R1-   L'énergie hydraulique consiste en le stockage d'énergie dans un lac de barrage en altitude. Il s'agit d'énergie potentielle de pesanteur de l'eau. L'eau est ensuite amenée dans une conduite forcée où l'énergie se transforme en énergie cinétique par le travail du poids, puis grâce à une turbine et un générateur, cette énergie est convertie en travail électrique (usuellement énergie électrique).

R2-   Les phares consomment de l'énergie qui provient de l'essence. La même quantité d'essence est utilisée dans les deux cas pour faire avancer la voiture. Dans le cas des phares allumés, il s'ajoute l'essence consommée pour fournir l'énergie donnée au phare. Quand les phares sont allumés, la voiture consomme donc plus d'essence. À cause de la conservation de l'énergie, tout énergie obtenue à la sortie du dispositif, était en effet déjà présente à l'entrée (ici sous forme d'essence).
Le mécanisme détaillé est le suivant : si on allume les phares, la batterie commence à se décharger. l'alternateur de la voiture se met alors à la recharger, donc du courant électrique passe dans ses fils. Une force magnétique se développe alors, qui freine l'alternateur, donc le moteur (transmission du mouvement par une courroie). Si l'automobiliste veut garder la même vitesse, il est alors obligé d'appuyer plus fort sur l'accélérateur, et il consomme plus d'essence.

R3-   3.1 Le caisson isolé par la laine de verre permet d'éviter un transfert d'énergie important par chaleur (conduction) vers le milieu extérieur. La laine de verre est en effet un isolant thermique (à cause de l'air qu'elle contient). Grâce à cette isolation, on aura donc une température plus élevée à l'intérieur. La plaque absorbante noire permet d'absorber toute l'énergie solaire qui arrive par rayonnement. Une plaque non noire renverrait une partie de ce rayonnement; une quantité plus faible d'énergie s'accumulerait dans ce cas dans le chauffe-eau. La circulation d'eau dans le tube permet de transporter l'énergie autre part dans la maison. On peut ainsi par exemple, disposer d'eau chaude pour prendre une douche. Le caisson de verre permet d'éviter à l'air chaud à l'intérieur du chauffe-eau de s'élever par convection et d'être remplacé par de l'air frais qui refroidirait le tube. Mais, on sait que le verre absorbe l'infrarouge. Or, la plaque absorbante noire qui est chaude, rayonne de l'infrarouge. Le verre bloque donc ce transfert d'énergie vers l'extérieur. Le double vitrage permet d'empêcher la vitre chaude intérieure de transférer par chaleur (conduction) son énergie, vers la plaque extérieure qui la donnerait par conduction et rayonnement au milieu extérieur.
3.2 On peut exposer au Soleil sous le même angle, une plaque blanche et une plaque noire, chacune ayant un thermomètre en contact avec elle. On doit vérifier que le thermomètre de la plaque blanche indique une température inférieure à celle indiquée par le thermomètre de la plaque noire.

R4-   4.1
4.2 De grandes baies vitrées permettent au rayonnement solaire de pénétrer et de chauffer la maison. On peut en plus, mettre un chauffe-eau solaire sur le toit ainsi que des cellules photoélectriques.
Pour diminuer la perte d'énergie par chaleur, on peut isoler les murs et le toit avec un isolant thermique, et mettre du double vitrage.
Une VMC double flux (voir figure) permet de réchauffer l'air extérieur qui entre avec l'air chaud qui sort. L'air extérieur est d'autre part chauffé par un passage dans la terre. On a ainsi diminué les pertes par convection.

R5-   5.1 La neige est un isolant thermique, car elle contient beaucoup d'air, les gaz étant des isolants thermiques. Le transfert d'énergie par chaleur vers l'extérieur est donc très faible. En recouvrant les parois de l'igloo de peau de bêtes, on peut avoir, rien qu'avec la chaleur humaine, 150C à l'intérieur, même s'il fait - 400C dehors.
5.2 La température descend lentement; l'igloo perd en effet de l'énergie vers l'extérieur par chaleur, et ne dispose plus de source d'énergie à l'intérieur.

