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Devoir surveillé : Trigonométrie, Pythagore, Thalès et géométrie dans l'espace

Maths 3ᵉ · un devoir qui mélange 3 chapitres, en 3 niveaux : ★ les bases, ★★ niveau DS classique, ★★★ pour aller plus loin. Sujets et corrigés détaillés, à faire en temps limité puis à corriger.

Niveau ★ — les bases · 55 min · noté sur 20 · calculatrice interdite sauf mention contraire.

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Devoir surveillé – Trigonométrie, Pythagore, Thalès et géométrie dans l'espace — niveau ★

Durée : 55 min – Calculatrice interdite – Sur 20 points · Mathématiques 3ᵉ

Nom : Date : Note : / 20

Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.

Exercice 1 – Échauffement

(4 pts)

Le triangle KLM est rectangle en L avec KL=20 cm et LM=21 cm. Un cône de révolution a une hauteur de 24 cm et une génératrice de 26 cm.

  1. a)Calcule la longueur KM.
  2. b)Donne cosK^ sous forme de fraction, puis la mesure de l'angle K^ arrondie au degré.
  3. c)Calcule le rayon de la base du cône.
  4. d)Calcule le volume du cône, arrondi au cm³.

Exercice 2 – SOH-CAH-TOA

(4 pts)

Le triangle RST est rectangle en S, avec RT=9 cm et R^=38°.

  1. a)Nomme l'hypoténuse, le côté opposé à l'angle R^ et le côté adjacent à l'angle R^.
  2. b)Calcule ST, arrondi au millimètre.
  3. c)Calcule RS, arrondi au millimètre.
  4. d)Donne la mesure de l'angle T^ sans utiliser les touches trigonométriques.

Exercice 3 – Thalès ou Pythagore ?

(4 pts)

Les points A, M, B sont alignés dans cet ordre, ainsi que les points A, N, C. On donne AM=4 cm, AB=10 cm, AN=3 cm, AC=7,5 cm et MN=5 cm.

  1. a)Démontre que les droites (MN) et (BC) sont parallèles.
  2. b)Calcule la longueur BC.
  3. c)Démontre que le triangle AMN est rectangle.
  4. d)En déduire la nature du triangle ABC.

Exercice 4 – Solides et volumes

(4 pts)

Un prisme droit a pour base un triangle rectangle dont les côtés de l'angle droit mesurent 7 cm et 24 cm ; sa hauteur est 10 cm. Un cylindre a un rayon de 4 cm et une hauteur de 15 cm.

  1. a)Calcule l'aire de la base du prisme, puis son volume.
  2. b)Calcule la longueur du troisième côté de la base du prisme.
  3. c)Calcule le volume du cylindre, arrondi au cm³. Lequel des deux solides a le plus grand volume ?
  4. d)Une boule de rayon 4 cm peut-elle être rangée dans le cylindre ? Calcule son volume, arrondi au cm³.

Exercice 5 – Problème — l'échelle

(4 pts)

Une échelle de 5 m est appuyée contre un mur vertical, sur un sol horizontal. Son pied est à 1,6 m du mur. Pour être utilisée sans danger, l'échelle doit faire avec le sol un angle compris entre 65° et 75°.

  1. a)À quelle hauteur le haut de l'échelle touche-t-il le mur ? Arrondis au centimètre.
  2. b)Calcule l'angle formé par l'échelle et le sol, arrondi au degré.
  3. c)L'échelle est-elle placée sans danger ?
  4. d)À quelle distance du mur faut-il placer le pied pour que l'angle avec le sol soit de 70∘ ? Arrondis au centimètre.

Bon courage !

Ce document est la propriété intellectuelle de Ben, professeur particulier (benprofparticulier.fr), protégée par le Code de la propriété intellectuelle (art. L. 111-1 et L. 122-4). Il est mis à disposition pour un usage personnel de révision. Toute reproduction, diffusion, mise en ligne ou revente, totale ou partielle, sans autorisation écrite est interdite et constitue une contrefaçon (art. L. 335-2).

