QCM corrigés : Physique (niveau bac)

Questions originales rédigées pour l’entraînement : elles reproduisent le style et le niveau des épreuves, pas des sujets officiels.

1. Débutant
   Une onde mécanique progressive transporte :
   1. De l'énergie, sans transport global de matière
   2. Uniquement de la lumière
   3. De la matière, sans énergie
   4. De la matière et de l'énergie
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   Bonne réponse : De l'énergie, sans transport global de matière
   Lors du passage d'une onde mécanique, chaque point du milieu reprend sa position après la perturbation : seule l'énergie se propage.
2. Intermédiaire
   L'écart angulaire $\theta$ entre le milieu de la tache centrale de diffraction et la première extinction, pour une fente de largeur $a$ éclairée par une lumière de longueur d'onde $\lambda$, vérifie :
   1. $\displaystyle \theta = \frac{\lambda}{a}$
   2. $\displaystyle \theta = \frac{a}{\lambda}$
   3. $\theta = \lambda a$
   4. $\displaystyle \theta = \frac{2a}{\lambda}$
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   Bonne réponse : $\theta = \frac{\lambda}{a}$
   Pour les petits angles, $\theta = \frac{\lambda}{a}$ (demi-largeur angulaire ; la tache centrale a une largeur angulaire $2\theta = \frac{2\lambda}{a}$) : plus la fente est fine, plus la tache centrale est large.
3. Débutant
   Le noyau d'uranium ${}^{235}_{92}\mathrm{U}$ contient :
   1. 92 protons et 143 neutrons
   2. 92 protons et 235 neutrons
   3. 235 protons et 92 neutrons
   4. 143 protons et 92 neutrons
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   Bonne réponse : 92 protons et 143 neutrons
   $Z = 92$ protons et $N = A - Z = 235 - 92 = 143$ neutrons.
4. Intermédiaire
   Quelle est la constante de temps d'un dipôle RC avec $R = 1\ \mathrm{k}\Omega$ et $C = 100\ \mu\mathrm{F}$ ?
   1. $100\ \mathrm{s}$
   2. $10\ \mathrm{s}$
   3. $0{,}1\ \mathrm{s}$
   4. $0{,}01\ \mathrm{s}$
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   Bonne réponse : $0{,}1\ \mathrm{s}$
   $\tau = RC = 10^{3} \times 100 \times 10^{-6} = 10^{-1}\ \mathrm{s} = 0{,}1\ \mathrm{s}$.
5. Intermédiaire
   Quelle est la constante de temps d'un dipôle RL ?
   1. $\displaystyle \tau = \frac{L}{R}$
   2. $\tau = RL$
   3. $\tau = \sqrt{LR}$
   4. $\displaystyle \tau = \frac{R}{L}$
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   Bonne réponse : $\tau = \frac{L}{R}$
   Pour un dipôle RL, $\tau = \frac{L}{R}$ ($L$ en henrys, $R$ en ohms, $\tau$ en secondes). Pour un dipôle RC, $\tau = RC$.
6. Intermédiaire
   Quelle est la période propre d'un circuit LC idéal ?
   1. $T_0 = 2\pi\sqrt{LC}$
   2. $\displaystyle T_0 = \frac{2\pi}{LC}$
   3. $\displaystyle T_0 = 2\pi\sqrt{\frac{L}{C}}$
   4. $\displaystyle T_0 = \frac{\sqrt{LC}}{2\pi}$
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   Bonne réponse : $T_0 = 2\pi\sqrt{LC}$
   L'équation $\frac{\mathrm{d}^{2}q}{\mathrm{d}t^{2}} + \frac{q}{LC} = 0$ admet des solutions sinusoïdales de pulsation $\omega_0 = \frac{1}{\sqrt{LC}}$, donc $T_0 = 2\pi\sqrt{LC}$.
7. Débutant
   Un conducteur ohmique de résistance $R = 100\ \Omega$ est traversé par un courant d'intensité $I = 0{,}2\ \mathrm{A}$. Quelle est la tension à ses bornes ?
   1. $0{,}002\ \mathrm{V}$
   2. $500\ \mathrm{V}$
   3. $20\ \mathrm{V}$
   4. $50\ \mathrm{V}$
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   Bonne réponse : $20\ \mathrm{V}$
   Loi d'Ohm : $U = RI = 100 \times 0{,}2 = 20\ \mathrm{V}$.
8. Débutant
   D'après la deuxième loi de Newton, dans un référentiel galiléen :
   1. La somme des forces est toujours nulle
   2. Toute force entraîne une vitesse constante
   3. La somme des forces extérieures est égale au produit de la masse par l'accélération du centre d'inertie
   4. La vitesse est proportionnelle à la force
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   Bonne réponse : La somme des forces extérieures est égale au produit de la masse par l'accélération du centre d'inertie
   Le principe fondamental de la dynamique relie la résultante des forces à l'accélération du centre d'inertie. Si $\sum \vec{F} = \vec{0}$, le centre d'inertie est au repos ou en mouvement rectiligne uniforme (1re loi).