R6-   Oui, les deux plaques étaient à la même température. Lorsqu'on pose la main sur le métal, la chaleur apportée par la main s'évacue dans un grand volume du métal, car le métal est un bon conducteur thermique. Au niveau de la main, la température du métal augmente donc peu, et la main touche un métal froid.
Dans le cas du bois qui est un isolant thermique, la chaleur déposée par la main reste sur place et augmente beaucoup la température du bois qui est en contact avec la main. On touche donc un objet qui devient très rapidement tiède.

R7-  
Le Soleil apporte son énergie à la Terre principalement sous forme de lumière visible, pour laquelle l'atmosphère est transparente. Cette énergie atteint donc le sol. Le sol ainsi chauffé par cette lumière, se refroidit pour une part en émettant de l'infrarouge vers l'espace. Mais une partie de cet infrarouge est absorbée par les gaz à effet de serre (CO2,   H2O,   CH4) qui s'échauffent et en rayonne une partie vers le sol qui ainsi se refroidit moins (retour à l'envoyeur de l'énergie). Heureusement que l'effet de serre existe, car autrement la température moyenne de la Terre ne serait pas 15°C, mais -18°C. Cependant, le rejet massif par l'humanité de dioxyde de carbone et de méthane réchauffe le climat dangereusement en augmentant l'effet de serre.

R8-   L'ensemble capteur de lumière, petit circuit électronique, qui est sensible à la lumière du jour, sert en effet de commutateur, et permet d'éteindre la lampe pendant la journée et de l'allumer pendant la nuit.
Le jour, le transfert d'énergie par rayonnement est transformé par le convertisseur que constitue la cellule en transfert d'énergie par travail électrique. L'accumulateur reçoit ainsi de l'énergie qu'il stocke sous forme chimique.
La nuit, l'accumulateur donne son énergie par travail électrique à la diode qui est un convertisseur. La diode transforme le transfert d'énergie par travail électrique en transfert d'énergie par lumière visible.


R9-  
Un disjoncteur permet de couper le courant s'il devient trop fort. Une force électromagnétique manœuvre un interrupteur qui coupe le circuit si l'intensité est trop forte. Dans le cas d'un fusible, l'échauffement du fusible fait fondre ce dernier et coupe le circuit en cas d'intensité trop forte.

R10-  


R11-   On réalise un court-circuit quand on relie par un conducteur de résistance négligeable, deux points d'un circuit électrique entre lesquels existait auparavant une tension.
Lorsqu'un récepteur est court-circuité, il ne fonctionne plus. Pour un générateur, les conséquences sont plus graves :
Dans le cas d'un pile, bien que les récepteurs branchés sur la pile ne fonctionnent plus, elle débite un courant très intense qui la détruit. Elle s'échauffe et peut même exploser.
Dans le cas d'un circuit alimenté par EDF, le courant très intense qui circule dans les fils les échauffe tellement que cela peut provoquer un incendie.

R12-   12.1

12.2 Disjoncteur différentiel.

R13-  
13.1 L'oiseau est en contact uniquement avec un seul fil. La bipolarité du courant électrique n'est donc pas respectée. On n'a pas une chaîne fermée ininterrompue de conducteurs qui passe par les deux bornes d'un générateur. L'oiseau n'est donc pas traversé par un courant électrique, et n'est pas électrocuté.
13.2 S'ils sont suffisamment grand pour toucher deux fils.
13.3 Isoler les fils, les éloigner les uns des autres, ou les enterrer.

R14-  


R15-  
L'oiseau est en contact uniquement avec un seul fil. La bipolarité du courant électrique n'est donc pas respectée. On n'a pas une chaîne fermée ininterrompue de conducteurs qui passe par les deux bornes d'un générateur. L'oiseau n'est donc pas traversé par un courant électrique, et n'est pas électrocuté.

R16-

Ce n'est pas la force qui est transmise entre l'entrée et la sortie, mais le moment des forces. Le levier permet donc d'amplifier la force motrice, dans le rapport des distances des points d'applications au pivot. On peut donc casser une noix sans forcer.