Voir le corrigé et le barème
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Corrigé et barème – Trigonométrie, Pythagore, Thalès et géométrie dans l'espace — niveau ★

Durée : 55 min – Calculatrice interdite – Sur 20 points · Mathématiques 3ᵉ

Exercice 1 – Échauffement

(4 pts)
  1. a)Le triangle KLM est rectangle en L, donc d'après le théorème de Pythagore : KM2=KL2+LM2=400+441=841, d'où KM=841=29 cm. (1 pt : égalité de Pythagore 0,5 ; résultat 0,5) (1)
  2. b)Le côté adjacent à K^ est [KL], l'hypoténuse est [KM] : cosK^=KLKM=2029. À la calculatrice, K^=arccos(2029)≈46,4∘, soit 46∘ au degré près. (1 pt : fraction 0,5 ; angle 0,5) (1)
  3. c)La hauteur, le rayon et la génératrice forment un triangle rectangle dont la génératrice est l'hypoténuse : r2=262−242=676−576=100, donc r=10 cm. (1 pt : triangle rectangle identifié 0,5 ; calcul 0,5) (1)
  4. d)V=13×π×r2×h=13×π×100×24=800π≈2513 cm³. (1 pt : formule 0,5 ; résultat 0,5) (1)

Méthode — dans un cône, la hauteur, le rayon et la génératrice forment toujours un triangle rectangle : c'est le pont entre Pythagore et la géométrie dans l'espace.

Exercice 2 – SOH-CAH-TOA

(4 pts)
  1. a)L'hypoténuse est [RT] (en face de l'angle droit S^) ; le côté opposé à R^ est [ST] ; le côté adjacent à R^ est [RS]. (1 pt : 3 réponses justes 1 ; 2 réponses justes 0,5) (1)
  2. b)On connaît l'hypoténuse et on cherche le côté opposé : on utilise le sinus. sinR^=STRT, donc ST=9×sin38∘≈5,54, soit ST≈5,5 cm. (1 pt : choix du sinus 0,5 ; résultat 0,5) (1)
  3. c)On cherche le côté adjacent : on utilise le cosinus. cosR^=RSRT, donc RS=9×cos38∘≈7,09, soit RS≈7,1 cm. (1 pt : choix du cosinus 0,5 ; résultat 0,5) (1)
  4. d)La somme des angles d'un triangle vaut 180∘ : T^=180∘−90∘−38∘=52∘. Les deux angles aigus d'un triangle rectangle sont complémentaires. (1 pt : justification 0,5 ; résultat 0,5) (1)

Piège — « opposé » et « adjacent » dépendent de l'angle choisi : le côté opposé à R^ est le côté adjacent à T^. On repère toujours l'angle avant de nommer les côtés.

Exercice 3 – Thalès ou Pythagore ?

(4 pts)
  1. a)AMAB=410=0,4 et ANAC=37,5=0,4. Les rapports sont égaux et les points A,M,B et A,N,C sont alignés dans le même ordre : d'après la réciproque du théorème de Thalès, (MN)∥(BC). (1,5 pt : deux rapports 0,5 ; égalité 0,5 ; conclusion avec l'ordre des points 0,5) (1)
  2. b)Les droites (MN) et (BC) sont parallèles, donc d'après le théorème de Thalès AMAB=MNBC, soit 410=5BC et BC=5×104=12,5 cm. (1 pt : égalité 0,5 ; résultat 0,5) (1)
  3. c)Le plus grand côté est [MN] : MN2=25 et AM2+AN2=16+9=25. L'égalité MN2=AM2+AN2 est vérifiée, donc d'après la réciproque du théorème de Pythagore, AMN est rectangle en A. (1 pt : calculs séparés 0,5 ; conclusion 0,5) (1)
  4. d)Les angles MAN^ et BAC^ sont le même angle (mêmes demi-droites), donc BAC^=90∘ : ABC est rectangle en A. Vérification : AB2+AC2=100+56,25=156,25=12,52. (0,5 pt) (1)

Erreur fréquente — pour la réciproque de Pythagore, on calcule séparément le carré du plus grand côté et la somme des deux autres carrés ; écrire l'égalité avant de l'avoir vérifiée, c'est supposer ce qu'on veut démontrer.

