Guerre mondiale. La longueur (36 m) et la masse (100 t) du tube du canon étaient si importantes que les ingénieurs allemands ont dû mettre au point un système de soutènement inédit en artillerie composé de haubans et d’un mât central, comme pour un pont suspendu.

L’obus est propulsé dans la haute atmosphère, où les frottements de l’air sont moindres, avec une élévation égale à 50°. Lors des essais finaux de janvier 1918, le canon tira un obus de 105 kg avec une vitesse de 1 600 m·s-1. Le vol de l’obus a duré 176 s et le point d’impact était à 126 km de distance. Au plus haut de sa trajectoire, l’obus était à 42 km d’altitude, soit la plus haute altitude jamais atteinte à l’époque.

schéma 1

On étudie le mouvement de l’obus dans le repère (voir le schéma ci‑dessus). Le point correspond à la sortie du tube du canon. L’angle entre le tube du canon et le sol correspond à l’élévation citée en introduction. est le vecteur vitesse au moment de l’éjection. Le vecteur accélération est égal à .

1. Déterminer les expressions de et de puis en déduire les équations horaires du mouvement :




2. Déterminer l’équation de la trajectoire.


Dans les questions qui suivent, on cherche à vérifier les valeurs données concernant la portée, la durée de vol et l’altitude maximale. On néglige la longueur du tube du canon et on suppose que l'impact se fait à la même altitude que l’éjection.

3. Justifier que l’on peut négliger la longueur du tube.


4. En utilisant l’équation établie à la question 2, calculer la portée théorique (distance entre le point d’impact et le canon).


5. En utilisant l’équation établie à la question 2, calculer l’altitude maximale théorique.


6. En utilisant l’équation établie à la question 1, calculer la durée du vol.


Donnée

  • Intensité de pesanteur : N·kg-1
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