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CCINP Physique 1 PC 2013Sujet et corrigé

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  • Interférences à ondes multiples et cavité Fabry-Perot
  • Oscillateur harmonique et effets non linéaires (pendule)
  • Théorème du moment cinétique et théorème de l'énergie cinétique
  • Oscillations amorties et résonance
  • Décomposition en série de Fourier
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Contraste interférentiel en microscopie et dynamique non linéaire d'une balançoire
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Le premier problème étudie le principe du microscope à contraste interférentiel, en modélisant la cavité formée par deux lames semi-argentées comme une superposition d'ondes multiples, puis en analysant le contraste apporté par un détail transparent. Le second problème étudie la dynamique d'un enfant sur une balançoire, depuis l'oscillateur harmonique jusqu'aux effets non linéaires, à l'amortissement, à l'excitation périodique et aux techniques que l'enfant peut utiliser pour se balancer plus haut.

  1. 1Problème A.1 : observation en l'absence de détailsOn établit, par superposition d'une infinité de rayons interférant dans la cavité formée par les deux lames semi-argentées, l'expression de l'intensité transmise en fonction du déphasage, de type Airy.
  2. 2Problème A.2 : observation en présence de détailsOn étudie l'effet d'un détail transparent sur le déphasage et on en déduit le contraste de son image, en discutant les conditions optimales de visibilité.
  3. 3Problème B.2 à B.3 : oscillateur harmonique et effets non linéairespremière annéeOn établit l'équation du mouvement de la balançoire par trois méthodes, on étudie la condition d'oscillateur harmonique puis les effets non linéaires sur la période et le spectre du mouvement.
  4. 4Problème B.4 à B.5 : amortissement et excitation périodiqueOn étudie l'amortissement du mouvement par frottement à l'axe puis l'entretien de l'oscillation par une poussée périodique non harmonique.
  5. 5Problème B.6 à B.7 : techniques pour se balancer plus hautOn étudie deux techniques par lesquelles l'enfant peut augmenter l'amplitude de ses oscillations, en se relevant et s'accroupissant ou en déplaçant ses jambes, à l'aide du théorème du moment cinétique et d'une analyse en série de Fourier.

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EPREUVE SPECIFIQUE - FILIERE PC

PHYSIQUE 1

Durée : 4 heures

Abstract

N.B. : Le candidat attachera la plus grande importance à la clarté, à la précision et à la concision de la rédaction. Si un candidat est amené à repérer ce qui peut lui sembler être une erreur d'énoncé, il le signalera sur sa copie et devra poursuivre sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il a été amené à prendre.

Les calculatrices sont interdites

L'épreuve comporte deux problèmes indépendants.
L'attention des candidats est attirée sur le fait que la notation prendra compte du soin, de la clarté et de la rigueur de la rédaction. Les candidats sont priés d'accorder une importance particulière aux applications numériques demandées, en veillant à l'unité et aux chiffres significatifs du résultat.

Formulaire

  • Pour tout nombre réel x : cosx = 1 − 2sin^2 x/2; cos^2 x = (1 + cos2x)/2; cos^3 x = (3cosx + cos3x)/4.
  • La décomposition en série de Fourier d'une fonction périodique f(t) de période T = (2π)/ω est :
f(t) = (a_0)/2 + ∑_(n = 1)^∞(a_n cos(nωt) + b_n sin(nωt))
avec :
a_n = 2/T∫_0^T f(t)cos(nωt)dt; b_n = 2/T∫_0^T f(t)sin(nωt)dt

PROBLEME A : CONTRASTE INTERFERENTIEL

Sur la platine d'un microscope est posée une préparation très mince transparente, immergée dans un liquide d'indice n et comprise entre deux lamelles de verre identiques dont les faces en regard, semi-argentées, sont parallèles. Les détails de la préparation peuvent être assimilés à de petites lames à faces parallèles d'indice n^′ d'épaisseur ε très faible, parallèles aux faces semi-argentées (figure 1). L'ensemble est éclairé par transmission en incidence normale par un faisceau parallèle de lumière monochromatique (raie verte d'une lampe spectrale à mercure : λ = 546 nm ) à l'aide d'un trou source disposé au foyer objet du condenseur non représenté dans la figure 1. Un objectif placé au-dessus de la préparation permet d'observer celle-ci.
Figure 1 : vue de profil de la préparation liquide sous microscope

