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\section{Électron libre}
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Le petit Nicolas joue dans un laboratoire de physique. Il dispose d'un canon à électrons immergé dans un champ magnétique constant uniforme. Les lois de la physique classique nous apprennent que l'électron se déplace à vitesse constante en décrivant un cercle dans le sens trigonométrique, que l'on supposera de rayon 1.
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Nicolas dispose également d'un bouton qui permet de faire faire demi-tour à l'électron : au moment où il appuie, la vitesse de l'électron reste la même mais dans la direction opposée. Il essaye ainsi, à l'aide de cette seule commande, de guider l'électron.
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La figure \ref{fig:traj_elec} représente une trajectoire possible de l'électron. Le rectangle bleu est le canon à électrons, la flèche bleue est la direction initiale, les point oranges sont les demi-tours provoqués par Nicolas. Les pointillés montrent le prolongement de deux arcs de cercle décrits par l'électron.
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\begin{figure}[!ht]
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\centering
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\begin{tikzpicture}
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\draw[->,bleuAnimath,line width=2.5pt] (0,0) -- ++(1,0);
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\draw[very thick] (0,0) arc (-90:0:1) node[pos=0.6,sloped]{$\blacktriangleright$}
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node[orangeAnimath]{$\bullet$} arc (-180:45:1) node[pos=0.4,sloped]{$\blacktriangleright$}
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node[orangeAnimath]{$\bullet$} arc (-135:-90:1) node[pos=0.6,sloped]{$\blacktriangleright$}
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node[orangeAnimath]{$\bullet$} arc (90:180:1) node[pos=0.5,sloped]{$\blacktriangleleft$}
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node[orangeAnimath]{$\bullet$} arc (0:120:1) node[pos=0.5,sloped]{$\blacktriangleleft$}
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node[orangeAnimath]{$\bullet$} arc (-60:60:1) node[pos=0.5,sloped]{$\blacktriangleright$} node(fin){};
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\draw[thick,gray,dashed] (fin) arc (60:300:1) arc (120:360:1);
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\draw[black,fill=bleuAnimath] (0,-0.2) rectangle ++(-0.7,0.4);
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\end{tikzpicture}
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\caption{Un exemple de trajectoire de l'électron}
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\label{fig:traj_elec}
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\end{figure}
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\q Le canon à électrons est situé en un point $A$ du plan. Nicolas peut choisir sa direction initile. Il faut amener l'électron tiré jusqu'en un point $B$.
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\begin{enumerate}
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\item Nicolas peut-il toujours guider l'électron du point $A$ au point $B$ ? Si oui, combien se fois au minimum doit-il appuyer sur le bouton, en fonction de la distance qui sapére $A$ et $B$ ?
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\item Quelle est la distance minimale parcourue par l'électron pour aller de $A$ à $B$ ?
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\end{enumerate}
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Nicolas dessine un cercle de rayon $r$ et place le canon à électons sur le bord du cercle , pointé vers son centre. Il veut faire en sorte que l'électron ne touche jamais le cercle.
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La figure \ref{fig:traj_cerc} représente un exemple de trajectoire dans un cercle de rayon $r=2$. Il ne touche jamais le cercle gris et, après deux demi-tours, tourne sur lui-même indéfiniment sans jamais toucher le cercle gris.
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\begin{figure}[!ht]
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\centering
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\begin{tikzpicture}
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\draw[thick, gray] (0,0) circle(2);
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\draw[->,bleuAnimath,line width=2.5pt] (-2,0) -- ++(1,0);
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\draw[very thick] (-2,0) arc (-90:20:1) node[pos=0.6,sloped]{$\blacktriangleright$}
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node[orangeAnimath]{$\bullet$} arc (-160:-65:1) node[pos=0.5,sloped]{$\blacktriangleright$}
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node[orangeAnimath]{$\bullet$} arc (-245:115:1) node[pos=0.25,sloped]{$\blacktriangleright$} node[pos=0.75,sloped]{$\blacktriangleleft$};
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\draw[black,fill=bleuAnimath] (-2,-0.2) rectangle ++(-0.7,0.4);
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\draw[gray,dashed] (0,0) -- ++(-145:2) node[pos=0.5,sloped,above]{$r$};
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\end{tikzpicture}
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\caption{Un exemple de trajectoire de l'électron dans un cercle de rayon $r=2$}
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\label{fig:traj_cerc}
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\end{figure}
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\q Combien de fois au minimum Nicolas doit-il appuyer sur le bouton pour s'assurer que l'électron ne touche jamais le cercle, en fonction du rayon du cercle (ce nombre est potentiellement infini) ?