R17-   Les engrenages permettent de transmettre un mouvement à distance au moyen de pièces mécaniques dentées.
Ils permettent de modifier : la vitesse de rotation; le type de mouvement (rotation donne translation, dans le cas par exemple du système pignon crémaillère); le sens de rotation, la direction de l'axe de rotation; l'effort en rotation (moment du couple).
Vitesse de rotation : essoreur à salade. Sens de rotation : marche arrière sur une voiture.

R18-


R19-  

19.2 Il s'agit donc de la transformation d'un mouvement de rotation en un autre mouvement de rotation en sens inverse. Un tour du maneton donne un quart de tour pour la croix de Malte.

R20-   20.1 Le système de transmission de mouvement est un système par engrenages.

20.2 Il s'agit d'une réduction de vitesse de rotation, donc d'une démultiplication. En effet, le moteur tourne très vite et le presse-agrum doit tourner lentement pour ne pas faire tout gicler. D'autre part, le fruit par exemple frotte fortement, et applique un couple résistant important. Il faut donc augmenter le couple moteur du moteur avec une démultiplication.

R21-  


R22-   La brouette ci-dessus, dans le cas où OA = 2 OB.

R23-   23.1 Il ya 7 pignons et 3 plateaux, donc 21 = 3 X 7 rapports de vitesse de rotation.
23.2 Je prendrais le plus petit plateau de 24 dents, et le plus grand pignon de 28 dents.
En effet, on sait que les moments des forces faisant tourner les roues, sont dans le rapport inverse de celui des vitesses de rotation. Il faut donc démultiplier le mouvement (en vitesse) pour augmenter l'action en rotation sur la roue arrière, donc faciliter la montée.
L'explication de l'effet inverse sur les vitesses et les moments vient de la conservation de la puissance entre l'entrée et la sortie, la puissance étant le produit de la vitesse de rotation par le moment des forces.
Calculons directement le rapport des moments entre l'entrée et la sortie :



R24-   24.1 Desssin de gauche, la roue avant; dessin de droite, la roue arrière. En effet, la chaîne applique un couple moteur à la roue arrière.
24.2 Deux défauts : selle trop haute et peu confortable, car trop près du guidon.

R25-   25.1 travail électrique -->convertisseur (moteur électrique) --> travail mécanique --> énergie cinétique
25.2 Démultiplication pour ralentir et augmenter l'effort en rotation. Mouvement de rotation donne mouvement de translation avec roulement d'un galet sur un rail, ou système pignon crémaillère.

R26-   26.1 travail électrique -->convertisseur (moteur électrique) --> travail mécanique --> énergie cinétique de la barrière
et : travail du poids du contrepoids -> travail des forces de contraintes dans la barrière -> énergie potentielle de la barrière.
26.2 Démultiplication pour ralentir et augmenter l'effort en rotation. Liaison pivot.

R27-   La matérialité de l'air se manifeste par exemple par le fait que l'air est pesant. Équilibrons par exemple une balance de Roberval avec d'un côté un récipient pour conserver les aliments dans lequel on peut faire le vide. Lorsque l'on fait le vide, on se rend compte que le récipient pèse moins lourd, montrant par là que l'air que l'on a enlevé était pesant. On travail bien à volume constant, donc la poussée d'Archimède n'intervient pas dans la pesée. On trouve ainsi que l'air pèse 1,2 kg/m3.

R28-   Fusion : passage de l'état solide à l'état liquide sous l'action de la chaleur. Dissolution : mise en contact d'une substance solide, liquide ou gazeuse, appelée soluté, avec un liquide (solvant), pour obtenir un mélange liquide homogène (ou solution).
Le sel se dissout dans l'eau.

R29-   Solide (glace ou neige), liquide et gazeux (vapeur d'eau). S donne L : fusion; S donne V : sublimation; L donne V : vaporisation (évaporation ou ébullition); V donne L : liquéfaction; V donne S : condensation; L donne S : solidification.
On passe du solide au liquide, puis du liquide au gaz en chauffant. Cependant, la sublimation et l'évaporation se produisent à toutes températures, à condition que la pression de vapeur soit suffisamment faible, et qu'on ne soit pas à une trop basse température.
La fusion se produit à 0°C. L'ébullition se produit à 100°C sous la pression atmosphérique moyenne (1013 hPa ).