Exercice 4 – Solides et volumes

(4 pts)
  1. a)Aire de la base : 7×242=84 cm². Volume du prisme : 84×10=840 cm³. (1 pt : aire 0,5 ; volume 0,5) (1)
  2. b)La base est rectangle, le côté cherché est l'hypoténuse : 72+242=49+576=625, donc la longueur vaut 625=25 cm. (1 pt : Pythagore 0,5 ; résultat 0,5) (1)
  3. c)V=π×42×15=240π≈754 cm³. Comme 754<840, le prisme a le plus grand volume. (1 pt : volume 0,5 ; comparaison 0,5) (1)
  4. d)Le diamètre de la boule est 8 cm, égal au diamètre du cylindre, et 8⩽15 : la boule rentre (juste) dans le cylindre. V=43×π×43=256π3≈268 cm³. (1 pt : justification 0,5 ; volume 0,5) (1)

Astuce — prisme et cylindre se calculent de la même façon, aire de la base multipliée par la hauteur ; seul le cône et la pyramide demandent de diviser par 3.

Exercice 5 – Problème — l'échelle

(4 pts)
  1. a)Le mur, le sol et l'échelle forment un triangle rectangle au pied du mur, d'hypoténuse l'échelle. Pythagore : h2=52−1,62=25−2,56=22,44, donc h=22,44≈4,74 m. (1 pt : égalité 0,5 ; résultat 0,5) (1)
  2. b)La distance au mur est le côté adjacent à l'angle α au sol : cosα=1,65=0,32, donc α≈71,3∘, soit 71∘. (1 pt : choix du cosinus 0,5 ; angle 0,5) (1)
  3. c)65∘<71∘<75∘ : l'échelle est placée sans danger. (1 pt : comparaison 0,5 ; conclusion rédigée 0,5) (1)
  4. d)cos70∘=d5, donc d=5×cos70∘≈1,710, soit d≈1,71 m. (1 pt : égalité 0,5 ; résultat 0,5) (1)

Méthode — avant tout calcul, on dessine le triangle rectangle et on repère ce que l'on connaît : deux côtés, c'est Pythagore ; un angle en jeu, c'est la trigonométrie.

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Niveau ★★ — niveau DS classique · 55 min · noté sur 20 · calculatrice interdite sauf mention contraire.

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Devoir surveillé – Trigonométrie, Pythagore, Thalès et géométrie dans l'espace — niveau ★★

Durée : 55 min – Calculatrice interdite – Sur 20 points · Mathématiques 3ᵉ

Nom : Date : Note : / 20

Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.

Exercice 1 – Qui a raison ?

(4 pts)

Dis si chaque affirmation est vraie ou fausse, et justifie.

  1. a)« Un triangle dont les côtés mesurent 2,8 cm, 4,5 cm et 5,3 cm est rectangle. »
  2. b)« La maquette d'un réservoir à l'échelle 150 contient 2 L ; le vrai réservoir contient donc 100 L. »
  3. c)« Pour tout angle aigu x, sinx<tanx. »
  4. d)« Deux villes situées sur le même méridien ont la même latitude. »

Exercice 2 – Problème — le cornet de glace

(4 pts)

Un cornet a la forme d'un cône de révolution de sommet S, de hauteur SO=6 cm et de rayon OA=2,5 cm. On pose dessus une boule de glace de 5 cm de diamètre.

  1. a)Calcule la longueur de la génératrice SA.
  2. b)Calcule l'angle OSA^, puis l'angle au sommet du cornet (entre deux génératrices diamétralement opposées), arrondi au degré.
  3. c)Calcule le volume du cornet, arrondi au dixième de cm³.
  4. d)La boule fond entièrement (on admet que son volume ne change pas). Le cornet va-t-il déborder ? Justifie.

Exercice 3 – Enquête — la largeur de la rivière

(4 pts)

Pour mesurer une rivière, un géomètre utilise le triangle ACE rectangle en C : [CE] traverse la rivière. Le point B est sur [AC], le point D sur [AE], et (BD) est perpendiculaire à (AC). Il mesure AB=8 m, BC=12 m et BD=6 m.