9. Intermédiaire
   Une bille est lâchée sans vitesse initiale en chute libre ($g = 10\ \mathrm{m\,s^{-2}}$). Quelle est sa vitesse au bout de $3\ \mathrm{s}$ ?
   1. $30\ \mathrm{m\,s^{-1}}$
   2. $90\ \mathrm{m\,s^{-1}}$
   3. $3{,}3\ \mathrm{m\,s^{-1}}$
   4. $45\ \mathrm{m\,s^{-1}}$
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   Bonne réponse : $30\ \mathrm{m\,s^{-1}}$
   En chute libre, $v = gt = 10 \times 3 = 30\ \mathrm{m\,s^{-1}}$. La distance parcourue est alors $\frac{1}{2}gt^{2} = 45\ \mathrm{m}$.
10. Avancé
    Un projectile est lancé avec une vitesse $\vec{v}_0$ faisant un angle $\alpha$ avec l'horizontale, frottements négligés. Quelle composante de la vitesse reste constante ?
    1. Les deux composantes
    2. La composante horizontale $v_0 \cos\alpha$
    3. La composante verticale $v_0 \sin\alpha$
    4. Aucune composante
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    Bonne réponse : La composante horizontale $v_0 \cos\alpha$
    La seule force est le poids, vertical : l'accélération horizontale est nulle, donc $v_x = v_0 \cos\alpha$ reste constante, tandis que $v_z = -gt + v_0 \sin\alpha$ varie.
12. Avancé
    Selon la troisième loi de Kepler, pour les planètes tournant autour du Soleil, le rapport $\displaystyle \frac{T^{2}}{a^{3}}$ ($T$ période, $a$ demi-grand axe) est :
    1. Le même pour toutes les planètes
    2. Proportionnel à $a$
    3. Proportionnel à la masse de la planète
    4. Égal à 1
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    Bonne réponse : Le même pour toutes les planètes
    $\frac{T^{2}}{a^{3}} = \frac{4\pi^{2}}{GM}$, où $M$ est la masse de l'astre attracteur : ce rapport ne dépend pas de la planète considérée.
13. Intermédiaire
    Quelle est la période propre d'un pendule élastique horizontal (masse $m$, ressort de raideur $k$) ?
    1. $\displaystyle T_0 = 2\pi\sqrt{\frac{k}{m}}$
    2. $T_0 = \sqrt{mk}$
    3. $T_0 = 2\pi mk$
    4. $\displaystyle T_0 = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}$
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    Bonne réponse : $T_0 = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}$
    L'équation $m\ddot{x} + kx = 0$ donne $\omega_0 = \sqrt{\frac{k}{m}}$ et $T_0 = \frac{2\pi}{\omega_0} = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}$.
14. Débutant
    Quelle est l'énergie cinétique d'un corps de $2\ \mathrm{kg}$ se déplaçant à $3\ \mathrm{m\,s^{-1}}$ ?
    1. $18\ \mathrm{J}$
    2. $6\ \mathrm{J}$
    3. $3\ \mathrm{J}$
    4. $9\ \mathrm{J}$
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    Bonne réponse : $9\ \mathrm{J}$
    $E_c = \frac{1}{2}mv^{2} = \frac{1}{2} \times 2 \times 3^{2} = 9\ \mathrm{J}$.
15. Intermédiaire
    Une lentille convergente a une distance focale $f' = 20\ \mathrm{cm}$. Quelle est sa vergence ?
    1. $2\ \delta$
    2. $0{,}05\ \delta$
    3. $5\ \delta$
    4. $20\ \delta$
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    Bonne réponse : $5\ \delta$
    $C = \frac{1}{f'}$ avec $f'$ en mètres : $C = \frac{1}{0{,}20} = 5\ \delta$.
16. Intermédiaire
    Comment appelle-t-on le procédé qui fait varier l'amplitude d'une onde porteuse de haute fréquence au rythme d'un signal audio, pour le transmettre ?
    1. La diffraction
    2. La modulation d'amplitude
    3. La dispersion
    4. La réflexion totale
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    Bonne réponse : La modulation d'amplitude
    En AM, l'amplitude de la porteuse haute fréquence varie au rythme du signal basse fréquence. À la réception, la démodulation (détection d'enveloppe) restitue le signal.
17. Débutant
    Quelle est l'intensité du poids d'un corps de masse $5\ \mathrm{kg}$ sur Terre ($g = 9{,}8\ \mathrm{N\,kg^{-1}}$) ?