R30-   Fumée : petites particules solides en suspension dans l'air, usuellement obtenues à partir d'une combustion. Vapeur : gaz mélangé avec l'air, provenant d'une substance usuellement à l'état liquide. Brouillard : petite gouttelettes liquides microscopiques provenant de la liquéfaction d'une vapeur, lorsque la pression de vapeur devient supérieure à la pression de vapeur saturante à la température considérée.

R31-   La vapeur d'eau présente dans la pièce se liquéfie sur les parois froides de la bouteille, en une multitude de petites gouttelettes d'eau liquide qu'on appelle la buée. Plus précisément, au voisinage de la bouteille, l'air est à une température proche de celle des parois. La pression de vapeur saturante est ici plus faible. La pression de vapeur, non saturante dans la pièce, est la même dans cette pellicule d'air, mais là, est saturante.

R32-   Même réponse que précédemment, mais ensuite, le verre se réchauffe, et la buée finit par sévaporer.

R33-   33.1 La buée qui est constituée de petites gouttelettes d'eau liquide se forme par la liquéfaction de la vapeur d'eau qui provient des poumons des occupants sur les vitres froides (liquéfaction d'un gaz par refroidissement).
33.2 Le chauffage fait baisser l'humidité de l'air à quantité de vapeur d'eau constante dans l'habitacle. On atteint une humidité inférieure à 100% au voisinage de la vitre (là où l'air à la même température que la vitre) et la buée s'évapore. Mais l'air au voisinage de la vitre se retrouve alors de nouveau humide par cet apport d'eau. La ventilation permet d'évacuer cet air humide et de le remplacer par de l'air sec.

R34-   34.1 Le mélange n'est pas un corps pur. Seule l'eau pure (corps pur) gèle à 0°C. Il n'est donc pas étonnant que la température de congélation soit différente. L'explication de l'abaissement du point de congélation de l'eau est la suivante : lorsque la glace est en équilibre dans l'eau, il y a en fait en permanence des molécules de la glace qui s'échappent dans l'eau et, en nombre égal, des molécules de l'eau qui viennent se fixer sur la glace. Les ions du sel diluent l'eau et font que les molécules d'eau sont plus espacées.
    En effet, dans un liquide, les molécules sont en contact. On peut les considérer comme de petites sphères dures impénétrables. Les ions du sel (Na+ et Cl-) ont chacun un volume à peu près égal à celui des molécules d'eau. En se glissant entre les molécules d'eau, ces ions les séparent et les écartent les unes des autres. Étant plus espacées, les molécules d'eau frappent la glace moins souvent, et ainsi, il y en a moins qui viennent se fixer sur la glace; l'équilibre est rompu par le fait qu'il y a toujours autant de molécules qui quittent la glace (en effet, la glace ne contient pas de sel, et pour elle, rien n'est changé), et moins qui viennent se fixer dessus . C'est un phénomène tout à fait analogue à celui qui fait que l'eau s'évapore plus si la quantité de vapeur d'eau dans l'air diminue. Le sel fait baisser la "pression" de l'eau liquide.

34.2 La vapeur d'eau, toujours présente dans l'air, se condense directement en cristaux de glace au contact de cette paroi très froide.

R35-   Tous les nuages sont constitués de très petites gouttelettes d'eau liquide, en surfusion quand il gèle; sauf les cirrus qui sont à très haute altitude (supérieure à 6 km) là où la température est inférieure à -40°C. À cette température, la surfusion cesse, et les cirrus sont constitués de cristaux de glace.

Lorsque de l'air s'élève par convection par exemple, il se détend (baisse de pression) ce qui provoque une baisse de température. La vapeur d'eau peut alors se liquéfier en gouttelettes d'eau liquide ou se condenser en cristaux de glace, formant ainsi les nuages.

R36-   36.1 Mettre le thermomètre dans un mélange d'eau et de glace pilée (surface d'échange augmentée).
36.2 Le mélange d'eau pure et de glace est au palier à 00 à l'équilibre.