  1. a)Justifie que les droites (BD) et (CE) sont parallèles.
  2. b)Calcule la largeur CE.
  3. c)Calcule AD, puis AE de deux façons différentes.
  4. d)Calcule l'angle CAE^, arrondi au degré.

Exercice 4 – Section d'un cône

(5 pts)

Un cône de révolution a pour sommet S, pour hauteur SO=15 cm et pour rayon de base OA=8 cm. On le coupe par un plan parallèle à la base passant par le point O′ de [SO] tel que SO′=6 cm.

  1. a)Quelle est la nature de la section ? Calcule son rayon.
  2. b)Calcule la génératrice SA.
  3. c)Calcule l'angle OSA^, arrondi au degré.
  4. d)Calcule le volume du grand cône, puis celui du petit cône de sommet S obtenu par la section (arrondis au dixième de cm³).
  5. e)En déduire le volume du tronc de cône restant sous la section, arrondi au cm³.

Exercice 5 – Se repérer sur la Terre

(3 pts)

On assimile la Terre à une boule de centre O et de rayon 6370 km. Le point M a pour coordonnées (60° N ; 25° E). On note H le centre du parallèle passant par M ; on admet que le triangle OHM est rectangle en H et que OMH^=60°.

  1. a)Le point N a pour coordonnées (60∘ S ; 25∘ E). Qu'ont en commun M et N ? En quoi diffèrent-ils ?
  2. b)Calcule le rayon HM du parallèle passant par M.
  3. c)Calcule la longueur de ce parallèle, arrondie au kilomètre, et compare-la à celle de l'équateur.

Bon courage !

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Corrigé et barème – Trigonométrie, Pythagore, Thalès et géométrie dans l'espace — niveau ★★

Durée : 55 min – Calculatrice interdite – Sur 20 points · Mathématiques 3ᵉ

Exercice 1 – Qui a raison ?

(4 pts)
  1. a)Vrai. Le plus grand côté mesure 5,3 cm : 5,32=28,09 et 2,82+4,52=7,84+20,25=28,09. L'égalité est vérifiée, donc le triangle est rectangle (réciproque de Pythagore). (1 pt : calculs 0,5 ; conclusion 0,5) (1)
  2. b)Faux. Les longueurs sont multipliées par 50, donc les volumes par 503=125000 : le réservoir contient 2×125000=250000 L, soit 250 m³. (1 pt : coefficient k3 0,5 ; résultat 0,5) (1)
  3. c)Vrai. Dans un triangle rectangle, sinx=opposéhypoténuse et tanx=opposéadjacent. Même numérateur, et l'adjacent est plus court que l'hypoténuse : diviser par un nombre plus petit donne un résultat plus grand, donc sinx<tanx. (1 pt : écriture des rapports 0,5 ; argument 0,5) (1)
  4. d)Faux. Deux villes sur le même méridien ont la même longitude ; leur latitude peut être différente (l'une au nord, l'autre au sud, par exemple). Ce sont les villes d'un même parallèle qui ont la même latitude. (1 pt : réponse 0,5 ; justification 0,5) (1)

Piège — à l'échelle 1k, les longueurs sont divisées par k, les aires par k2 et les volumes par k3 : multiplier un volume par k seulement est l'erreur la plus répandue.

Exercice 2 – Problème — le cornet de glace

(4 pts)
  1. a)Le triangle SOA est rectangle en O : SA2=SO2+OA2=36+6,25=42,25, donc SA=42,25=6,5 cm. (1 pt : égalité 0,5 ; résultat 0,5) (1)
  2. b)tanOSA^=OASO=2,56, donc OSA^≈22,62∘. L'angle au sommet vaut le double : 2×22,62∘≈45,2∘, soit 45∘. On arrondit à la fin seulement. (1 pt : demi-angle 0,5 ; angle au sommet 0,5) (1)
  3. c)V=13×π×2,52×6=13×π×6,25×6=12,5π≈39,3 cm³. (1 pt : formule 0,5 ; résultat 0,5) (1)
  4. d)Rayon de la boule : 2,5 cm. V=43×π×2,53=43×π×15,625≈65,4 cm³. Comme 65,4>39,3, la glace fondue ne tient pas dans le cornet : il déborde. (1 pt : volume de la boule 0,5 ; conclusion 0,5) (1)

Erreur fréquente — dans la formule de la boule, c'est le rayon qu'on met au cube, pas le diamètre : avec 53 au lieu de 2,53, on trouve un volume huit fois trop grand.