A1- Observation en l'absence de détails

Les deux lamelles de verre semi-argentées peuvent être considérées comme deux miroirs semiréfléchissants de coefficients de réflexion et de transmission en amplitude r et t (nombres réels positifs inférieurs à 1) et introduisant un déphasage ψ à leur traversée. Une onde se propageant dans la cavité ainsi formée émet à chaque aller-retour un rayon émergent. Les rayons émergents transmis sont parallèles entre eux et interfêrent à l'infini. En négligeant tout phénomène de réfraction (les rayons incidents sont considérés comme ayant une incidence normale aux lames) et tout phénomène d'absorption des miroirs et de la préparation liquide, l'amplitude complexe en un point à l'infini du k^e rayon émergent s'écrit A_k exp(− iΦ_k) où A_k est l'amplitude du rayon k et Φ_k sa phase.
A1.1- Exprimer le déphasage entre deux rayons émergents successifs φ = Φ_(k + 1) − Φ_k en fonction de l'épaisseur de la cavité e, de l'indice de réfraction n du milieu et de la longueur d'onde λ de la lumière incidente dans le vide.
A1.2- Calculer le rapport des amplitudes de deux rayons successifs (A_k + 1)/(A_k) en fonction du coefficient de réflexion en amplitude r des deux lames semi-réfléchissantes.
A1.3- En déduire l'amplitude complexe du k^e rayon émergent, en prenant comme référence des phases, celle du rayon incident entrant à travers la lame inférieure dont l'amplitude complexe s'écrit A_0.
A1.4- Calculer l'amplitude complexe en un point à l'infini résultant de la superposition de l'ensemble des rayons émergents de k = 1 à l'infini, le coefficient de réflexion r étant inférieur à 1 .
A1.5- Montrer que l'intensité recueillie à l'infini I = I(φ) peut se mettre sous la forme: I(φ) = (I_0)/(1 + msin^2 φ/2) où m sera exprimé en fonction de r et I_0 en fonction de A_0, r et t.
A1.6- Pour r ≈ 0, 9, calculer m.
A1.6.1- Déterminer les valeurs de φ qui correspondent à un maximum de I(φ). Que vaut I_(max), la valeur de ces maxima?
A1.6.2- Evaluer la valeur et la position des minima de I(φ).
A1.6.3- Calculer les valeurs de φ autour d'un maximum, tel que I = (I_(max))/2. En déduire la largeur à mi-hauteur du pic correspondant Δ_(1/2)(φ) que l'on exprimera en fonction de m. Simplifier en tenant compte de la valeur de m.
A1.6.4- Tracer l'allure de I(φ).
A1.6.5- En déduire que l'intensité recueillie à l'infini ne peut être considérée comme non nulle que pour certaines valeurs de φ très réduites. En l'absence de détails, pour une préparation constituée uniquement d'un liquide homogène, quel serait l'aspect du champ observé ?

A2- Observation en présence de détails.

Les réflexions sur les faces d'un détail sont négligeables si bien qu'un rayon lumineux traversant un détail peut être considéré comme transmis intégralement en amplitude (pas d'absorption par le détail).
A2.1- Comme à la question A1.1, exprimer le déphasage entre deux rayons émergents successifs φ^′ = Φ^′_(k + 1) − Φ^′_k, mais dans une zone comportant un détail, en fonction des épaisseurs de la cavité e et du détail E, des indices de réfraction n du milieu et du détail n ' et de la longueur d'onde λ de la lumière incidente.
Montrer que φ^′ peut s'exprimer comme φ^′ = φ + Δφ avec Δφ dépendant uniquement de n, n^′, ε et λ. Calculer Δφ pour une préparation d'indice 1,515 contenant un détail d'épaisseur ε = 0, 6μ m et d'indice de réfraction 1,520 . Remarquer que la valeur de Δφ est petite par rapport à celle donnant φ.
A2.2- Que devient l'intensité transmise I^′ = I^′(φ^′) dans une zone comportant un détail ?
A2.3- Calculer le contraste de l'image du détail par rapport au "fond", le contraste C étant défini par C = (I − I^′)/I.
Montrer que le contraste est de la forme C = KΔφ où la constante K dépend de m et de φ.
A2.4- L'épaisseur de la préparation e est choisie de manière à ce que φ = π/2 + 2kπ (avec k nombre entier). Pour les mêmes valeurs de r ≈ 0, 9 et de m trouvée à la question A1.6 et sachant que l'œil humain décèle un contraste minimal de 0,1 , le détail est-il visible ?
A2.5- Pour quelle valeur de φ, donc de l'épaisseur e de la préparation, le contraste est-il maximal ? Quelle est alors l'épaisseur minimale d'un détail décelable (donner un ordre de grandeur) ? Proposer une méthode expérimentale pour rendre un détail suffisamment contrasté pour être observé.

