À la fin de cette leçon, vous saurez :
Le chapitre de Physique appliquée pour la série E constitue un pilier fondamental du programme de Terminale scientifique au Cameroun. Selon le Ministère des Enseignements Secondaires (MINESEC) et l'Office du Baccalauréat du Cameroun (OBC), cette discipline représente l'une des épreuves obligatoires du BAC série E avec un coefficient élevé, reflétant son importance dans la formation des futurs ingénieurs et techniciens supérieurs. Le programme officiel vise à développer chez l'apprenant une compréhension approfondie des phénomènes physiques rencontrés dans les systèmes industriels modernes.
L'épreuve de Physique-Chimie au BAC série E s'inscrit dans le cadre des épreuves écrites obligatoires (Maths, Phys-Chim, SVT, Histoire-Géo, Anglais, Français Philo selon série) complétées par l'EPS pratique. Une note moyenne supérieure ou égale à 10/20 est requise pour l'admission. La physique appliquée occupe une place stratégique car elle fait le lien entre les concepts théoriques de physique générale et leurs applications concrètes dans l'industrie camerounaise, notamment dans les secteurs de l'énergie, de la construction mécanique et de l'électrotechnique.
Ce chapitre s'articule autour de trois grands axes définis par le référentiel officiel : la mécanique des solides (systèmes en rotation, équilibre statique, liaisons mécaniques), l'électricité industrielle (courants alternatifs, transformateurs, moteurs électriques, sécurité) et la thermodynamique appliquée (principes fondamentaux, cycles thermodynamiques, échangeurs). Ces domaines constituent le socle de compétences indispensables pour réussir l'épreuve du BAC série E et poursuivre des études supérieures en ingénierie.
Définition normative : Un système en rotation est un solide ou ensemble de solides effectuant un mouvement circulaire autour d'un axe fixe. Le moment cinétique (L) d'un solide en rotation autour d'un axe fixe est donné par : L = J·ω, où J est le moment d'inertie par rapport à l'axe de rotation et ω la vitesse angulaire.
Le moment d'inertie représente la résistance d'un corps à la modification de son mouvement de rotation. Pour un solide homogène de masse m :
Le théorème du moment cinétique stipule que : dL/dt = Σ Mext, où Σ Mext représente la somme des moments des forces extérieures appliquées au système. Dans le référentiel du programme MINESEC, on utilise fréquemment la forme simplifiée pour une rotation autour d'un axe fixe : J·α = Σ Mext, où α = dω/dt est l'accélération angulaire.
Un système est en équilibre statique lorsque la résultante des forces extérieures et la somme des moments des forces extérieures par rapport à tout point sont nulles :
| Condition d'équilibre | Expression mathématique |
|---|---|
| Résultante des forces nulle | Σ Fext = 0 (équation vectorielle) |
| Somme des moments nulle | Σ M/O(Fext) = 0 pour tout point O |
| Projection sur axes (Ox, Oy, Oz) | Σ Fx = 0 ; Σ Fy = 0 ; Σ Fz = 0 |
Les réactions d'appui sont les forces exercées par les supports sur le système étudié. Leur détermination constitue un exercice type au BAC série E. Pour un système plan, trois équations scalaires permettent de résoudre jusqu'à trois inconnues de réactions.
Selon le programme officiel MINESEC, les principales liaisons mécaniques à maîtriser sont :
En courant alternatif monophasé, la tension varie selon : u(t) = Umax·sin(ωt + φ), où Umax est l'amplitude, ω = 2πf la pulsation (f = 50 Hz au Cameroun), et φ le déphasage. La valeur efficace est : Ueff = Umax/√2 ≈ 0,707·Umax.
Le système triphasé utilisé dans l'industrie camerounaise comporte trois tensions sinusoïdales déphasées de 2π/3 (120°) :
Deux configurations sont possibles :
| Montage | Relation tensions | Relation courants |
|---|---|---|
| Étoile (Y) | U = √3·V | I = J |
| Triangle (Δ) | U = V | I = √3·J |
Où U = tension composée (entre phases), V = tension simple (phase-neutre), I = courant de ligne, J = courant de phase.
Transformateur idéal : Machine statique fonctionnant par induction électromagnétique. Le rapport de transformation m = N2/N1 = U2/U1 = I1/I2, où N est le nombre de spires, U la tension, I l'intensité. L'indice 1 désigne le primaire, l'indice 2 le secondaire.