Exercice 3 – Enquête — la largeur de la rivière

(4 pts)
  1. a)(BD)⟂(AC) et (CE)⟂(AC) (le triangle ACE est rectangle en C). Deux droites perpendiculaires à une même droite sont parallèles : (BD)∥(CE). (1 pt : deux perpendicularités 0,5 ; propriété citée 0,5) (1)
  2. b)AC=AB+BC=8+12=20 m. Les points A,B,C et A,D,E sont alignés et (BD)∥(CE) : d'après le théorème de Thalès, ABAC=BDCE, soit 820=6CE et CE=6×208=15 m. (1 pt : AC et égalité 0,5 ; résultat 0,5) (1)
  3. c)ABD est rectangle en B : AD2=64+36=100, AD=10 m. Par Thalès : AE=AD×ACAB=10×208=25 m. Par Pythagore dans ACE : AE2=202+152=400+225=625, AE=25 m. (1 pt : AD 0,5 ; AE deux méthodes 0,5) (1)
  4. d)Dans ACE rectangle en C : tanCAE^=CEAC=1520=0,75, donc CAE^≈36,9∘, soit 37∘. (1 pt : rapport 0,5 ; angle 0,5) (1)

Méthode — « deux perpendiculaires à une même droite » est la façon la plus courante d'obtenir le parallélisme nécessaire à Thalès : on la cherche dès qu'une figure contient deux angles droits.

Exercice 4 – Section d'un cône

(5 pts)
  1. a)La section d'un cône par un plan parallèle à sa base est un disque, de centre O′. Le petit cône est une réduction du grand de rapport k=SO′SO=615=25 : rayon =25×8=3,2 cm. (1 pt : nature 0,5 ; rayon 0,5) (1)
  2. b)SOA est rectangle en O : SA2=152+82=225+64=289, donc SA=17 cm. (1 pt : égalité 0,5 ; résultat 0,5) (1)
  3. c)tanOSA^=OASO=815, donc OSA^≈28,1∘, soit 28∘. (1 pt : rapport 0,5 ; angle 0,5) (1)
  4. d)Grand cône : V=13×π×64×15=320π≈1005,3 cm³. Petit cône : V′=k3×V=8125×320π=20,48π≈64,3 cm³ (vérification : 13×π×3,22×6=20,48π). (1 pt : grand cône 0,5 ; petit cône 0,5) (1)
  5. e)Vtronc=320π−20,48π=299,52π≈941 cm³. (1 pt : différence 0,5 ; résultat 0,5) (1)

Astuce — on soustrait les valeurs exactes (320π−20,48π) avant d'arrondir : soustraire deux valeurs déjà arrondies peut décaler le résultat final d'une unité.

Exercice 5 – Se repérer sur la Terre

(3 pts)
  1. a)Ils ont la même longitude (25∘ E) : ils sont sur le même méridien. Leurs latitudes sont opposées, l'un dans l'hémisphère nord, l'autre dans l'hémisphère sud : ils sont symétriques par rapport au plan de l'équateur. (0,5 pt) (1)
  2. b)Dans OHM rectangle en H, [OM] est l'hypoténuse (OM=6370 km) et [HM] le côté adjacent à OMH^ : HM=6370×cos60∘=6370×0,5=3185 km. (1,5 pt : triangle et côtés identifiés 0,5 ; formule 0,5 ; résultat 0,5) (1)
  3. c)Longueur du parallèle : 2×π×3185=6370π≈20012 km. Équateur : 2×π×6370=12740π≈40024 km. Le parallèle 60∘ N mesure exactement la moitié de l'équateur, car cos60∘=0,5. (1 pt : longueur 0,5 ; comparaison 0,5) (1)

Erreur fréquente — le rayon d'un parallèle n'est pas le rayon de la Terre : il diminue quand on s'éloigne de l'équateur, et c'est la trigonométrie qui permet de le calculer.