    1. $0{,}5\ \mathrm{N}$
    2. $49\ \mathrm{N}$
    3. $4{,}9\ \mathrm{N}$
    4. $5\ \mathrm{N}$
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    Bonne réponse : $49\ \mathrm{N}$
    $P = mg = 5 \times 9{,}8 = 49\ \mathrm{N}$. La masse (en kg) est la même partout ; le poids (en N) dépend de l'astre.
18. Intermédiaire
    Un atome passe d'un niveau d'énergie $E_3 = -1{,}51\ \mathrm{eV}$ au niveau $E_2 = -3{,}40\ \mathrm{eV}$. Il émet un photon d'énergie :
    1. $0{,}89\ \mathrm{eV}$
    2. $1{,}89\ \mathrm{eV}$
    3. $3{,}40\ \mathrm{eV}$
    4. $1{,}51\ \mathrm{eV}$
    5. $4{,}91\ \mathrm{eV}$
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    Bonne réponse : $1{,}89\ \mathrm{eV}$
    Lors d'une désexcitation, l'atome émet un photon d'énergie égale à la différence des niveaux : $-1{,}51 - (-3{,}40) = 1{,}89$ eV. C'est la raie rouge Hα de l'hydrogène ($\lambda \approx 656$ nm). Les niveaux d'énergie sont quantifiés.
19. Débutant
    Une onde mécanique est dite transversale lorsque :
    1. La perturbation est perpendiculaire à la direction de propagation
    2. Elle ne transporte pas d'énergie
    3. Elle se propage dans le vide
    4. La perturbation est parallèle à la direction de propagation
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    Bonne réponse : La perturbation est perpendiculaire à la direction de propagation
    Exemple : une onde le long d'une corde. Dans une onde longitudinale (le son, les compressions d'un ressort), la perturbation est parallèle à la direction de propagation.
20. Débutant
    Quelle est la célérité de la lumière dans le vide ?
    1. Environ $340\ \mathrm{m\,s^{-1}}$
    2. Environ $3 \times 10^{6}\ \mathrm{km\,s^{-1}}$
    3. Environ $3 \times 10^{8}\ \mathrm{m\,s^{-1}}$
    4. Environ $3 \times 10^{5}\ \mathrm{m\,s^{-1}}$
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    Bonne réponse : Environ $3 \times 10^{8}\ \mathrm{m\,s^{-1}}$
    $c = 299\,792\,458\ \mathrm{m\,s^{-1}}$, soit environ $300\,000\ \mathrm{km\,s^{-1}}$. La valeur $340\ \mathrm{m\,s^{-1}}$ est l'ordre de grandeur de la vitesse du son dans l'air.
21. Intermédiaire
    Lors d'une désintégration $\alpha$, un noyau père de nombre de masse $A$ et de numéro atomique $Z$ donne un noyau fils :
    1. De nombre de masse $A$ et de numéro atomique $Z + 1$
    2. De nombre de masse $A - 4$ et de numéro atomique $Z - 2$
    3. De nombre de masse $A$ et de numéro atomique $Z - 1$
    4. De nombre de masse $A - 2$ et de numéro atomique $Z - 4$
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    Bonne réponse : De nombre de masse $A - 4$ et de numéro atomique $Z - 2$
    La particule $\alpha$ est un noyau d'hélium ${}^{4}_{2}\mathrm{He}$. Les lois de Soddy (conservation du nombre de masse et du nombre de charge) donnent $A = (A - 4) + 4$ et $Z = (Z - 2) + 2$.
22. Intermédiaire
    Lors de la charge d'un condensateur dans un circuit RC soumis à un échelon de tension $E$, quelle est la tension à ses bornes à l'instant $t = \tau$ ?
    1. $50\ \%$ de $E$
    2. $100\ \%$ de $E$
    3. Environ $63\ \%$ de $E$
    4. Environ $37\ \%$ de $E$
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    Bonne réponse : Environ $63\ \%$ de $E$
    $u(t) = E\left(1 - e^{-t/\tau}\right)$ ; à $t = \tau$, $u = E\left(1 - e^{-1}\right) \approx 0{,}63\, E$. On considère la charge pratiquement terminée vers $5\tau$ ($99\ \%$).
23. Intermédiaire
    En régime permanent, une bobine idéale traversée par un courant d'intensité constante se comporte comme :
    1. Un simple fil conducteur
    2. Un condensateur
    3. Un interrupteur ouvert
    4. Un générateur
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    Bonne réponse : Un simple fil conducteur
    $u = ri + L\frac{\mathrm{d}i}{\mathrm{d}t}$. En régime permanent, $\frac{\mathrm{d}i}{\mathrm{d}t} = 0$ et, pour une bobine idéale ($r = 0$), $u = 0$. Une bobine s'oppose seulement aux variations du courant.
