i-e1-a: Bac STI Génie Mécanique

Samedi 27 juin 2009 6 27 /06 /Juin /2009 09:43
- Publié dans : i-e1-a: Bac STI Génie Mécanique
Les élèves du Lycée Sainte Croix St Euverte de section Génie Mécanique qui désireraient préparer un éventuel oral de Physique Appliquée doivent me contacter rapidement pour que j'organise une séance de travail.

Vous pouvez aussi me contacter par mon face book



ou sur mon imel: jmbprofessionnel@free.fr

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Mercredi 24 juin 2009 3 24 /06 /Juin /2009 12:47
- Publié dans : i-e1-a: Bac STI Génie Mécanique
voici en ligne le sujet et ma correction

ici:  sujet et correction Physique Appliquée Génie Mécanique 2009

remarque: une erreur de transcrition de ma part figure en partie 3: il faut lire rendement = 0,8 et non 0,9 ( bien sûr 4/5 = 0,8)
je réediterai le document pdf prochainement pour corriger cette erreur...merci à Fabien  T.  qui me l'a signalé.

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Samedi 20 juin 2009 6 20 /06 /Juin /2009 15:53
- Publié dans : i-e1-a: Bac STI Génie Mécanique
1)  un moteur CC de rendement 0,81 absorbe une puissance de 158W.
Calculer le moment de son couple utile à 15 tour/s

Correction: Pu = 0,81x158=128W   Tu= Pu / 2piN    Tu = 1,36Nm

2) un panneau solaire absorbe une puissance lumineuse moyenne ( journée moyennement nuageuse)  E = 900W/m2 .
Sa surface sensible est d'aire A= 12 m2 et son rendement électrique après stockage est de 18%.
Calculer l'énergie stockée sous forme électrique W en 1 journée d'ensoleillement constant et de  durée 10h

correction: Pu=12x900x0,18= 1944W  W = Pu.t = 1944x10= 19 440 Wh= 19440x3600 = 70 MJ

3) un moteur à courant alternatif 50Hz 230V monophasé fournit un couple de moment utile Tu = 15 Nm à 2900 tours/min
Son rendement approche les 80% et son facteur de puissance vaut 0,92.

Calculer l'intensité I alimentant ce moteur en régime nominal.

correction: Pu = Tu.pi.n/30   Pa= Pu/r = UIcosf  d'où  I = Pu/ rUcosf  AN: Pu = 4555,3W    I = 23,4A

4) un alternateur  fournit une tension de 230V et un courant de 10A à une charge de facteur de puissance 0,75.
Le réactance de l'alternateur vaut X = 5 Ohm
Calculer la fem d'une phase de cet alternateur.
(diagramme de Behn Eschenburg)

réponse: on trouvera E = 260V par construction graphique

5) un moteur triphasé fournit à 1420 tour/min une puissance utile de 500W sous 50Hz et 400V de tension composée.
    son facteur de puissance vaut 0,87 au régime nominal et son rendement est estimé à 0,79.
Calculer la puissance électrique absorbée Pa et l'intensité absorbée par phase.

réponse: appliquant Boucherot triphasé Pa = UIrac(3)cosf   on trouvera I = 0,95A  (la connaissance de n est sans utilité ici).

6) une installation électrique consomme 4560W et 2874 VAR
calculer sa puissance apparente S et son facteur de puissance.

correction: S2 = P2 + Q2  donne S = 5390 VA    cosf = P/S  donne cosf = 0,846

7) dans une réaction chimique d'oxydo réduction, quel est le composé qui fournit des électrons à l'autre?

compléter les deux réactions:  Cu      + Zn2+     --> ?   
                                             Cu2+  + Zn         --> ?

on précise que le cuivre est plus oxydant que le zinc.

seule   réaction possible:               Cu2+  + Zn         -->    Cu   +   Zn2+

au cours de cette réaction l'ion cuivre arrache 2 électrons à l'atome de zinc

8) une batterie de capacité de charge Q = 45 Ah et de tension nominale U=12V est complètement déchargée en 5h.

