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Exercices Objectif Bac
P.381-382

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Objectif
Pictogramme de Bac





Comprendre les attendus

31
Montgolfière à surpression nulle

REA : Appliquer une formule
APP : Faire des prévisions à l’aide d’un modèle

montgolfiere

La montgolfière est composée d’un ballon de masse m0=15m_{0} = 15 kg, de volume maximal Vmax=2000V_{max} = 2\,000 m3 et est remplie initialement avec m1=100m_{1} = 100 kg d’hélium, considéré comme un gaz parfait. Elle comporte aussi une nacelle contenant les équipements scientifiques de masse m2=80m_{2} = 80 kg.
L’atmosphère est supposée à l’équilibre et à la température T=300T = 300 K. La pression atmosphérique vaut p(z)=p0exp(zz0)p(z)=p_{0} \cdot \exp \left(-\dfrac{z}{z_{0}}\right) avec z0z_{0} une altitude de référence égale à z0=8z_{0} = 8 km. La pression dans le ballon est toujours égale à la pression atmosphérique. Son volume initial est inférieur à 20002\,000 m3 et augmente lorsque le ballon gagne de l’altitude. Si le volume devait dépasser cette limite, pour éviter l’explosion, le surplus de gaz serait alors évacué par une soupape.


1. Exprimer la masse volumique d’un gaz parfait en fonction de p(z)p(z), TT et M(He)M(\text{He}). En déduire le volume initial du ballon.


2. Calculer la valeur de la poussée d’Archimède. À l’aide d’un bilan des forces, justifier l’envol.


3. Exprimer le volume du ballon en fonction de l’altitude.


4. Lorsque V=VmaxV = V_{max}, exprimer la masse d’hélium dans le ballon en fonction de l’altitude, puis déterminer l’altitude d’équilibre du ballon, en justifiant.


Données

    • Constante des gaz parfaits : R=8,314R = 8{,}314 J·K-1·mol-1
    • Masses molaires : M(He)=4,0M(\mathrm{He}) = 4{,}0 g·mol-1 et M(air)=29,0M(\mathrm{air}) = 29{,}0 g·mol-1
    • Pression atmosphérique : p0=1013p_{0} = 1\,013 hPa
    • Intensité de pesanteur : g=9,81g = 9{,}81 N·kg-1



Détails du barème

TOTAL / 7,5 pts
1. Donner l’équation des gaz parfaits.
0,5 pt
Calculer la masse volumique.
0,5 pt
Calculer le volume.
0,5 pt
2. Calculer la valeur de la poussée d’Archimède.
1 pt
Effectuer le bilan des forces.
0,5 pt
3. Calculer le volume pour V<VmaxV \lt V_{\rm{max}}.
1,5 pt
4. Calculer la masse d’hélium.
1 pt
Calculer l’altitude d’équilibre.
2 pts
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32
Consommation d’un porte‑conteneurs

RAI/MOD : Utiliser avec rigueur le modèle de l’énergie
RAI/ANA : Construire un raisonnement

Le Saint‑Exupéry est le plus grand porte‑conteneurs français. Il est modélisé par un parallélépipède rectangle d’une longueur de L=400L = 400 m, d’une largeur l=50l = 50 m et d’une hauteur moyenne de 2525 m.

1. Lorsqu’il est vide, il s’enfonce dans l’eau de hv=2,0h_{\rm{v}} = 2{,}0 m. Calculer sa masse.


2. En pleine charge, la hauteur d’enfoncement vaut hc=16h_{\rm{c}} = 16 m. Calculer la masse de conteneurs chargés.


Les forces de frottement du bateau avec la mer sont modélisées par une force de valeur F=ρeau CxLhv2F=\rho_{\text {eau }} \cdot C_{\text {x}} \cdot L \cdot h \cdot v^{2}, avec CxC_{\text {x}} un coefficient valant Cx=0,007C_{\text {x}} = 0{,}007.

3. Réaliser un bilan des forces sur le bateau. Exprimer l’énergie nécessaire pour parcourir une distance dd, puis la puissance des forces de frottement.


Le pouvoir calorifique du fioul lourd est de 5050 MJ·kg-1.

4. Calculer la masse de combustible consommée par le porte‑conteneurs à charge, puis à vide, pour une vitesse de 4141 km·h-1 et pour une distance de 100100 km.