24. Intermédiaire
    Dans un circuit RLC série en régime libre, la résistance provoque :
    1. Des oscillations sinusoïdales non amorties
    2. Une augmentation de l'énergie totale
    3. Une augmentation de l'amplitude
    4. Un amortissement des oscillations
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    Bonne réponse : Un amortissement des oscillations
    La résistance dissipe de l'énergie par effet Joule : l'amplitude diminue (régime pseudo-périodique) ou les oscillations disparaissent (régime apériodique) si $R$ est grande.
25. Débutant
    Quelle est la puissance électrique reçue par un radiateur alimenté sous $220\ \mathrm{V}$ et parcouru par un courant de $5\ \mathrm{A}$ ?
    1. $44\ \mathrm{W}$
    2. $2\,200\ \mathrm{W}$
    3. $225\ \mathrm{W}$
    4. $1\,100\ \mathrm{W}$
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    Bonne réponse : $1\,100\ \mathrm{W}$
    Pour un récepteur ohmique, $P = UI = 220 \times 5 = 1\,100\ \mathrm{W}$.
26. Débutant
    Selon le principe des actions réciproques, si un corps A exerce une force $\vec{F}$ sur un corps B, alors B exerce sur A :
    1. Une force $2\vec{F}$
    2. Une force perpendiculaire à $\vec{F}$
    3. Une force nulle
    4. Une force $-\vec{F}$, de même intensité et de sens opposé
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    Bonne réponse : Une force $-\vec{F}$, de même intensité et de sens opposé
    Troisième loi de Newton : les deux forces ont même droite d'action, même intensité et des sens opposés, qu'il y ait mouvement ou non.
27. Intermédiaire
    En chute libre, quelle distance parcourt en $2\ \mathrm{s}$ une bille lâchée sans vitesse initiale ($g = 10\ \mathrm{m\,s^{-2}}$) ?
    1. $10\ \mathrm{m}$
    2. $20\ \mathrm{m}$
    3. $5\ \mathrm{m}$
    4. $40\ \mathrm{m}$
    Voir la réponse et l’explication

    Bonne réponse : $20\ \mathrm{m}$
    $z = \frac{1}{2}gt^{2} = \frac{1}{2} \times 10 \times 2^{2} = 20\ \mathrm{m}$.
28. Avancé
    Pour une même vitesse initiale, quel angle de tir donne la portée maximale sur un sol horizontal, frottements négligés ?
    1. $90^{\circ}$
    2. $60^{\circ}$
    3. $30^{\circ}$
    4. $45^{\circ}$
    Voir la réponse et l’explication

    Bonne réponse : $45^{\circ}$
    La portée vaut $\frac{v_0^{2} \sin(2\alpha)}{g}$ ; elle est maximale quand $\sin(2\alpha) = 1$, soit $\alpha = 45^{\circ}$.
29. Avancé
    Un satellite géostationnaire :
    1. Survole les deux pôles à chaque révolution
    2. Tourne dans le plan de l'équateur avec une période égale à celle de la rotation propre de la Terre
    3. Est immobile dans le référentiel géocentrique
    4. A une période de 24 jours
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    Bonne réponse : Tourne dans le plan de l'équateur avec une période égale à celle de la rotation propre de la Terre
    Il tourne dans le même sens que la Terre, dans le plan équatorial, à environ $36\,000\ \mathrm{km}$ d'altitude : il paraît fixe pour un observateur terrestre.
30. Intermédiaire
    Pour un pendule simple oscillant avec une faible amplitude, la période dépend :
    1. De sa longueur et de l'intensité de la pesanteur
    2. De la masse suspendue
    3. De l'amplitude des oscillations
    4. De la couleur du fil
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    Bonne réponse : De sa longueur et de l'intensité de la pesanteur
    $T_0 = 2\pi\sqrt{\frac{l}{g}}$ : la période ne dépend ni de la masse ni, pour de petites amplitudes, de l'amplitude.
31. Intermédiaire
    Un objet de $1\ \mathrm{kg}$ est lâché sans vitesse d'une hauteur $h = 5\ \mathrm{m}$, frottements négligés ($g = 10\ \mathrm{m\,s^{-2}}$). Quelle est sa vitesse en arrivant au sol ?
    1. $10\ \mathrm{m\,s^{-1}}$
    2. $100\ \mathrm{m\,s^{-1}}$
    3. $50\ \mathrm{m\,s^{-1}}$
    4. $5\ \mathrm{m\,s^{-1}}$
    Voir la réponse et l’explication

    Bonne réponse : $10\ \mathrm{m\,s^{-1}}$
    Conservation de l'énergie mécanique : $mgh = \frac{1}{2}mv^{2}$, donc $v = \sqrt{2gh} = \sqrt{100} = 10\ \mathrm{m\,s^{-1}}$.