Aurélie 22/06/06
d'après concours technicien d'instrumentation scientifique, d'expérimentation et de mesure

( université Claude Bernard Lyon 1 ) ITRF 2005

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Optique.

 

  1. Donner la signification de l'acronyme L.A.S.E.R
  2. Donner les propriétés remarquables du rayonnement laser.
  3. Citer au moins 4 types de laser.
  4. Donner les principaux dangers que peut occasionner les lasers et les mesures de protection appropriée.
  5. Valeurs du maximum d'exposition permis (MEP)
    laser
    milieu
    longueur d'onde
    MEP
    Hélium Néon
    gaz
    632,8 nm
    17 mW cm-2

    2,5 mW cm-2 *
    Argon ionisé
    gaz
    514 nm
    1 mW cm-2
    Nd : YAG
    solide
    1,064 mm
    1,6 mW cm-2
    dioxyde de carbone
    gaz
    10,6 mm
    100 mW cm-2
    * En tenant compte du réflexe de clignement de l'oeil
    Est- ce que le laser Hélium Néon 5 mW est dangereux ?
    Sachant que celui-ci émet un faisceau lumineux de longueur d'onde 632,8 nm et de divergence 0,8 mrad, quel éclairement produirait-il sur la cornée d'un observateur qui serait situé à 2 m du laser dans l'axe du faisceau ? ( on donne l'éclairement E= P/S)

    Ce laser est-il dangereux ? Argumenter.

corrigé
Laser est l'acronyme anglais de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (en français, amplification de la lumière par émission stimulée de radiations).

Les propriétés remarquables du rayonnement laser :

- la lumière émise est monochromatique : une seule couleur, une seule fréquence.

- la puissance par unité de surface ou éclairement est très grande.

- le faisceau laser est cohérent et très directif.

Citer au moins 4 types de laser :

laser CO2 ; laser YAG dopé au néodyme ; laser hélium Néon ; laser Argon ionisé

Les principaux dangers et les mesures de protection appropriée :

- l'oeil est l'organe le plus fragile : la rétine peut être endomagée même avec des lasers de faible puissance ( 1mW) : port de lunettes spéciales.

les brûlures cutanées : port de vêtements de protection et des gants .

Le laser Hélium Néon 5 mW est-il dangereux ?

section du faisceau à une distance de 2 m : S= p r² avec r = ½dq =0,5*2* 8 10-4 = 8 10-4 m = 0,08 cm

S= p r² = 3,14*0,08² = 0,02 cm²

éclairement : E= P/S = 5 10-3 / 0,02 = 0,25 W cm-2 = 250 mW cm-2

cette valeur est bien supérieure à la valeur du MEP ( 2,5 mW cm-2) : donc ce laser est dangereux.

Mécanique des fluides

I- Hydraulique :

On considère une conduire cylindrique de diamètre d'entrée De =0,5 m alimentée par un débit d'eau Qe = 140 m3/h. Ds= 0,25 m

  1. Quelle est la vitesse ( en m/s) de l'eau dans la section d'entrée Se ?
  2. Quelle est la vitesse ( en m/s) de l'eau dans la section dde sortie Ss ?
  3. Que vaut le débit massique dans la section de sortie ?
  4. Comparer les pressions statiques Pe et Ps prises respectivement à la paroi de la conduite de diamètre De et de la conduite de diamètre Ds.
  5. Pourquoi faut-il éviter les changements de sections brusques sur un circuit d'alimentation d'un fluide ?

II- Hydrostatique :

On considère un récipient cylindrique de hauteur h dont le fond a une section S. section S. Le récipient contient de l'eau jusqu'au 3/4 de sa hauteur et de l'huile d'olive dans le quart restant. S= 0,6 m² ; h = 1 m ; masse volumique de l'huile d'olive : rh= 800 kg m-3.

