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BACCALAUREAT BLANC

Session de Mars 2014

PHYSIQUE-CHIMIE

Série S enseignement de Spécialité

DURÉE DE L’ÉPREUVE : 3 h 30 – COEFFICIENT : 8

L’usage des calculatrices est interdit.

Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont indépendants les uns des autres sur trois copies

séparées.

Exercice I-Luge et cie (7,5 pts)

Exercice II-Les indicateurs colorés (7,5 pts)

Exercice III- Son, Danger et Protection (5 pts)

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Exercice 1 : Luges et Cie (7,5 points)

A. Le schlittage

La schlitte est une sorte de traîneau ou de grosse luge à l'armature légère et assez souple en bois,

réservée à divers usages traditionnels de transport agricole et forestier dans la montagne vosgienne

ou en Forêt-Noire, utilisé jusqu'à la deuxième guerre mondiale avant la mécanisation du monde

agricole.

…..Les schlitteurs étaient recrutés essentiellement parmi les hommes pauvres, en tout cas les plus

démunis des vallées des Vosges. La préservation de l'expression populaire : « La schlitte tue

l'homme en montant, et l'achève en descendant », témoigne du caractère harassant de la tâche

réputée peu noble.

D'après les statistiques forestières de la fin du XIXe siècle, ce métier de force malfamé, rude et

difficile, rendu dangereux par le temps humide et froid, possédait le taux le plus élevé d'accidents

graves et mortels.

extrait du site « wikipedia.org »

Un bûcheron descend à vitesse constante un chargement de bois sur une piste rectiligne de longueur L et inclinée. La masse du système complet (schlitte, chargement et schlitteur) est notée m. La résistance de l’air est négligée. 1 Analyse des forces :

1.1 Faire le bilan des forces s’exerçant sur le système. 1.2 Sur un schéma, sans considération d’échelle, représenter les forces s’exerçant

sur le système. 1.3 Quelle est la résultante des forces ? Justifier en énonçant la loi qui convient.

2 Lors du déplacement L, écrire l’expression du travail des forces suivantes, en fonction de L,

, m, f et les constantes habituelles nécessaires.

2.1 le poids du système

2.2 la composante normale

2.3 la force de frottement

3 Conclusions

La réaction d’un support peut être décomposée en deux parties :

la réaction normale perpendiculaire au support, empêche l’objet de pénétrer dans le

support.

la force de frottement, appelée aussi la réaction tangentielle est parallèle au support et

opposée au glissement.

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3.1 Peut-on dire que l’énergie mécanique du système se conserve ? Justifier votre réponse.

3.2 En l’absence de frottement, le travail de la réaction d’un support est-il moteur, résistant ou nul ?

B. JO de Sotchi : la piste de bobsleigh la plus longue du monde Longue de 1 814 mètres, la piste est conçue par les spécialistes russes. Elle commence à 836 m au-

dessus du niveau de la mer et se termine à 704 m. L’entraîneur de l’équipe de Russie souligne que

la piste est difficile mais intéressante.

……Elle offre le maximum de sécurité, assure le vice-président du groupe OlympeStroy Viktor

Priadéine. A la différence de la piste de Vancouver qui a fait des victimes lors des Jeux olympiques

de 2010, la piste de Sotchi exclut ce genre d’accidents.

« La piste dispose de gradients qui sont censés diminuer la vitesse. La vitesse maximale est de 135

km/h. Par ailleurs, le projet approuvé par la Fédération internationale et les athlètes prévoit des

barrières de protection supplémentaires qui permettent d’éviter une sortie de piste. Ces barrières

sont conçues pour agrandir la zone de sécurité. Les athlètes qui vont participer aux compétitions

étudient progressivement la piste, commencent leur entraînement en bas pour ensuite remonter plus

haut en augmentant la vitesse et s’assurer que la sécurité est bien au rendez-vous et qu’on peut

faire toute la piste. »

Alexandra Zakharova (journaliste radio « la voix de la Russie »)

L’accélération de la pesanteur à Sotchi est g = 9,8 m.s-2 .