5. Calculer la consommation du porte‑conteneurs à charge, puis à vide, pour une vitesse de 3535 km·h-1.


6. Calculer le pourcentage d’économie réalisée.


Pollution maritime
Le secteur maritime est un des secteurs les plus polluants de la planète à cause de ses émissions de CO2\mathrm{CO_2}. De plus, la faible qualité des fiouls marins en fait une source importante de pollution au protoxyde d’azote et au dioxyde de soufre.
Pollution maritime

Toutefois, le transport maritime pollue environ dix fois moins rapporté à la masse transportée par la distance parcourue que le transport par camion.
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33
Vol du Cessna

APP : Faire un schéma
APP : Extraire l’information utile

Vol du Cessna


Le schéma ci-dessus montre les lignes de courant de l’écoulement autour d’une aile d’avion se déplaçant à v0=90v_{0} = 90 km·h-1, de longueur L=10L = 10 m. Chaque ligne de courant est espacée de 2020 cm à l’abscisse x=0x = 0 m.
L’écoulement est stationnaire et incompressible. La pression loin de l’aile est p0=1013p_{0} = 1\,013 hPa. On se place dans le référentiel de l’avion.

1. À l’aide de la conservation du débit volumique, calculer la vitesse moyenne de l’écoulement audessus et en dessous de l’aile. Mesurer sur le dessin l’écartement entre les lignes de courant.


2. À l’aide de la relation de Bernoulli, calculer la différence de pression entre le bas de l’aile et le haut de l’aile.


3. Calculer la force de portance sur l’aile. La largeur ll sera évaluée à l’aide du schéma.


4. L’avion a une masse de 800800 kg. En réalisant un bilan des forces, calculer la vitesse minimale vminv_{\rm{min}} pour que l’avion décolle.


5. En altitude ρair(z)=ρair(0)exp(zz0)\rho_{\mathrm{air}}(z)=\rho_{\mathrm{air}}(0) · \exp \left(-\dfrac{z}{z_{0}}\right) avec z0=8z_{0} = 8 km. Calculer l’altitude maximale que l’avion peut atteindre, en supposant que la vitesse v0v_{0} reste inchangée.


Pour mesurer la vitesse de l’avion, le pilote utilise un tube de Pitot (Doc. 2 (⇧)) muni de deux manomètres pour mesurer les pressions pAp_{\rm{A}} et pBp_{\rm{B}}.

6. Justifier pourquoi on peut considérer vA=0v_{\rm{A}} = 0 m·s-1.


7. À l’aide de la relation de Bernoulli, exprimer la relation entre la vitesse de l’avion et la différence de pression mesurée. On prendra ρair(z)=ρair(0)\rho_{\mathrm{air}}(z)=\rho_{\mathrm{air}}(0).


8. Si la même mesure est réalisée au sol et à une altitude de 55 km, prévoir la différence de vitesse lue. Utiliser la formule pour la masse volumique de l’air donnée en question 5.
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Données
  • Masse volumique de l’air : ρair=1,23\rho_{\mathrm{air}}=1{,}23 kg·m-3

Doc 1
Aile d’avion


Avion

Doc 2
Schéma d’un tube de Pitot

Schéma d’un tube de Pitot

Supplément numérique

Cliquez ici pour visualiser l'écoulement de l'air autour d'un profil d'aile.

34
Atmosphère isotherme

RAI/ANA : Construire un raisonnement
REA/MATH : Résoudre une équation différentielle
Atmosphère isotherme

L’air est un gaz compressible, considéré comme un gaz parfait, à la température de 300300 K. Il obéit donc à l’équation d’état du gaz parfait pV=nRTp \cdot V=n \cdot R \cdot T. Pour modéliser l’atmosphère, en l’absence de mouvement, on considère un petit cylindre de section SS et de hauteur dz\mathrm{d}z, situé entre zz et z+dzz + \mathrm{d}z.

1. Exprimer la masse volumique ρ\rho de l’air, sous la forme ρ=αp\rho=\alpha \cdot p, en justifiant, et exprimer α\alpha en fonction des paramètres du système.


En faisant un bilan des forces sur le cylindre et en supposant que dz\mathrm{d}z tend vers 00, on peut montrer que dpdz=βp\dfrac{\mathrm{d} p}{\mathrm{d} z}=-\beta \cdot p.

2. Résoudre cette équation différentielle en prenant p(0)=p0p(0)=p_{0} et exprimer β\beta.




Définition mathématique de la dérivée
La dérivée d’une fonction ff est la fonction qui à xx associe le nombre dérivé f(x)f^{\prime}(x) défini par :
f(x)=limh0f(x+h)f(x)hf^{\prime}(x)=\lim\limits_{\substack{h \to 0}} \dfrac{f(x+h)-f(x)}{h}
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Supplément numérique

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