Calculer l'intensité moyenne <i> du courant de décharge et la puissance électrique fournie P par la batterie au cours de cette opération.

correction: <i> = Q / t    soit <i> = 9A    P = U<i> donne P = 108W

9) calculer l'intensité I du courant absorbée par une batterie de condensateurs de capacité C = 1 mF mise sous tension 230V et de fréquence 50 Hz.

correction:    Z = 1/Cw   et U = ZI   donne I = CwU   soit AN:  I = 0,001x2.pi.50.230 = 72,2 A

10) un enroulement moteur triphasé a pour inductance 120 mH et pour résistance interne 2 ohm par phase

calculer la tension à ses bornes quand le moteur absorbe en montage D une intensité de ligne I = 18 A

correction:    Z2 = r2 + (Lw)2    donne   sous 50 Hz:    

                   Z =   37,7 ohm    

                  
U = ZJ   avec  J = I/rac(3)
               
                   donne:  U = 37,7 x 18 /rac(3) = 392 V





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Samedi 13 juin 2009 6 13 /06 /Juin /2009 09:02
- Par jean marie bourven - Publié dans : i-e1-a: Bac STI Génie Mécanique
Rappel:

le photon est une particule d'énergie lumineuse E liée à la fréquence f du rayonnement par la formule de Planck:  E = h.f  avec h = 6.62 10-34J.s

la longueur d'onde L et la fréquence d'un rayonnement lumineux f sont reliées par la formule:

                            L = c / f  avec c = célérité de la lumière en m.s-1

Exercice 1

un panneau photovoltaïque de rendement r = 0,08 et de surface S = 15 m² est éclairé par une lumière de longueur d'onde moyenne 550 nm  ( 1 nanomètre  = 10-9m)

la puissance solaire reçue face au soleil  est d'environ 1300W/m²

1) calculer la fréquence f et l'énergie E d'un photon

    milieu de propagation des rayons: air c = 3 108 m.s-1

rép: deux formules à employer   L = c / f et E = hf qui donnent E = hc/L

       A.N.:  E = 6.62 exp(-34).3 exp8 / 550 exp(-9) = 3,61 exp (-19) J


2) calculer le nombre moyen de photons parvenant sur 1 m² de panneau placé face au soleil

rép: la question n'a de sens que si l'on fait le calcul sur une durée déterminée
le mieux, c'est en ligne directe avec la donnée du texte, c'est de choisir cette durée à 1 s

de la puissance P= W /t on déduit qu'au cours d'une durée t = 1s  le panneau reçoit l'énergie W = 1300 J ...

le nombre N de photons reçus vaut simplement: N = W / E

A.N.: N = 1300 / 3,61 exp(-19) = 3,6 exp 21 photons /s 

ramené en moles ce nombre deviendrait: 

N' =  N /(6,02 exp23)* = 6 exp(-3)      *: nombre d'Avogadro des chimistes


ou encore N' = 6 mmol/s  ( millimoles/seconde)                     

3) calculer la puissance électrique Pu du panneau.

la puissance électrique Pu est  la puissance utile du panneau

celui fait 15 m² de surface, il reçoit donc Pa = 15x1300 = 19 500W = 19,5 kW

son rendement est seulement de 0,08, donc sa puissance utile devient:

Pu = 0.08x19,5 = 1,56 kW **

**: cette correction donnée, les lecteurs désirant poursuivra par l'exercice 2 utiliseront ce résultat numérique

Exercice 2




Le même panneau solaire est utilisé pour la chaîne de conversion photo-électrique ci-dessus.

Il délivre en pleine exposition solaire un courant de charge d'intensité I = 4A

L'accumulateur, de capacité de charge maximale Q = 50 Ah, stocke l'énergie électrique produite par le panneau.

L'onduleur la restitue sous forme de tension alternative  u(t) = 325cos(314t)

Le rendement de l'accu est voisin de 95% et celui de l'onduleur de 98 %


1) calculer la durée Dt nécessaire à une mise en charge totale de l'accu initialement vide

la loi de charge d'un accu est Q= I.Dt  avec I en A Dt en h et Q en A.h

il suffit d'écrire Dt = Q/I pour trouver Dt= 50/4=12,5h = 45 exp3 s

2) que vaut la quantité d'énergie solaire nécessaire pour effectuer cette mise en charge?

pendant la durée Dt, si on imagine l'ensoleillement constant (hypothèse d'école assez irréaliste) l'énergie solaire reçue vaudra: W = P.Dt

