Oui
Mouvement dans un champ électrique
2e loi de Newton
Sujet Bac Corrigé - Accélérateur de Van de Graaff - Polynésie 2023 Jour 2 - Ex 3 - Corrigé (Physique-chimie)
1 juin 2023
Terminale spécialité
⚡ Quelle vitesse faut-il donner à un proton pour analyser un objet d'art ? L'exercice 3 du bac 2023 de physique-chimie en Polynésie (jour 2), sur 6 points, étudie le principe de l'accélérateur de Van de Graaff.
- Champ électrique : force électrostatique sur le proton et comparaison avec son poids.
- Deuxième loi de Newton : vecteur accélération, équations horaires et vitesse en sortie d'un condensateur.
- Énergie : théorème de l'énergie cinétique et vitesse finale du proton.
Le sujet officiel et le corrigé détaillé sont gratuits en PDF, question par question.
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L'accélérateur de Van de Graaff : un proton dans un champ électrique
L'exercice 3 du bac 2023 de physique-chimie en Polynésie (jour 2) vaut 6 points, soit environ 1 h 03. Il s'appuie sur un accélérateur de particules utilisé pour analyser des objets d'art : des protons sont accélérés à travers une série de condensateurs plans. C'est un exercice de mécanique très classique, qui mobilise la force électrostatique, la deuxième loi de Newton, les équations horaires et le théorème de l'énergie cinétique.
Questions 1 et 2 : la force et le poids
Le proton porte la charge +e, donc F = eE a la direction et le sens du champ : perpendiculaire aux plaques, de la plaque 1 vers la plaque 2. Le vecteur part du proton, pas d'une plaque. À la question 2, on calcule P = mpg = 1,64 × 10−26 N et F = eE = 2,4 × 10−13 N. Le rapport F/P vaut environ 1,5 × 1013 : le poids est négligeable. Pour conclure, il faut bien un rapport et non une différence.
Questions 3 et 4 : accélération et vitesse
La deuxième loi de Newton s'applique au système {proton} dans le référentiel terrestre supposé galiléen. Avec la seule force électrostatique, on obtient le vecteur accélération a = (e/mp) E, soit (eE/mp) selon l'axe (Oz). Donner seulement la norme ne répond pas à la question, qui porte sur un vecteur. Pour la vitesse, on cherche une primitive de az avec sa constante, puis on fixe celle-ci par la condition initiale : le proton est libéré sans vitesse, d'où vz(t) = (eE/mp) t.
Question 5 : la vitesse en sortie du premier condensateur
On intègre une seconde fois pour obtenir z(t), on cherche la date d'arrivée sur la plaque 2 (z = d), puis on reporte dans vz. On aboutit à v2 = √(2eEd/mp) = 2,9 × 106 m·s−1. Le théorème de l'énergie cinétique donne la même expression plus rapidement. Cette vitesse est inférieure à 2,3 × 107 m·s−1 : elle ne suffit pas pour l'analyse d'un objet d'art. Le piège tient aux puissances de dix : 2,9 est bien compris entre 2,3 et 3,1, mais 106 n'est pas 107.
Questions 6 à 8 : la série de condensateurs
Dans le deuxième condensateur, le proton subit le même champ, donc la même force et la même accélération ; l'origine des dates est conservée et la vitesse ne présente aucune discontinuité. L'expression de vz(t) reste donc valable. Le théorème de l'énergie cinétique entre la première et la dernière plaque donne Ec(final) = eU, puisque l'énergie cinétique initiale est nulle. L'intérêt est net : aucune équation horaire n'est nécessaire. Avec U = 3,0 MV, on trouve vf = √(2eU/mp) = 2,4 × 107 m·s−1, dans l'intervalle utile : le proton permet l'analyse. Convertissez bien les mégavolts en volts et ne multipliez pas U par le nombre de condensateurs, car les 3,0 MV sont déjà la tension totale.
Conseils pour cet exercice
Présentez toujours le système, le référentiel et le bilan des forces avant la deuxième loi de Newton. Citez explicitement les conditions initiales lors des intégrations. Enfin, contrôlez la cohérence de vos résultats : la vitesse finale doit être nettement supérieure à celle obtenue après un seul condensateur, ce que confirment les calculs.