PROBLEME B : UNE BALANCOIRE

Un enfant faisant de la balançoire (figure 2) est modélisé par une masse ponctuelle m située en M et suspendue en O par une tige rigide, de masse négligeable et de longueur l. Le champ de pesanteur g⃗, de norme g, est supposé uniforme. L'angle que fait la tige de suspension avec la verticale est noté θ (figure 3). Les vecteurs unitaires u⃗_r, u⃗_θ et u⃗_z = u⃗_r ∧ u⃗_θ, tels que définis sur la figure 3, définissent un trièdre orthonormé direct lié à la balançoire.
Figure 2 : enfant assis sur sa balançoire
Figure 3 : schématisation de la balançoire et repère mobile associé
B1- A quelle condition, sur la durée de l'expérience, le référentiel terrestre peut-il être considéré comme galiléen ? On donnera un ordre de grandeur.
Cette condition sera supposée être vérifiée dans toute la suite du problème.
B2- Dans cette question, tout frottement de la tige sur son axe de rotation et tout frottement dû à la résistance de l'air sont négligés.
B2.1- Etablir l'équation différentielle du mouvement vérifiée par θ(t) en utilisant trois méthodes :
B2.1.1- en appliquant le principe fondamental de la dynamique ;
B2.1.2- en appliquant le théorème de l'énergie cinétique ;
B2.1.3- en appliquant le théorème du moment cinétique.
B2.2- En déduire que le mouvement est plan.
Dans toute la suite du problème, les mouvements de la balançoire et de l'enfant seront étudiés dans le plan vertical de la figure 3.
B2.3- A quelle condition l'enfant assis sur la balançoire sera-t-il un oscillateur harmonique? Donner l'expression littérale de la pulsation propre ω_0 correspondante.
Application numérique : l'enfant part d'un angle θ_0 = 30^∘ sans vitesse initiale. Avec les valeurs numériques suivantes: l = 2, 5 m, g = 10m.s^(− 2) et m = 20 kg, calculer la période T_0 de l'oscillateur harmonique, ainsi que la vitesse maximale v_(max) de l'enfant.
B3- L'approximation de l'oscillateur harmonique est ici examinée en considérant les effets non linéaires. L'enfant part d'un angle θ_0 positif sans vitesse initiale.
B3.1- En partant du théorème de l'énergie cinétique, étudié à la question (B2.1.2), donner l'expression de (dθ)/(dt) en fonction de θ, θ_0 et des paramètres caractéristiques du système. En déduire l'expression de la période T(θ_0) sous forme d'une intégrale en fonction de θ, θ_0 et des paramètres caractéristiques du système. On précisera soigneusement les bornes d'intégration. On ne demande pas de calculer cette intégrale.
Retrouver le résultat de la question B2.3 dans le cas des petites oscillations.
Une intégration numérique permet de dessiner la courbe représentative de la fonction T(θ_0) cidessous (figure 4). Commenter cette courbe.
Figure 4 : période en fonction de l'angle de départ
B3.2- Posant sinθ = θ − θ^3/6, que devient l'équation différentielle du mouvement vérifiée par θ(t) ?
B3.3- On cherche, pour l'équation différentielle approchée écrite en B3.2, une solution elle-même approchée de la forme :
θ = θ_0 cosωt + εθ_0 cos3ωt où ε≪1.
B3.3.1- En se limitant au premier ordre en ε, exprimer en fonction de ω_0 et θ_0 la pulsation fondamentale ω ainsi que le terme ε.
B3.3.2- Par rapport au mouvement harmonique, la courbe θ(t) relative au mouvement réel a-t-elle une plus grande ou une plus petite période?
B3.3.3- Quelle est la pulsation du premier harmonique après le fondamental ?
B3.3.4- Dans le cas général où on ne se limiterait pas à des développements au premier ordre, quelle serait l'allure du spectre de la solution θ(t) obtenu par analyse spectrale?
B4- Au point O s'exercent des forces de frottement sur la tige. Le moment de ces forces (par rapport à O ) est égal à − C(dθ)/(dt)u⃗_z où C est une constante positive et u⃗_z = u⃗_r ∧ u⃗_θ.
B4.1- Quelle est la dimension de la constante C ?
B4.2- Etablir l'équation différentielle à laquelle doit maintenant obéir θ(t).
B4.3- En supposant que l'angle θ reste suffisamment petit, à quelle inégalité doit satisfaire C pour que le mouvement de l'enfant puisse être considéré comme un mouvement oscillatoire dont l'amplitude décroît avec le temps (mouvement pseudo-périodique) ?
Application numérique : considérant cette condition satisfaite, on approxime ici la pseudo-période T_1 à la période T_0 de la question B2.3. L'enfant part d'un angle θ_0 = 30^∘ sans vitesse initiale. On observe que l'amplitude du mouvement est réduite de moitié après 20 oscillations. Calculer la valeur de la constante C avec les valeurs numériques données à la question B2.