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\q Nicolas dispose $n$ points strictement à l'intérieur d'un disque de rayon $1$. Il peut choisir librement l'emplacement et la direction du canon. Quel est le plus petit entier $N$ tel que quelle que soit la position des $n$ points, Nicolas peut s'assurer que l'électron passe par ces $n$ points en appuyant au plus $N$ fois sur le bouton ? Et si le cercle est de rayon $R>0$ quelconque ?
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\medskip
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Maintenant, Nicolas ne dispose plus d'un boutons pour faire faire demi-tour à l'électrons mais de miroirs sur lesquels l'électron rebondit, conformément aux lois de la physique classique : les angles d'incidence et de réflexion sont les mêmes.
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\begin{center}
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\begin{tikzpicture}[scale=1.5]
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\fill[bleuAnimath] (0,0) -- ++(120:0.3) arc (120:180:0.3) -- cycle;
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\fill[bleuAnimath] (0,0) -- ++(60:0.3) arc (60:0:0.3) -- cycle;
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\draw (-1.5,0) -- (1.5,0) node[midway,below]{\footnotesize Miroir};
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\draw[thick] (0,0) arc (30:120:1) node[midway,sloped]{$\blacktriangleleft$};
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\draw[dashed] (0,0) -- ++(120:1);
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\draw[thick] (0,0) arc (150:60:1) node[midway,sloped]{$\blacktriangleleft$};
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\draw[dashed] (0,0) -- ++(60:1);
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\end{tikzpicture}
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\end{center}
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Il les dispose de sorte à former un polygone convexe (ie. dont tous les angles intérieurs sont de mesure strictement comprise entre $0$ et $\pi$). On suppose que l'électron est tiré de sorte qu'il ne passe jamais par un des sommets du polygone.
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Un polygone convexe est dit \emph{admirable} si Nicolas peut faire rebondir l'électron sur les côtés du ploygone dans n'importe quel ordre. Autrement dit, en numérotant les côtés du ploygone $1$,...,$M$ dans n'importe quel ordre, il est possible de placer le canon à électrons de sorte qu'il rebondisse sur le côté $1$ puis $2$ puis... puis $M$.
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La figure \ref{fig:traj_tri} représente un quatrilatère dont on a numéroté des côtés et une trajectoire possible d'un électron qui respecte cet ordre : il rebondit successivement sur les côtés $1$ puis $2$ puis $3$ puis $4$.
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\begin{figure}[!ht]
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\centering
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\begin{tikzpicture}
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\draw[->,bleuAnimath,line width=2.5pt] (0,0) -- ++(0,1);
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\draw[black,fill=bleuAnimath] (-0.2,0) rectangle ++(0.4,-0.7);
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\draw[very thick] (0,0) arc (0:75:2) node[pos=0.5,sloped]{$\blacktriangleleft$} ++(0,0) edge +(15:2) edge +(195:2)
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arc (135:255:2) node[pos=0.3,sloped]{$\blacktriangleleft$} ++(0,0) edge +(0:2) edge +(180:2)
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arc (-75:-45:2) node[pos=0.6,sloped]{$\blacktriangleright$} ++(0,0) edge +(-90:2) edge +(90:2)
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arc (45:135:2) node[pos=0.45,sloped]{$\blacktriangleleft$} ++(0,0) edge +(-60:2) edge +(120:2)
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arc (-75:0:2) node[pos=0.7,sloped]{$\blacktriangleright$};
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\end{tikzpicture}
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\caption{Un exemple de numérotation des côtés d'un quadrilatère et une trajectoire possible pour l'électron respectant cet ordre.}
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\label{fig:traj_tri}
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\end{figure}
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\q Pour quels $M$ le polygone régulier à $M$ côtés inscrit dans un cercle est-il admirable ?
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\q Pour quels $M\geq 3$ Nicolas peut-il construire une polygone admirable à $M$ côtés ?
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\q Proposer et étudier d'autres pistes de recherche. |