  1. Déterminer la pression p qui s'exerce sur le fond du récipient.
  2. En déduire la force résultante qui s'exerce sur le fond du récipient.
corrigé
Hydraulique :

vitesses de l'eau :

Le débit volumique Qe ( m3/s) est égal au produit de la section Se (m²) par la vitesse ve (m/s) du fluide : Qe= Se ve

section d'entrée pD²e / 4 = 3,14*0,5²/4 = 0,196 m² ; Qe= 140/3600 = 3,89 10-2 m3/s.

ve =Qe/ Se =3,89 10-2 / 0,196 = 0,198 m/s ( 0,2 m/s)

D'une part le débit volumique se conserve, d'autre part, la section de sortie est 4 fois plus petite que la section d'entrée :

en conséquence vs = 4 ve = 0,8 m/s.

le débit massique est constant et vaut : Qe *reau =140*1000 = 1,4 105 kg/h.

les pressions statiques Pe et Ps : écrire le théorème de Bernoulli

Pe + reau g ze + ½reau v²e = Ps + reau gzs + ½reau v²s

Pe -Ps = ½reau (v²s - v²e ) + reau g(zs -ze )

d'une part ze -zs = ½(50-25) = 0,125 m ; reau g(zs -ze )= -1000*9,8*0,125 = -1225 Pa. ( pression statique)

½reau (v²s - v²e ) = 500 ( 0,8²-0,2²) = 300 Pa ( pression dynamique)

Pe -Ps =-1225+300 = -925 Pa

Lorsque la section diminue, la vitesse du fluide augmente, et la pression diminue.

Les changements de sections brusques sur un circuit d'alimentation d'un fluide créent des zones de turbulences.

Hydrostatique :

pression p qui s'exerce sur le fond du récipient :

pression exercée par la hauteur de la colonne d'eau : reau g heau ;

pression exercée par la hauteur de la colonne d'huile : rhuile g hhuile

pression exercée par l'air à la surface libre de l'huile : Pair= 105 Pa ;

d'où p = reau g heau + rhuile g hhuile + Pair=

p= 1000*9,8*0,75+800*9,8*0,25 + 105 = 7350+1960+105 =1,093 105 Pa.

Force résultante qui s'exerce sur le fond du récipient :

Une force pressante (N) est égale à la pression (Pa) multipliée par une surface (m²);

la force résultante est égale à la pression exercé par les liquides fois la section du fond ( on peut penser que de l'autre côté du fond il y a de l'air)

F= (7350+1960)*0,6 =5,6 103 N.

Thermique

Dans un calorimètre ( de valeur en eau me=50 g) contenant une masse d'eau me =200 g à la température initiale qi = 18 °C, on plonge une masse de cuivre mCu = 100 g prise dans une étuve et maintenue à la température qCu = 60°C. La température d'équilibre de l'ensemble se stabilise à qéq= 19,5°C. ce = 4180 J kg-1 K-1.

  1. Exprimer puis calculer l'énergie gagnée par l'eau et le calorimètre.
  2. Exprimer puis calculer l'énergie cédée par le cuivre. (cCu = capacité massique du cuivre)
  3. Exprimer puis calculer la capacité massique du cuivre.
corrigé
Energie gagnée par l'eau et le calorimètre :

(me+ me)ce( qéq-qi )=(0,2+0,05) *4180*1,5 = 1567,5 J

Energie cédée par le cuivre : mCu cCu( qéq-qCu ) = 0,1 cCu (19,5-60)= - 4,05 cCu.

en supposant le système adiabatique : - 4,05 cCu + 1567,5 = 0

cCu = (me+ me)ce( qéq-qi ) / [mCu( qéq-qCu )]=1567,5 / 4,05 = 387 J kg-1 K-1
chimie

I- On veut préparer une solution de soude. On dispose sur la paillasse :

- d'un flacon d'hydroxyde de sodium en pastille : masse molaire : 40 g/mol

- d'un flacon d'hydroxyde d'aluminium en poudre masse: molaire: 78 g.mol-l

- d'un flacon de chlorure de sodium en poudree masse molaire : 58,44g .mol-l

- d'un flacon d 'hydroxyde d 'ammonium en solution : masse molaire: 35,04g .mol-l

