Au lycée, on peut préparer les Olympiades de Physique cette année encore !

Voici quelques réponses à vos questions

A quoi ressemble la préparation au lycée ?

Qu'est-ce que les Olympiades de Physique ?
Comme pour le sport, les Olympiades de physique chimie sont une compétition qui regroupe différentes équipes constituées d'élèves et de professeurs qui viennent s'affronter sur un domaine précis : celui de la physique et de la chimie. Les compétences en d'autres matières peuvent être mises à contribution aussi comme les capacités en mathématiques ou encore en biologie.

Les séances de préparation sont un "club de physique du lycée", le but n'étant pas de faire de la physique comme en classe mais de découvrir des phénomènes physiques et d'essayer de les comprendre sans mettre en oeuvre un formalisme mathématique très poussé. Cela ressemble plus à des cours de physique anglo-saxons qu'à des cours français. Cela peut donc être un bon complément culturel aux cours dispensés en première année.

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Les élèves abandonnent-ils en cours de route ?

En général, les élèves qui participent à cette préparation sont contents et vont jusqu'au bout, même une fois que l'épreuve de sélection est passée ...

Comment se passent les sélections ?

Les épreuves internationales auront lieu du 17 au 25 juillet

Au niveau national (5 candidats par pays), 14 candidats sont pré-sélectionnés lors d'une épreuve théorique se déroulant juste avant Pâques et participent alors à un stage expérimental à l'ENS Cachan. A l'issu de ce stage, les 5 candidats français sont  sélectionnés. Le Lycée Saint-Louis prépare les élèves à la pré-sélection. Une cinquantaine d'élèves pourra profiter de cette préparation, donc 5 élèves par classe en moyenne.

Quand ces séances ont-elles lieu ?

C'est le mercredi 17h-19h, seul créneau convenant à toutes les classes, chaque semaine pendant une quinzaine de semaines?

Sur quoi portent ces séances ?

Chaque séance de 2 heures est organisée sur un thème du programme des Olympiades. L'année dernière, il y a eu 16 séances. Les thèmes abordés sont : les Oscillations et Ondes, les Ondes électromagnétiques, la Mécanique du solide, l'Induction, la Physique quantique & la Physique de la matière condensée, la Relativité restreinte.

Quelques exercices d'entraînement

Comment faire des bulles ?
Toute perturbation sur un plan d'eau crée des ondes sinusoïdales. C'est ce type d'ondes que l'on voit apparaître lorsqu'on fait tomber une pierre dans de l'eau ou lorsqu'on joue aux ricochets.

Des oscillations électriques à la cuve à ondes

Pour étudier les ondes progressives sinusoïdales à la surface de l'eau, on utilise une cuve à ondes.

Un vibreur permet de générer des ondes planes circulaires de fréquence N à la surface de l'eau. Les crêtes des vagues donnent des rides brillantes et les creux des rides sombres sur un écran que l'on photographie.

Afin d'apprécier l'échelle, 2 marques A et B ont été faites sur l'écran qui correspondent à une distance AB = 7,0 cm dans la cuve.

A) Étude du vibreur

La surface de l'eau est excitée par de l'air pulsé : les pulsations sont créées par une petite pompe. Leur fréquence peut être réglée de 10 à 40 Hz grâce à un oscillateur électrique entretenu.

Les oscillations électriques peuvent être obtenues à l'aide d'un condensateur de capacité C= 30 µF relié à une bobine d'auto-inductance L et de résistance r.

1.A l'instant t = 0 s, on relie le condensateur portant la charge Q0 à la bobine. On peut, à l'aide d'une interface appropriée, visualiser uC(t) : tension aux bornes du condensateur, sur l'écran d'un ordinateur et on obtient la courbe n°1 (page 3 ).

a) uC(t) est-elle une fonction périodique ?

Comment qualifie-t-on un tel régime d'oscillations ?

b) Calculer l'énergie E0 emmagasinée par le condensateur à l'instant t0 = 0 s.

c) Calculer l'énergie E1 emmagasinée par le condensateur à l'instant t1 = 30 ms.

d) Interpréter la variation de l'énergie entre les instants to et t1.

e) Ce dispositif peut-il être utilisé pour créer les oscillations à la surface de l'eau ?

2.On désire entretenir les oscillations.

a) Que signifie: "entretenir les oscillations" ?

b) Pour ce faire, on introduit un montage équivalent à un dipôle D fournissant une
puissance p = r i2 où r a la même valeur que la résistance de la bobine. Quel est le
nouveau régime des oscillations ?

c) Quelle est alors la forme de uC(t) ? Ce montage peut-il être utilisé pour générer
des ondes sinusoïdales dans la cuve ? (justifier).

d) Quelle est la fréquence propre des oscillations si L = 0,75 H et C = 30 mF ?

B) Étude des ondes

1.Mesure de la célérité des ondes.

1.1.    A l'aide du vibreur, on crée des ondes progressives sinusoïdales de fréquence N à la surface de l'eau. Le phénomène observé possède une longueur d’onde l.

a) Définir la longueur d’onde l.

b) Quelle relation existe-t-il entre la longueur d’onde l, la fréquence N et la célérité v des ondes observées ?

1.2.    A l'aide de la photo 1 (page 4), déterminer le plus précisément possible la longueur d'onde l1 et calculer la célérité v1 des ondes sachant que pour cette expérience 1 la fréquence des vibrations est N1 = 8,0 Hz.