Ce document est la propriété intellectuelle de Ben, professeur particulier (benprofparticulier.fr), protégée par le Code de la propriété intellectuelle (art. L. 111-1 et L. 122-4). Il est mis à disposition pour un usage personnel de révision. Toute reproduction, diffusion, mise en ligne ou revente, totale ou partielle, sans autorisation écrite est interdite et constitue une contrefaçon (art. L. 335-2).

Niveau ★★★ — pour aller plus loin · 60 min · noté sur 20 · calculatrice interdite sauf mention contraire.

benprofparticulier.frMathématiques · 3ᵉ

Devoir surveillé – Trigonométrie, Pythagore, Thalès et géométrie dans l'espace — niveau ★★★

Durée : 60 min – Calculatrice interdite – Sur 20 points · Mathématiques 3ᵉ

Nom : Date : Note : / 20

Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.

Exercice 1 – Automatismes justifiés

(4 pts)

Réponds à chaque question en justifiant par un calcul exact.

  1. a)x est un angle aigu tel que sinx=0,6. Calcule cosx et tanx.
  2. b)Un triangle a pour côtés 5 cm, 11 cm et 4 cm. Est-il rectangle ?
  3. c)Un cône et une boule ont le même rayon, 3 cm, et le même volume. Quelle est la hauteur du cône ?
  4. d)Un solide de 54 cm³ est agrandi ; son volume devient 1458 cm³. Quel est le coefficient d'agrandissement ? Par combien son aire totale est-elle multipliée ?

Exercice 2 – Calculs exacts

(4 pts)

Dans le triangle ABC, B^=45°, C^=60° et AC=8 cm. H est le pied de la hauteur issue de A ; il est situé sur [BC]. On rappelle : cos60°=12 et sin60°=32. Toutes les réponses sont attendues en valeur exacte.

  1. a)Calcule HC et AH.
  2. b)Démontre que BH=AH.
  3. c)Calcule BC, puis l'aire du triangle ABC sous la forme a+b3.
  4. d)Calcule AB2, puis encadre AB entre deux entiers consécutifs.

Exercice 3 – Recherche — les cônes « entiers »

(4 pts)

On cherche tous les cônes de révolution de hauteur 12 cm dont le rayon r et la génératrice g sont des nombres entiers de centimètres (r>0).

  1. a)Démontre que g2−r2=144, puis que (g−r)(g+r)=144.
  2. b)Explique pourquoi g−r et g+r sont forcément tous les deux pairs.
  3. c)Trouve tous les couples (r;g) possibles, en justifiant qu'on n'en oublie aucun.
  4. d)Parmi ces cônes, lequel a le plus grand demi-angle au sommet ? Justifie sans calculatrice.

Exercice 4 – Problème — le silo à grain

(5 pts)

Un silo est formé d'un cylindre de 6 m de diamètre et de 10 m de hauteur, posé sur une trémie : un cône de même rayon, pointe en bas, dont la génératrice mesure 5 m. Le grain ne s'écoule bien que si la paroi de la trémie fait avec l'horizontale un angle supérieur à 45°. On rappelle : tan45°=1. Les volumes sont attendus en valeur exacte (en fonction de π), puis arrondis avec π≈3,14 quand c'est demandé.

  1. a)Calcule la hauteur de la trémie.
  2. b)Calcule le volume total du silo en valeur exacte.
  3. c)Démontre, sans calculatrice, que le grain s'écoule bien.
  4. d)Une maquette du silo est réalisée à l'échelle 150. Quel est son volume, en litres, au dixième près ?
  5. e)Le grain a une masse de 750 kg par m³. On remplit la trémie et la moitié du cylindre. Quelle masse de grain, au dixième de tonne près, contient le silo ?

Exercice 5 – Pour aller plus loin

(3 pts)

On démontre deux propriétés, puis on les applique. On rappelle : sin30°=12.