- d'un flacon de chlorure d'aluminium en poudre: masse molaire: 133,34 g.mol-l

  1. Quelles précautions doit-on prendre pour manipuler la soude ?
  2. Quelle masse de soude solide doit-on peser pour obtenir 50 mL d'une solution de soude de concentration 1 mol.L-l ?
    - A quel produit correspond la soude?
    - Ecrire les formules littérales
    - Effectuer les calculs si on suppose que la masse molaire du composé est 40 g/ mol
  3. Quel récipient, utilisable dans une salle de TP de chimie, doit-on utiliser pour préparer cette solution de 50 mL ?
  4. Décrire la façon de réaliser cette solution de 50 mL de soude de concentration 1 mol/L
  5. La mise en solution de ce soluté dans ce solvant produit-elle un effet particulier ? Si oui, lequel ?

II- acide base :

  1. A l'aide de quel appareil détermine t-on le caractère acido-basique d 'une solution aqueuse ?
  2. Que doit-on faire obligatoirement pour obtenir des mesures précises et fiables ?
  3. Faire un schéma annoté du montage utilisé pour réaliser un titrage de l'acide éthanoïque par de la soude en précisant le nom de chaque élément utilisé du dispositif et la localisation des 2 réactifs.
corrigé
solution de soude :

précautions à prendre pour manipuler la soude, produit corrosif : port de blouse, gants et lunettes de protection.

Masse de soude solide à peser pour obtenir 50 mL d'une solution de soude de concentration 1 mo/L :
la soude ou hydroxyde de sodium NaOH
Quantité de matière (mol) = volume (L) fois concentration de la solution = n = 0,05*1 = 0,05 mol

masse (g) = quantité de matière (mol) * masse molaire (g/mol) = 0,05*40 = 2 g.

Façon de réaliser cette solution de 50 mL de soude de concentration 1 mol/L

peser deux grammes de solide ( balance de précision spatule et coupelle de pesée)

verser dans un bécher et dissoudre dans un peu d'eau distillée ; rincer le bécher à l'eau distillée

Placer le liquide dans une fiole jaugée de 50 mL et compléter avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge.

agiter pour rendre homogène.

La mise en solution de ce soluté dans l'eau s'accompagne d'un dégagement de chaleur.

acide base :

Le pHmètre détermine le caractère acido-basique d'une solution aqueuse

Ce dernier doit être étalonné avec deux solutions tampons ; la température doit être ajustée à celle de la salle.

montage utilisé pour réaliser un titrage de l'acide éthanoïque par de la soude
amplificateur opérationnel

L'amplificateur opérationnel est considéré comme idéal, c'est à dire que la tension d'entrée V+ est égale à la tension d'entrée V-.

Le gain de l' AOP GO est infini ; les courants en entrées et en sortie de l'AOP sont nuls.

On considère le circuit suivant :

  1. Déterminez Vs en fonction de V1, V2 R1, R2, R3, R4.
  2. Si R2 R3 = R1 R4 que devient l'expression précédente ?
  3. Quel nom peut-on donner à ce montage de base ?
corrigé
On note i l'intensité du courant dans R3 et R4 et i' l'intensité du courant dans R1 et R2.

additivité des tensions :

V1 = Vs+(R1+R2)i' (1) ; R4 i = Vs+R2i' (2)

V2 = (R3+R4)i soit i = V2 / (R3+R4) puis repport dans (2) : R4V2 / (R3+R4) = Vs+R2i' (3)

(1) donne i' = (V1 -Vs) /(R1+R2) puis repport dans (3)

R4V2 / (R3+R4) = Vs+R2(V1 -Vs) /(R1+R2)

d'où Vs = (R1+R2)R4V2 / [(R3+R4)R1]- R2V1 /R1.