R37-   a) La glace disparaît, tandis que de l'eau apparaît. On peut mesurer que la masse totale reste constante (conservation de la matière), tandis que le volume diminue. On peut mesurer également la quantité d'énergie nécessaire pour faire fondre un kilogramme de glace (chaleur latente de fusion mesurée en Joules). D'autre part, la température reste constante à 0°C (palier).
b) La température n'est pas constante (on n'a plus un corps pur), et elle est inférieure à 0°C. La masse se conserve encore.

R38-   38.1 Les changements d'états sont caractéristiques des substances.
38.2 (A) cyclohexane, (B) eau pure, (C) eau salée. L'eau est la substance qui a un palier à 00, l'eau salée qui estun mélanfe homogène ne présente pas de palier, et la dernière courbe est le cyclohexane, qui en tant que coprs pur présente bien un palier.

R39-   La température d'ébullition de l'eau est plus élevée, car la pression est plus élevée et la température d'ébullition de l'eau dépend de la pression. L'agitation thermique est plus forte, et les protéines des aliments se dégradent plus vite par les chocs plus violents avec les voisines.
À la sortie de la soupape, sur quelques milimètres, on ne voit rien, car la vapeur d'eau qui sort est invisible. Puis, on voit du brouillard, résultat de la liquéfaction de la vapeur d'eau qui se refroidit en se mélangeant à l'air ambiant.

R40-   Il s'agit de faire une filtration avec des filtres de plus en plus fins : graviers, sable, coton, papier filtre, et charbon de bois à la fin.

R41-   Avant, on a un mélange homogène d'eau et de gaz carbonique dissout. La pression chute quand on ouvre, or la quantité de gaz qui se dissout dans un liquide augmente avec la pression. Donc, il y a trop de gaz dissout, la pression aynat chuté, et il se forme des bulles de gaz carbonique. on a alors un mélange hétérogène d'eau et de bulles de gaz carbonique. Ce mélange hétérogène se sépare par décantation, les bulles montant vers la surface.

R42-   42.1 Mélange homogène. Aspect uniforme.
42.2 Mélange hétérogène, aspect granumeux, émulsion.
42.3 Le mélange hétérogène se sépare par décantation, l'huile moins dense se rassemble à la surface.
42.4 Mettre sur une balance de Roberval équilibrée, d'un côté un verre rempli d'huile, et de l'autre côté un verre identique rempli à la même hauteur de vinaigre.
42.5 L'huile pourrait être un mélange hétérogène assez persistant, du fait qu'elle est visqueuse (s'écoule difficilement), d'huile et de sel, le sel dans l'huile ne pouvant aller se dissoudre dans le vinaigre.

R43-   On procède par filtration en faisant couler de l'eau dans le sable déposé dans un entonnoir muni d'un papier filtre. Le sel dissous dans l'eau passe (mélange homogène) tandis que le sable reste (mélange hétérogène). On vérifie à la fin qu'on a fait passer suffisamment d'eau en recueillant une petite quantité d'eau à la fin, et en vérifiant par évaporation qu'aucun cristal de sel ne réapparaît.

R44-   Eau limpide : pas de mélange hétérogène avec cette eau (pas de boue). Eau pure : uniquement des molécules d'eau. Eau potable : eau assimilable sans danger par l'organisme (pas de substances toxiques de mélangées à l'eau, soit sous forme d'un mélange homogène ou d'un mélange hétérogène. Pas de virus non plus, ni de bactéries (ni de prion).

R45-   La température s'élève progressivement puis, à la neuvième minute, au moment où l'eau se met à bouillir, reste constante. C'est le palier d'ébullition.
La température s'élève, car l'eau reçoit de la chaleur. Mais, quand l'eau bout, la température reste constante; c'est le cas pour tous les corps purs. Toute la chaleur apportée à l'eau est alors consommée par le changement d'état liquide-gaz (échange d'énergie lié aux changements d'états). Si on chauffe plus fort, la température restera encore voisine de 100°C, mais l'ébullition sera plus violente.
On n'a pas tout à fait 100°C, soit à cause d'une légère erreur de graduation du thermomètre, soit parce que le thermomètre est trop près des parois du récipient qui sont à une température légèrement supérieure à 100°C.