1.3. Une expérience 2 est réalisée à une fréquence différente N2 = 17 Hz.

a) A l'aide de la photo 2 (page 4), montrer que la célérité des ondes varie avec leur fréquence.

b) Comment appelle-t-on ce phénomène ?

Comment se déplacent les dauphins ?
De nombreux animaux disposent d'un sonar leur permettant de se déplacer dans la mer. C'est le cas par exemple du dauphin. Cependant, les radars des bateaux et des sous-marins peuvent gêner les sonars de ces animaux. C'est pourquoi il faut être vigilant et ne pas les déranger dans leur environnement naturel.

c) Décrire une expérience permettant d'observer ce phénomène avec des ondes lumineuses.

2.Influence de la profondeur de l'eau sur la célérité des ondes.

2.1. Pour étudier l'influence de la profondeur h de l'eau sur la célérité des ondes, on place sur le fond de la cuve une plaque (P) de plexiglas transparent. On délimite ainsi des zones de profondeur h et h' (h' < h). On génère des ondes incidentes planes sinusoïdales de fréquence N = 11 Hz. Montrer, en utilisant la photo 3 (page 4), que la célérité des ondes dépend de la profondeur de l'eau.

2.2. On remplace la plaque P par une plaque P', on obtient la photo n° 4. Quel phénomène observe-t-on ? (On pourra se référer à des phénomènes lumineux abordés en seconde).

2.3.

2.3.1. En eau très profonde, pour des vagues de basse fréquence, on peut démontrer que la célérité v des ondes ne dépend pratiquement plus de h. Elle varie alors proportionnellement à la période T suivant la loi :

    \[ v = \frac {g} {2 \pi} T \]

Dans laquelle g est l'intensité de la pesanteur (g = 9,8 m s-2).

Calculer v1 et v2 pour les fréquences N1 = 5,0 Hz et N2 = 10 Hz, ainsi que les longueurs d'onde l1 et l2 correspondantes.

2.3.2. On excite sinusoïdalement un point S à partir de l'instant t = 0 s. On observe un point M à 10 m de S. A quel instant t1 le point M entre-t-il en vibration si la fréquence excitatrice en S est N1 = 5 Hz ?

Calculer de même l'instant t2 pour une fréquence N2 = 10 Hz.

2.3.3. En fait, on lance une pierre au point S ; l'ébranlement est supposé être constitué par la superposition d'ondes sinusoïdales de différentes fréquences allant de quelques Hertz à une dizaine de Hertz.

Le point M (au centre des photos 5 et 6, page 4) est photographié à des instants différents.

Donner, en le justifiant, l'ordre chronologique des deux prises de vue.

Courbe 1
Photographies qui représentes l'évolution de l'onde dans l'eau à différents moments.

Exemples de tests de présélection

Q1. On considère l’association de deux lentilles convergentes. La première lentille a pour focale  f et la deuxième
pour focale 2 f . Le foyer image de la première lentille est confondu avec le foyer objet de la seconde lentille. On envoie sur la première lentille un faisceau lumineux, constitué de rayons parallèles à l’axe optique. Le diamètre du faisceau incident est de 1 cm.
Comment caractériser le faisceau en sortie de la deuxième lentille ?
(a) Le faisceau est divergent.
(b) Le faisceau est parallèle à l’axe optique et de diamètre 0,5 cm.
(c) Le faisceau est convergent.
(d) Le faisceau est parallèle à l’axe optique et de diamètre 2 cm.

Q2. Un large cargo doit être remorqué dans un port. On considère la situation au début de remorquage.
Quelle affirmation est juste ?

(a) La force exercée par le remorqueur sur le cargo et celle exercée par le cargo sur le remorqueur sont de normes égales.

(b) La force exercée par le remorqueur sur le cargo a une norme supérieure à celle de la force exercée par le cargo sur le remorqueur.

(c) La force exercée par le remorqueur sur le cargo a une norme inférieure à celle de la force exercée par le cargo sur le remorqueur.

(d) Le cargo n’exerce pas de force sur le remorqueur.

Qu'est-ce qu'un cargo ?
Les cargo sont d'énormes bateaux sur lesquels transitent des containers. Ces grosses "boîtes" représentent aujourd'hui le conditionnement principal de toutes les marchandises qui transitent dans le monde. Ils peuvent être chargés sur bateaux, dans les avions ou encore sur des camions.

Pourquoi participer à ces olympiades ?

Ces olympiades sont un bon moyen pour les passionnés de physique et de chimie de s'adonner à leur passion. Il permet aussi de donner une continuité aux travaux commencés lors du TPE de première. De plus, cet éveil aux démarches scientifiques vous sera bénéfique pour la suite de vos études. En effet, il vous préparera aux épreuves pratiques et théoriques du baccalauréat.

Que peut-on y gagner ?

Tout les participants aux Olympiades de Physique se verront offrir des prix tels que des revues scientifiques ou encore des œuvres scientifiques. Un certificat de participation leur sera également délivré pour justifier de leur participation aux Olympiades. Les lauréats de l'opération auront droit à des visites scientifiques dans des grands laboratoires partenaires.
Des abonnements à des revues scientifiques peuvent aussi être offerts aux participants, qu'il soient sélectionnés ou non.

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.