Si R2 R3 = R1 R4 alors Vs =R2 /R1(V2-V1)

le montage réalise une soustraction des tensions (V2-V1) et multiplie cette différence par R2 /R1
Techniques de mesures physiques

On a analysé un matériau semi-cristallin par diffraction des rayons X. Tandis que l'on projette un faisceau de rayons X sur la surface plane de l'échantillon, on se déplace autour de celui-ci avec un détecteur qui mesure l 'intensité des rayonsX diffractés par le matériau. On a obtenu une série de points de mesure présentés dans le tableau suivant.
X
12,0
12,1
12,2
12,3
12,4
12,5
12,6
12,7
12,8
12,9
13,0
13,1
13,2
13,3
13,4
Y
195
202
210
226
249
299
396
515
591
650
781
940
1006
950
816
X
13,5
13,6
13,7
13,8
13,9
14,0
14,1
14,2
14,3
14,4
14,5
14,6
14,7
14,8
14,9
15
Y
713
747
932
1245
1683
2032
2080
1721
1200
812
621
535
490
460
430
404

  1. Inscrivez sur le graphique suivant les échelles. Reportez-y ensuite les 31 points de mesures.
  2. Après avoir tracé à main levée la courbe passant par ces points, combien voyez-vous de pics ?
  3. Pour chacun de ces pics, remplisse une ligne du tableau suivant, même s 'il reste des lignes vides. Reportez-y la position X du centre du pic. On estimera qu'elle coïncide avec celle de son sommet. Ensuite, indiquez la hauteur estimée entre sa base et son maximum. Pour l'estimation de la surface, on considérera que les pics sont des triangles. L'unité choisie n 'a pas d'importance. Enfin, indiquez quelle est la largeur du pic à sa mi-hauteur.
    valeur de X au sommet
    hauteur maximale
    surface
    largeur à mi-hauteur

  4. Quelles sont quelques-unes des précautions majeures qu'il faut prendre avant de manipuler des rayons X ?
corrigé

valeur de X au sommet
hauteur maximale
surface
largeur à mi-hauteur
13,2
800
800*0,75 = 600
0,75
14,1
1700
1700*0,55 = 935
0,55
précautions majeures qu'il faut prendre avant de manipuler des rayons X :

Les personnes travaillant à proximité directe de l’appareil sont les plus exposés. Il faut prévoir des protections anti –

rayons X adaptées pour les personnes présentes dans la salle : tablier plombé, paravent plombé, murs et portes plombées (ou autre matériau

dont l'épaisseur est équivalente à 2mm de plomb).
Transistor

On considère le circuit amplificateur suivant :

  1. Quel type de transistor est utilisé ?
  2. Déterminez et calculez la tension continue VB.
  3. Sachant que VBE=0,6 V calculez VE puis IE.
  4. Le transistor est-il bloqué ou saturé ?
  5. En faisant l 'approximation Ic~ lE et connaissant VCE sat = 0,1V , calculez Rc.
corrigé
type de transistor est utilisé : NPN

Calcul de la tension continue VB : on note i2 l'intensité du courant traversant R2 ; iB le courant de base.

l'intensité du courant traversant R1 est égal à : i2+iB voisin de i2.

par suite : Vcc = (R1+R2)i2 ; i2=Vcc / (R1+R2) ; VB= R2i2=R2Vcc / (R1+R2).

VB=500*12/3000 = 2 V.

Calcul de VE puis IE : VB= VBE+VE soit VE =VB- VBE =2-0,6 = 1,4 V.

VE = RE IE d'où IE=VE / RE I = 1,4 /140 =0,01 A.

Le transistor serait bloqué si VB était nul ; or VB= 2 V, le transistor n'est donc pas bloqué.

Le transistor est saturé : IC<bIB.

Calcul de Rc : VCC = VE + VCE + RCIE.

RC= (VCC - VE - VCE) / IE = (12-1,4-0,1) / 0,01 = 1050 W.

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