R46-   Les phases de la Lune consiste en le "jour et la nuit" sur la Lune, vu depuis la Terre. Suivant l'angle entre la direction du Soleil et celle de la Lune vues depuis le point d'observation, on aura en face de soi plus ou moins la partie de la Lune où il fait jour, ou celle où il fait nuit. La partie de la Lune où il fait nuit est en fait pratiquement invisible et semble manquer. Ce qu'on appelle la lunaison est la période du phénomène qui est de l'ordre de 29 jours. Le schéma suivant résume ce phénomène :


R47-   47.1 Premier croissant.
47.2 Voir schéma ci-dessus.
47.3 Non, car la Lune au premier croissant est visible le soir, et non pas le matin.

R48-   Une éclipse de Soleil a lieu quand le Soleil est caché par la Lune. Cette dernière, est donc entre la Terre et le Soleil, et on est donc en phase de Nouvelle Lune, comme le montre le schéma ci-dessus des phases de la Lune.
Une éclipse de Lune a lieu quand cette dernière passe dans l'ombre de la Terre. La Terre est donc cette fois ci entre le Soleil et la Lune, et on est donc en phase de Pleine Lune, comme le montre également le schéma ci-dessus.

R49-   L'explication utilise la théorie de la propagation rectiligne de la lumière. On voit sur le schéma ci-dessous, que les rayons lumineux qui passent par le trou pour former l'image sur le papier calque, sont obligés, de descendre pour celui du dessus, et de monter pour celui du dessous, ce qui entraîne l'inversion de l'image. On raisonne à deux dimensions, mais le phénomène est le même à trois dimensions.

L'image est plus petite tout simplement, parce que sur le dessin, le papier calque est plus près du trou que la bougie. On a deux triangles semblables, dont l'un est plus petit que l'autre. Il en résulte que, si on éloigne la bougie, ces deux triangles ont une différence de taille encore plus grande, et l'image devient plus petite. C'est par ce phénomène qu'un objet paraît plus petit à la vue s'il est plus loin. Son image sur la rétine devient plus petite.

Enfin, si on agrandit le trou, il y a plus de rayons lumineux qui passent, et l'image devient plus lumineuse, ce qui est intéressant. Cependant, si on agrandit trop le trou, on voit sur le schéma ci-dessous, que les faisceaux lumineux provenant de deux endroits différents de la bougie finissent par se mélanger. L'image devient floue. Cet inconvénient n'existe pas dans un appareil photographique ou l'oeil, ou respectivement, une lentille ou le cristallin, font converger les rayons lumineux d'un même point source en un seul endroit de l'écran, ou de la rétine pour l'oeil.




R50-  

    Si le ballon n'est pas trop près de la source, les points de tangence A et B sont pratiquement diamètralement opposés, et leur milieu H1 est pratiquement confondu avec le centre du ballon. Les deux tiangles OAB et OCD sont semblables, et pour avoir CD = 2 AB, il suffit d'avoir OH2 = 2 OH1. La condition est donc que l'écran soit deux fois plus loin de la source que le ballon.

51-   Paris et Moscou ne sont pas sur le même méridien, Ces deux villes n'ont pas la même longitude. Prenons le cas de l'équinoxe, quand le Soleil est rasant au pôle, la moitié de la Terre est éclairée, l'autre moitié dans l'obscurité. On voit sur la figure, que le méridien de Moscou peut être dans la partie de la Terre où il fait déjà jour, tandis que le méridien de Paris est dans la partie où il fait encore nuit. Le jour se lève donc à Moscou avant de se lever à Paris, comme on le voit sur la figure compte tenu du sens de rotation de la Terre.


R52-   La Lune présente toujours la même face à la Terre, car elle tourne sur elle-même à la même vitesse qu'elle tourne autour de la Terre. Il y a donc bien une face cachée de la Lune.

R53-   La Terre tourne autour du Soleil, et la Lune autour de la Terre. Au cours de ces mouvements, il arrive que le Soleil, la Terre et la Lune soient alignés, la Terre étant entre le Soleil et la Lune. La Lune passe alors dans le cône d'ombre de la Terre, et n'est plus éclairée directement par le Soleil. Elle est encore visible, mais très sombre et rouge orangée. Elle reste en effet éclairée indirectement par la lumière du Soleil réfractée et diffusée par l'atmosphère terrestre des régions ou le Soleil est couchant.