On considère que le bobsleigh, avec son équipage, se déplace sans frottement sur la piste de Sotchi décrite dans le texte ci-dessus. On mène l’étude dans le référentiel terrestre en choisissant l’origine du repère au niveau de la mer et en orientant l’axe vertical vers le haut. 1. Les relations de base

1.1 Quelle est la définition de l’énergie cinétique d’un système ? Expliciter les notations utilisées.

1.2 Donner l’expression générale de l’énergie potentielle de pesanteur d’un système. Expliciter les notations utilisées.

1.3 Donner la définition de l’énergie mécanique.

2. Dimensions et unités 2.1 Par une analyse dimensionnelle, montrer que énergie cinétique et énergie

potentielle de pesanteur sont homogènes. 2.2 En déduire l’expression du Joule avec les unités de base du système

international (m, kg, s, A, K, mol). 2.3 Parmi les adjectifs suivants, choisir celui(ceux) qui convient(nent) pour décrire la

base de la définition actuelle de la seconde : astronomique, atomique, mécanique, olympique, relativiste.

3. On choisit pour état de référence pour l’énergie potentielle de pesanteur le point bas de la piste de bobsleigh. 3.1 Exprimer l’énergie mécanique Em(D) du bobsleigh avec son équipage au point D :

départ de la piste. 3.2 Exprimer l’énergie mécanique Em(A) du bobsleigh avec son équipage au point A :

arrivée au bas de la piste. 3.3 Exprimer la valeur de la vitesse vA du système en A, s’il part de D avec une

vitesse nulle. Calculer la valeur de vA .

Aide au calcul :

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3.4 Citer une raison pour laquelle la vitesse obtenue dépasse la vitesse maximale indiquée dans le texte.

C. « in a one-horse open sleigh »

Oh, jingle bells, jingle bells, jingle all the way !

Oh, what fun it is to ride in a one-horse open sleigh.

Jingle bells, jingle bells, jingle all the way !

Oh, what fun it is to ride in a one-horse open sleigh.

Jingle Bells est une chanson américaine écrite par James Pierpont (1822 - 1893) et publiée la

première fois en 1857.

C'est l'un des chants de Noël les plus connus dans le monde. Il fut notamment interprété par Elvis

Presley, Carl Perkins, Jerry Lee Lewis et Johnny Cash le 4 décembre 1956, dans le cadre de ce

qu'on a appelé The Million Dollar Quartet.

extrait du site « wikipedia.org »

Un monsieur barbu bedonnant voyage en traineau dans un pays nordique, froid. Avant de

prendre la route, il a pris soin d’accorder les clochettes qui ornent son tintinnabulant véhicule

ambulant. C’est une opération très rigoureuse et commercialement fondamentale pour

respecter la charte sonore qu’il s’est donnée et qui est publié sur « wikinono » et donc connu

dans le monde entier !

Ses clochettes sont toujours rigoureusement justes, même à la froide température extérieure de ce nordique pays : parfaitement accordées sur un do dièse à 1108,73 Hz. Un soir, dans la blanche campagne de son nordique pays froid, le monsieur, dans son traineau mu par de fougueux cervidés, vient à la rencontre du jeune Jean-Sébastien N’drix. Ce jeune musicien talentueux est doté de l’oreille absolue : il est capable de reconnaître et de positionner dans l’échelle des fréquences une note dès qu’il l’entend. Et là, soudainement, en cette soirée qui s’annonçait tellement paisible, il arrête le bedonnant voyageur en vociférant : « Alors, mon bonhomme, on fanfaronne, on claironne partout la note juste ! Do dièse sur tous les toits ! Mais c’est une légende, un piège à gogos ! Ce que j’ai entendu alors que vous veniez vers moi, ce n’est pas un do dièse, c’est pratiquement un ré : bien plus aigu que votre prétendu do dièse ! » Vite, avant qu’ils n’en viennent aux mains, il vous faut intervenir… 1. Donner le nom du phénomène physique qui est à la base de ce malentendu. 2. L’expliquer en quelques phrases. 3. Vérifier le sens du « décalage ».