  1. a)Démontre que, pour tout angle aigu x, (cosx)2+(sinx)2=1.
  2. b)ABC est un triangle dont l'angle B^ est aigu et H le pied de la hauteur issue de A. Démontre que AH=AB×sinB^, puis que l'aire de ABC vaut 12×AB×BC×sinB^.
  3. c)Calcule l'aire d'un triangle ayant deux côtés de 6 cm et 10 cm qui forment un angle de 30∘. Explique pourquoi un triangle ayant deux côtés de 6 cm et 10 cm formant un angle aigu a toujours une aire inférieure à 30 cm².

Bon courage !

Ce document est la propriété intellectuelle de Ben, professeur particulier (benprofparticulier.fr), protégée par le Code de la propriété intellectuelle (art. L. 111-1 et L. 122-4). Il est mis à disposition pour un usage personnel de révision. Toute reproduction, diffusion, mise en ligne ou revente, totale ou partielle, sans autorisation écrite est interdite et constitue une contrefaçon (art. L. 335-2).

Voir le corrigé et le barème
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Corrigé et barème – Trigonométrie, Pythagore, Thalès et géométrie dans l'espace — niveau ★★★

Durée : 60 min – Calculatrice interdite – Sur 20 points · Mathématiques 3ᵉ

Exercice 1 – Automatismes justifiés

(4 pts)
  1. a)cos2x+sin2x=1, donc cos2x=1−0,36=0,64 ; comme cosx>0 pour un angle aigu, cosx=0,8. Puis tanx=sinxcosx=0,60,8=0,75. (1 pt : cosinus 0,5 ; tangente 0,5) (1)
  2. b)Le plus grand côté est 4 cm (car 4=16). 42=16 et 52+112=5+11=16 : d'après la réciproque de Pythagore, le triangle est rectangle, l'angle droit étant opposé au côté de 4 cm. (1 pt : comparaison des côtés et calculs 0,5 ; conclusion 0,5) (1)
  3. c)Boule : 43×π×27=36π cm³. Cône : 13×π×9×h=3πh. 3πh=36π donne h=12 cm. (1 pt : équation 0,5 ; résultat 0,5) (1)
  4. d)Le volume est multiplié par k3=145854=27=33, donc k=3. L'aire est multipliée par k2=9. (1 pt : k 0,5 ; aire 0,5) (1)

Astuce — cos2x+sin2x=1 et tanx=sinxcosx permettent de déduire les trois rapports d'un seul, sans calculatrice ni figure.

Exercice 2 – Calculs exacts

(4 pts)
  1. a)Le triangle AHC est rectangle en H, d'hypoténuse [AC]. HC=AC×cos60∘=8×12=4 cm et AH=AC×sin60∘=8×32=43 cm. (1 pt : HC 0,5 ; AH 0,5) (1)
  2. b)Dans ABH rectangle en H : BAH^=180∘−90∘−45∘=45∘=ABH^. Le triangle ABH a deux angles égaux, il est isocèle en H : BH=AH=43 cm. (1 pt : angle 0,5 ; conclusion 0,5) (1)
  3. c)H∈[BC], donc BC=BH+HC=43+4 cm. Aire =BC×AH2=(4+43)×432=(4+43)×23=83+8×3=24+83 cm². (1 pt : BC 0,5 ; aire développée 0,5) (1)
  4. d)Pythagore dans ABH : AB2=AH2+BH2=(43)2+(43)2=48+48=96, donc AB=96 cm. Comme 81<96<100, on a 9<AB<10. (1 pt : AB2 0,5 ; encadrement 0,5) (1)

Piège — (43)2 vaut 16×3=48 et non 4×3 : le carré porte sur les deux facteurs du produit.

Exercice 3 – Recherche — les cônes « entiers »