B5- Les frottements (question B4) ont pour conséquence d'amortir le balancement de l'enfant et un deuxième enfant vient donc aider le premier enfant qui se balance à maintenir une amplitude constante en le poussant (figure 5) avec une force horizontale périodique non harmonique dont le module F(t) est représenté à la figure 6 .
Figure 5 : enfant sur sa balançoire poussé par un autre enfant
Figure 6 : profil de la force appliquée à l'enfant sur sa balançoire en fonction du temps
N.B. : il n'est pas nécessaire d'effectuer une analyse en série de Fourier de F(t) pour répondre aux questions B5.1, B5.2 et B5.3.
B5.1- A quel moment et à quelle fréquence l'enfant pousseur doit-il appliquer sa poussée sur l'enfant de la balançoire pour que son action soit la plus efficace possible ? Que vaut donc la période T de la force F(t) pour que l'action de l'enfant pousseur soit la plus efficace possible ? (on supposera les frottements faibles dans cette question et dans les suivantes).
B5.2- Représenter sur un même graphe la fonction F(t) de la figure 6 et l'angle θ(t).
B5.3- Déterminer la puissance moyenne dissipée par les frottements en fonction de C, ω la pulsation du mouvement et θ_0 l'amplitude du mouvement. En déduire le travail fourni par l'enfant pousseur après 20 oscillations de l'enfant se balançant (les valeurs numériques des différents paramètres sont toujours ceux donnés à la question B2).
B6- L'enfant se balançant décide de monter sur une autre balançoire, pour laquelle les frottements sont considérés comme totalement négligeables. Alors que l'enfant se balance, il décide de monter de plus en plus haut. Pour cela, il effectue les mouvements suivants au cours des phases oscillatoires successives, 1, 2, …n :
  • lorsque la balançoire passe par la position verticale, l'enfant accroupi se relève (de A à B );
  • de B à C_(n − 1), l'enfant reste debout;
  • lorsque la balançoire atteint θ_(n − 1), son amplitude d'oscillation maximale, l'enfant s'accroupit (de C_(n − 1) à D_(n − 1) );
  • de D_(n − 1) à A, l'enfant reste accroupi ;
  • lorsque la balançoire repasse par la position verticale, l'enfant accroupi se relève (de A à B );
  • de B à C_n, l'enfant reste debout ;
  • lorsque la balançoire atteint θ_n, sa nouvelle amplitude d'oscillation maximale, l'enfant s'accroupit à nouveau (de C_n à D_n ) ;
  • de D_n à A, l'enfant reste accroupi.
Sur la figure 7 sont tracées la trajectoire et quelques positions du centre de gravité de l'enfant dans le référentiel galiléen lié au sol. Les passages de la position accroupie à debout et réciproquement sont considérés comme instantanés.
Figure 7 : mouvements de l'enfant sur sa balançoire
B6.1- Description qualitative.
B6.1.1- Dans un repère lié à la balançoire (c'est-à-dire un repère lié à la tige de suspension et au siège de la balançoire), identifier les forces extérieures au système.
B6.1.2- Evaluer alors dans ce même repère lié à la balançoire, pour chacune des forces extérieures au système, le signe du travail qu'elles produisent sur un demi-cycle ABC_n D_n A.
B6.1.3- En appliquant alors le théorème de l'énergie cinétique sur le demi-cycle ABC_n D_n A, en déduire que le travail des forces intérieures dû au mouvement du corps de l'enfant, qui se relève et s'accroupit, est de signe positif.
B6.1.4- Il est rappelé que pour tout système de points matériels, le travail des forces intérieures se conserve dans un changement de référentiel (il n'est pas demandé de démontrer cette propriété). En appliquant le théorème de l'énergie cinétique dans le référentiel galiléen lié au sol, en déduire que le mouvement du corps de l'enfant, qui se relève et s'accroupit, permet à la balançoire de monter de plus en plus haut.
B6.2- Modélisation simplifiée de la balançoire et de l'enfant.
On schématise la balançoire et l'enfant comme un pendule de masse fictive (constante) m accrochée à un fil de longueur variable dépendant de la position angulaire de repérage : l = l(θ).
B6.2.1- Calculer le moment cinétique, L⃗_O, du pendule au point O dans le référentiel galiléen lié au sol.
B6.2.2- En appliquant le théorème du moment cinétique dans le référentiel galiléen lié au sol, donner l'équation vérifiée par L⃗_O.
B6.2.3- En notant θ_n les élongations successives maximales (figure 7), montrer la relation :
∫_(− θ_n)^(θ_(n + 1))l^3(θ)sinθdθ = 0
(on pourra multiplier chacun des membres de l'équation donnée à la question B6.2.2 par la quantité l^2 θ˙ ).
B6.2.4- Montrer que les positions angulaires extrémales successives, θ_n et θ_(n + 1), obéissent à une loi de récurrence faisant intervenir sin(θ_n) et sin(θ_(n + 1)).