A.N.: avec P calculée au 3) de l'exercice 1 c'est à dire P = 19,5 kW on trouvera

W = 19,5 exp(3)x 45 exp3 = 8.78 exp 8 J

3) en déduire l'énergie utile Eu1 puis la puissance utile Pu1 reçue par l'accu

    rappel: le rendement du panneau est de 8%

on a Eu1 = r1.W  A.N.:  Eu1 =
0.08x8.78 exp 8 = 7 exp7J

de même Pu1  = Eu1 /Dt  donne Pu1= 7 exp7/ (45exp3) = 1560W

résultat qui confirme celui trouvé au 3) de l'exercice1

4) calculer la tension U de mise en charge de l'accu ( constitué de 16 éléments en série supportant 25V de tension de charge maximale chacun )

Le panneau délivre I = 4A  d'où U = Pu1 / I
   A.N.:   U = 390 V 

qui donne en tenant compte de la loi des tensions sur une association série: 

U = somme (u) = 16 u


u = 390/16 = 24,4V par élément, ce qui est tout à fait sous la limite imposée 



L'accu est déchargé à 50% de sa capacité maximale par la mise en service de l'onduleur alimentant une charge utile. La décharge de l'accu s'effectue en 6h .

5) calculer l'énergie utile Eu2 fournie à l'onduleur par l'accu, et l'énergie utile Eu fournie par l'onduleur à sa charge utile.

en déchargeant l'accu de 50% de sa charge, on utilise l'énergie E'u2  égale à 50% de son énergie utile totale Eu2

tenant compte du rendement de l'accu on a la relation Eu2 = 0,95.Eu1

ainsi E'u2 = 0,5x0.95xEu1 qui donne A.N.: E'u2 = 0,5x0.95x7exp7 = 3.32 exp 7 J

Tenant compte de son rendement 0,98 l'onduleur fournit donc à la charge l'énergie électrique Eu = 0,98x3.32 exp 7 = 3.26 exp7J


6) calculer la puissance moyenne fournie par l'onduleur

dans cet exercice, si on consulte le schéma fourni, on notera que la puissance électrique fournie par le panneau  et notée Pu1 correspond au Pu de l'exercice précédent: ici, par contre, Pu est la puissance utile de l'onduleur.

reprenant la chaîne des rendements en puissance on écrit:

                        Pu = r2.r.Pu1    avec r2= rendement de l'accu
                                                    r = rendement de l'onduleur

A.N.:  Pu = 0,95x0,98x1560 = 1452W

La charge utile de l'onduleur est un dipôle d'impédance Z = 28 ohm et de facteur de puissance cos fi = 0,8

7) calculer la valeur efficace de l'intensité Iu du courant fournie par l'onduleur à la charge utile.


il suffit d'appliquer la loi de puissance active aux bornes d'un dipôle en régime harmonique:

Pu = Uu.Iu.cos fi    qui donne Iu = Pu / ( Uu.cosfi )

u(t) = 325cos(314t)  d'où la valeur de tension efficace:

Uu = Ûu / rac(2) = 325/ rac(2) = 230V

calcul numérique de Iu  Iu = 1452 / (230 x 0,8) = 7,9A


vérification par la loi d'Ohm:  Iu = Uu / Z = 230/28 = 8,2 A au lieu de 7,9 différence due aux approximations successives de tous les résultats précédents







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Samedi 13 juin 2009 6 13 /06 /Juin /2009 08:50
- Par jean marie bourven - Publié dans : i-e1-a: Bac STI Génie Mécanique
cet article est destiné aux élèves de terminale STI qui ne pourront se déplacer lundi 15 Juin pour les deux dernières du cours de sciences physiques...

il traite du chapitre de Chimie de ce programme: l'oxydo-réduction

afin de comprendre les éléments succincts de cette notion

présentons une première expérience (simple):


disposons des quatre corps chimiques suivants:

- une plaque de zinc ( métal gris) et une fiole de sulfate de zinc (en solution dans l'eau

- une plaque de cuivre et une fiole de sulfate de cuivre en solution dans l'eau ( couleur turquoize)


disposons le cuivre dans le sulfate de zinc et le zinc dans le sulfate de cuivre



dans le  bécher contenant le cuivre: aucune réaction visible

dans le bécher contenant le zinc il se produit une réaction lente mais visible à la surface de ce dernier

sortant de la solution la plaque de zinc et l'examinant on observe:













































la plaque de Zinc est visiblement "rongée" et recouverte  d'un dépot noir aux reflets rouges:

                                il s'agit d'un dépot de cuivre

on dit que le zinc a été oxydé par le cuivre présent dans la solution de sulfate de cuivre

     et que le cuivre a été réduit par le zinc  

l'ensemble de ces deux actions réciproques est une oxydo-réduction où

 le zinc est le réducteur du cuivre et le cuivre est l'oxydant du zinc

le fait que le cuivre n'est pas oxydé par le zinc ( premier bécher ) montre de plus qu'il y a une hierarchie du pouvoir oxydant à savoir:

                    le cuivre est plus oxydant que le zinc

mais quelle est l'intime mécanisme de cette réaction?

voilà la question interessante...


procédons maintenant à une seconde expérience (plus élaborée)
:

avec les éléments suivants:



construisons une "pile" électrochimique:

- en immergeant du cuivre dans du sulfate de cuivre ( première demi-pile)

- en immergeant du zinc dans du sulfate de zinc ( seconde demi-pile)

puis réunissons ces demi-piles par un conducteur de cuivre immergé à chaque bout dans les deux solutions

enfin disposons avec des pinces "croco" un voltmètre électronique ( de forte impédance d'entrée )
aux bornes métalliques de ces deux demi-piles...



il apparaît immédiatement une tension de 1,04 V entre le Cuivre et le Zinc...

                             on dit que les couples (métal,ion)...

       (Cu2+,Cu) et (Zn2+,Zn) présentent  entre eux un potentiel de pile de 1,04V


interprétons cette expérience:

le cuivre est anode ( potentiel positif comme le montre le branchement du voltmètre )
le zinc est cathode ( potentiel négatif relié au commun du voltmètre)

                        donc, un transfert d'électrons

s'effectue du zinc (négatif donc donneurs d'électrons e-)
                                      
vers le cuivre qui les attire (positif donc accepteurs d'électrons)


Conclusion:

une réaction d'oxydo-réduction est une "bagarre électro-chimique" entre deux métaux au cours de laquelle

                              un oxydant prélève des électrons à un réducteur
                           ici       Cu                                        ici     Zn


l'oxydation du réducteur est donc une perte d'électrons

la réduction de l'oxydant est un gain d'électrons

on traduit cet échange en langage chimique par deux demi-équations bilan:

                                 oxydation  Zn --> Zn2+  +  2e-

                                 réduction   Cu2+  +  2 e-  --> Cu


                  quant au pouvoir oxydant PO prédominant du cuivre sur le zinc

                               on le traduit par l'échelle des potentiels



                                   Zn                                           Cu                 PO
                ----------------*------------------------------------*------------------->

                                     ------------------------------------->
                                                           1, 07 V


remarques:

- l'origine de cette échelle est donnée par la demi-pile à hydrogène ( H+,H2) non étudiée dans le cadre de ce cours

- la valeur de 1,07V est la valeur exacte mesurée dans des conditions expérimentales moins sommaires que celles du lycée


applications:

il est parfois nécessaire de protéger les métaux exposés à l'oxydation par des agents atmosphériques ou des solutions salines...par exemple les coques métalliques des navires, les canalisations enterrées, ou encore les chauffe-eaux reliés à des canalisations de cuivre

il existe deux modes de protection:

1) la protection dite à électrode soluble ( en zinc ou en magnésium) qui s'oxyde à la place du métal à protéger en contact avec elle:  fer galvanisé avec du zinc (clôtures, matériels agricoles,...), boulons de zinc solubles sur les coques de bateaux et les parties immergées du mécanisme d'hélice...
 
2) la protection par liaison avec un générateur de tension alimentant en électrons le métal à protéger  en les capturant  à une électrode de zinc, par exemple la protection des
canalisations en fonte placées en terre humide

cette électrode est dite "anode sacrificielle" car au bout du processus, c'est elle qui disparaît complètement par oxydation ( c'est pourquoi il faut la remplacer àintervelle régulier)


renvoi à d'autres sites: ici    là   mais si déjà vous savez tout ce que j'ai écris plus haut c'est déjà pas mal pour préparer votre épreuve de sciences physiques du Bac STI méca


bon week end à tous ...      jean marie bourven





 
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