(4 pts)
  1. a)La hauteur, le rayon et la génératrice forment un triangle rectangle d'hypoténuse la génératrice : g2=122+r2, donc g2−r2=144. Avec l'identité a2−b2=(a−b)(a+b) : (g−r)(g+r)=144. (1 pt : Pythagore 0,5 ; factorisation 0,5) (1)
  2. b)(g+r)−(g−r)=2r est pair, donc g−r et g+r ont la même parité. S'ils étaient tous deux impairs, leur produit serait impair, or 144 est pair : ils sont donc tous deux pairs. (1 pt : même parité 0,5 ; exclusion du cas impair 0,5) (1)
  3. c)On pose d=g−r et e=g+r : d×e=144, d et e pairs, et 0<d<e car r>0 (on a g>r puisque g2=r2+144). Alors d2<d×e=144, donc d<12 : les seules valeurs paires possibles de d divisant 144 sont 2,4,6,8, avec e=72,36,24,18, tous pairs. Comme g=d+e2 et r=e−d2, on obtient exactement quatre cônes : (35;37), (16;20), (9;15) et (5;13). Vérification : 352+144=1369=372. (1,5 pt : encadrement d<12 0,5 ; liste des couples (d;e) 0,5 ; quatre cônes 0,5) (1)
  4. d)Le demi-angle au sommet α vérifie tanα=r12. Plus r est grand, plus la tangente est grande et plus l'angle est grand (le côté opposé s'allonge pour un même côté adjacent) : c'est le cône de rayon 35 cm. (0,5 pt) (1)

Méthode — pour être sûr de n'oublier aucune solution, on transforme le problème en une liste finie : ici, les décompositions de 144 en produit de deux facteurs pairs, que l'on parcourt dans l'ordre.

Exercice 4 – Problème — le silo à grain

(5 pts)
  1. a)Rayon 3 m. Rayon, hauteur et génératrice forment un triangle rectangle : h2=52−32=25−9=16, donc h=4 m. (1 pt : égalité 0,5 ; résultat 0,5) (1)
  2. b)Cylindre : π×32×10=90π m³. Trémie : 13×π×32×4=12π m³. Total : 102π m³. (1 pt : deux volumes 0,5 ; total 0,5) (1)
  3. c)Dans le triangle rectangle de la trémie, l'angle α entre la paroi et l'horizontale a pour côté opposé la hauteur (4 m) et pour côté adjacent le rayon (3 m) : tanα=43>1=tan45∘. Pour un angle aigu, la tangente augmente avec l'angle (à côté adjacent fixé, un angle plus grand donne un côté opposé plus long), donc α>45∘ : le grain s'écoule bien. (1 pt : rapport 0,5 ; comparaison justifiée 0,5) (1)
  4. d)Les volumes sont divisés par 503=125000 : 102π125000 m³ =102π×1000125000 L =0,816π L. Avec π≈3,14 : 0,816×3,14=2,56224, soit environ 2,6 L. (1 pt : coefficient k3 0,5 ; conversion et valeur 0,5) (1)
  5. e)Volume de grain : 12π+90π2=12π+45π=57π m³. Masse : 57π×0,75=42,75π t, et 42,75×3,14=134,235, soit environ 134,2 t. (1 pt : volume 0,5 ; masse 0,5) (1)

Erreur fréquente — 1 m³ =1000 L : oublier cette conversion, ou l'appliquer avant de diviser par k3 sans changer d'unité, fausse le résultat d'un facteur mille.

Exercice 5 – Pour aller plus loin

(3 pts)
  1. a)On place x dans un triangle rectangle d'hypoténuse c, de côté adjacent a et de côté opposé b : cosx=ac et sinx=bc. Alors (cosx)2+(sinx)2=a2+b2c2=c2c2=1, car a2+b2=c2 d'après Pythagore. (1 pt : rapports 0,5 ; utilisation de Pythagore 0,5) (1)
  2. b)Le triangle ABH est rectangle en H, d'hypoténuse [AB], et [AH] est le côté opposé à B^ : sinB^=AHAB, d'où AH=AB×sinB^. L'aire de ABC vaut BC×AH2=12×AB×BC×sinB^. (1 pt : hauteur 0,5 ; aire 0,5) (1)
  3. c)Aire =12×6×10×sin30∘=30×12=15 cm². Pour un angle aigu x, sinx<1 (le côté opposé est plus court que l'hypoténuse), donc l'aire 12×6×10×sinx=30sinx est strictement inférieure à 30 cm². (1 pt : aire 0,5 ; argument sinx<1 0,5) (1)

Méthode — pour démontrer une propriété d'un angle quelconque, on le place dans un triangle rectangle bien choisi, on nomme ses côtés par des lettres et on raisonne sur les lettres, jamais sur un exemple.

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