On prendra l(θ) = L + h pour − θ_n < θ < 0 et l(θ) = L pour 0 < θ < θ_(n + 1).
B6.2.5- En déduire les valeurs des positions angulaires extrémales θ_n atteintes par l'enfant sur sa balançoire.
B6.2.6- Si l'enfant démarre sans vitesse initiale, quelle est la position la plus avantageuse pour démarrer? La balançoire pourrait-elle faire accomplir un tour complet autour de son axe de rotation («grand soleil» comme à la barre fixe) ?
B7- Une autre manière de faire monter sa balançoire est la suivante : l'enfant peut rester assis et mettre son dos alternativement en avant ou en arrière tout en repliant puis étendant ses jambes afin de faire lever ou abaisser son centre de gravité.
En supposant comme précédemment que la masse de la balançoire est négligeable, on modélise la balançoire et l'enfant comme un ensemble de deux masses articulées. La masse totale de l'enfant est m + μ en notant m la masse du corps en M (la longueur de la balançoire OM est L ) et μ la masse des jambes (la distance entre le centre de masse des jambes A - qui est situé environ à la position des genoux - et le point M est AM = a comme indiqué sur la figure 8).
A la montée, l'enfant met et maintient ses jambes en "avant" tandis qu'à la descente l'enfant met et maintient ses jambes "en arrière". Pour simplifier, il est supposé que la direction AM fait un angle droit avec la direction OM à la "montée" comme à la "descente", tel qu'indiqué à la figure 8 .
Figure 8 : positions de l'enfant et de ses jambes assis sur sa balançoire
B7.1- Equation du mouvement.
B7.1.1- Calculer le moment cinétique de l'enfant, L⃗_O, au point O dans le référentiel galiléen lié au sol.
B7.1.2- Calculer le moment des forces de pesanteur par rapport à l'axe Oz, dans le cas où la balançoire est dans une phase de montée et dans le cas où la balançoire est dans une phase de descente. On pourra introduire l'angle φ tel que tan(φ) = a/L.
B7.1.3- En appliquant le théorème du moment cinétique, montrer que les équations du mouvement sont de la forme :
à la montée : θ¨(t) = − ω_1^2 sinθ(t) − Δω^2 sin(θ(t) + φ)
à la descente : θ¨(t) = − ω_1^2 sinθ(t) − Δω^2 sin(θ(t) − φ)
avec tan(φ) = a/L. On explicitera les termes ω_1 et Δω en fonction de m, μ, L, a, et g.
B7.2- Etude des petites oscillations.
B7.2.1- Dans le cas de petites oscillations, donner les équations linéarisées du mouvement à la montée et à la descente.
B7.2.2- Montrer que le mouvement est l'analogue d'un oscillateur harmonique excité, d'équation θ¨(t) + Ω^2 θ(t) = E_(exc)(t) dont on donnera sa pulsation propre Ω et dont on représentera graphiquement la fonction excitatrice E_(exc)(t) en fonction du temps (à l'instant initial l'enfant part avec les jambes tendues, en "avant" avec θ(t = 0) = θ_0 < 0 ).
B7.2.3- Décomposer la fonction excitatrice E_(exc)(t) en série de Fourier et montrer que son expression est :
E_(exc)(t) = (4Δω^2 φ)/π∑_(n = 1, 3, 5, …)(sin(nΩt))/n
B7.2.4- Montrer que dans cette série, il y a un terme susceptible de conduire à une résonance. Dans ce cas et en l'absence d'amortissement, que devient l'amplitude des oscillations?
B7.2.5- Donner la solution de l'équation différentielle trouvée à la question B7.2.2 pour les termes non résonants.
B7.2.6- Donner la solution de l'équation différentielle trouvée à la question B7.2.2 pour le terme résonant. La solution sera recherchée sous la forme : θ(t) = t(Kcos(Ωt) + K^′ sin(Ωt)) où K et K^′ sont deux constantes. Quel est le sens physique de cette solution pour ce terme résonant?
B7.2.7- En déduire l'expression générale de la solution θ(t).
B7.2.8- L'enfant se lance sans vitesse initiale, les genoux (c'est-à-dire le centre de masse de ses jambes) à la verticale du point de suspension (figure 9). En déduire les constantes d'intégration de l'expression de la variation angulaire θ(t) déterminée à la question précédente.
Figure 9 : schématisation de la position initiale de départ de l'enfant sur sa balançoire
On pourra utiliser le résultat mathématique suivant : ∑_(n = 3, 5…)1/(n^2 − 1) = 1/4.
Application numérique : pour une balançoire de longueur 2, 5 m, un enfant de masse m + μ = 20 kg, ayant une longueur de jambe a = 0, 25 m et une masse de jambes μ = 6 kg, la figure 10 présente le profil de la variation angulaire dans deux situations différentes. Commenter ces courbes, en expliquant quels mouvements l'enfant opère. Reproduire qualitativement ces courbes en représentant sur le même graphe la fonction E_(exc)(t).
Figure 10 : profil de variation angulaire en fonction du temps dans deux situations différentes