Le moteur à courant continu comporte un stator (inducteur) créant le champ magnétique et un rotor (induit) parcouru par le courant. La force électromotrice (f.é.m.) induite est : E = k·Φ·Ω, où k est une constante constructeur, Φ le flux magnétique et Ω la vitesse angulaire. Le couple électromagnétique est : Cem = k·Φ·I.
Le moteur asynchrone triphasé, le plus utilisé dans l'industrie camerounaise, fonctionne grâce à un champ tournant créé par les enroulements statoriques. Le glissement est défini par : g = (ns - n)/ns, où ns = f/p est la vitesse de synchronisme (f = fréquence, p = nombre de paires de pôles) et n la vitesse du rotor.
Le premier principe de la thermodynamique exprime la conservation de l'énergie : ΔU = Q + W, où ΔU est la variation d'énergie interne, Q la chaleur échangée et W le travail reçu. Pour un gaz parfait : ΔU = n·Cv·ΔT.
Le deuxième principe introduit la notion d'entropie S et impose une direction aux transformations réelles : ΔSunivers ≥ 0. Pour un système réversible : dS = δQ/T.
Les cycles thermodynamiques au programme officiel BAC série E incluent :
Pour les échangeurs de chaleur, la puissance thermique échangée est : Φ = k·S·ΔTml, où k est le coefficient d'échange global, S la surface d'échange et ΔTml l'écart de température moyen logarithmique.
Énoncé : Une poutre homogène AB de longueur L = 4 m et de masse m = 50 kg repose sur deux appuis simples situés en A et B. Une charge ponctuelle P = 200 N est appliquée au point C situé à 1 m de A. Déterminer les réactions d'appui RA et RB.
Données :
Résolution :
Étape 1 : Système d'étude et bilan des forces
Système : {poutre AB}
Forces extérieures : RA (verticale en A), RB (verticale en B), G = 500 N (au milieu de AB), P = 200 N (en C)
Étape 2 : Condition d'équilibre en translation
Σ Fy = 0 → RA + RB - G - P = 0
RA + RB = 500 + 200 = 700 N (équation 1)
Étape 3 : Condition d'équilibre en rotation autour de A
Σ MA = 0 → RB·L - G·(L/2) - P·dAC = 0
RB·4 - 500·2 - 200·1 = 0
4·RB = 1000 + 200 = 1200
RB = 300 N
Étape 4 : Calcul de RA
De l'équation 1 : RA = 700 - RB = 700 - 300
RA = 400 N
Réponses : RA = 400 N ; RB = 300 N
Vérification : RA + RB = 400 + 300 = 700 N = G + P ✓
Énoncé : Un moteur asynchrone triphasé est alimenté par un réseau 380 V / 50 Hz. Chaque enroulement du stator a une impédance Z = 10 Ω et un facteur de puissance cos φ = 0,8. Le moteur est couplé en étoile. Calculer :
Données :
Résolution :
a) Tension simple en couplage étoile
En étoile : V = U/√3
V = 380/√3 = 380/1,732
V ≈ 219,4 V
b) Courant de ligne
Le courant de phase est : J = V/Z = 219,4/10 = 21,94 A
En étoile : I = J
I ≈ 21,94 A ≈ 22 A
c) Puissance active totale
Pour un système triphasé équilibré :
P = √3·U·I·cos φ
P = 1,732 × 380 × 21,94 × 0,8
P = 1,732 × 380 × 17,55
P ≈ 11 548 W ≈ 11,55 kW
Réponses :
Énoncé : Une machine thermique fonctionne selon un cycle de Carnot entre deux sources de chaleur : une source chaude à TC = 500 K et une source froide à TF = 300 K. La machine reçoit QC = 2000 J de la source chaude par cycle.
Résolution :
a) Rendement du cycle de Carnot
Le rendement de Carnot est donné par :
η = 1 - TF/TC
η = 1 - 300/500
η = 1 - 0,6
η = 0,4 = 40%
b) Travail utile produit
Par définition du rendement :
η = W/QC → W = η·QC
W = 0,4 × 2000
W = 800 J
c) Chaleur cédée à la source froide
D'après le premier principe pour un cycle complet : ΔU = 0
Donc : W = QC - QF
QF = QC - W = 2000 - 800
QF = 1200 J
Vérification alternative : QF/QC = TF/TC = 300/500 = 0,6
QF = 0,6 × 2000 = 1200 J ✓
Réponses :
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