Fin de l'énoncé

Questions fréquentes

4 questions
Sur quels chapitres porte ce sujet de physique 1 PC CCINP 2013 ?
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Sur quels chapitres porte ce sujet de physique 1 PC CCINP 2013 ?

Il porte sur les interférences à ondes multiples pour le premier problème, et sur la mécanique du point (oscillateur harmonique, effets non linéaires, moment cinétique, séries de Fourier) pour le second.

Quelles parties sont indépendantes dans ce sujet ?

L'épreuve comporte deux problèmes indépendants ; à l'intérieur du problème B sur la balançoire, les questions s'enchaînent de l'oscillateur harmonique jusqu'aux techniques de mise en mouvement, en réutilisant les résultats précédents.

Ce sujet est-il faisable en première année ?

L'établissement de l'équation du mouvement de la balançoire dans le cas de l'oscillateur harmonique (question B2) est accessible en première année, mais les parties suivantes sur les effets non linéaires et l'excitation paramétrique relèvent de la deuxième année.

Quel est le fil conducteur du problème B sur la balançoire ?

Comprendre comment un enfant peut, par ses propres mouvements corporels ou par la poussée d'un camarade, augmenter progressivement l'amplitude de ses oscillations sur une balançoire, malgré les frottements.

Pas de description pour le moment