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Exercice 2 : Les indicateurs colorés (7,5 points)

Document 1 : Histoire de l’utilisation des indicateurs colorés en chimie

La première utilisation d'un indicateur coloré pour les titrages acido-basiques remonte à 1767 par

W. Lewis. Il employait un extrait de tournesol (...) .

On utilisait à l'époque des extraits de plantes qui changent de couleur avec l'acidité du milieu (...).

On peut en citer quelques-uns parmi les plus connus et les meilleurs :

l'artichaut (...)

la betterave rouge (...)

le chou rouge, de loin l'extrait le plus intéressant car sa couleur change nettement

suivant la valeur du pH :

pH 0-3 4-6 7-8 9-12 13-14

couleur rouge violet bleu vert jaune

d'après Chimie des couleurs et des odeurs

Document 2 : Les indicateurs colorés en cuisine

Le chou rouge est un légume riche en fibres et en vitamines, qui se consomme aussi bien en salade

que cuit. Mais la cuisson du chou rouge peut réserver des surprises : chou rouge et eau de cuisson

deviennent rapidement bleus. Pour rendre au chou sa couleur violette, on peut ajouter un filet de

citron ou du vinaigre. Après avoir égoutté le chou, une autre modification de couleur peut

surprendre le cuisinier: versée dans un évier contenant un détergent, l'eau de cuisson devient verte.

Document 3 : Les indicateurs colorés de nos jours

De nos jours, les indicateurs colorés sont toujours largement utilisés pour les titrages. La pH-

métrie est une autre technique de titrage acido-basique qui permet en outre de choisir

convenablement un indicateur coloré acido-basique pour ces mêmes titrages.

1. En utilisant les textes ci-dessus,

1.1. Donner la propriété essentielle d'un indicateur coloré acido-basique. 1.2. Préciser le caractère acide ou basique du vinaigre et du détergent.

2. Des indicateurs colorés pour les titrages. Dans la suite de l'exercice, on s'intéresse au titrage de l'acide éthanoïque de formule CH3 – CO2H (noté par la suite HA) contenu dans un vinaigre commercial incolore.

La base conjuguée de cet acide sera notée A–.

2.1. Dilution du vinaigre.

Le vinaigre commercial étant trop concentré pour être titré par la solution d'hydroxyde de sodium disponible au laboratoire, on le dilue dix fois. On dispose pour cela de la verrerie suivante : Éprouvettes : 5 mL 10 mL 25 mL 50 mL 100 mL Pipettes jaugées : 1,0 mL 5,0 mL 10,0 mL 20,0 mL Fioles jaugées : 150,0 mL 200,0 mL 250,0 mL 500,0 mL Choisir dans cette liste la verrerie la plus appropriée pour effectuer la dilution. Justifier.

2.2. Réaction de titrage.

On titre un volume VA = 10,0 mL de la solution diluée de vinaigre par une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium (ou soude) de concentration molaire en soluté apporté

cB = 1,0 10–1 mol.L-1.

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On ajoute un volume Veau = 60 mL afin d'immerger les électrodes du pH-mètre après agitation. Le suivi pH-métrique de la transformation permet de construire la courbe fournie dans l'ANNEXE À RENDRE A VEC LA COPIE.

Cette partie a pour but de vérifier que la transformation associée à la réaction de titrage est totale. Pour cela, on déterminera son taux d'avancement final pour un volume VB = 6,0 mL de solution aqueuse d'hydroxyde de sodium versé. Donnée : produit ionique de l'eau à 25°C Ke = 10 –14

2.2.1. Écrire l' équation associée à la réaction de titrage.

2.2.2. Pour VB = 6,0 mL, déterminer le réactif limitant.

2.2.3. Pour VB = 6,0 mL, déterminer l'avancement maximal xmax . On pourra s'aider d'un tableau d'avancement.

2.2.4. Après avoir relevé la valeur du pH du mélange obtenu, déterminer la quantité de matière d'ions hydroxyde restante après la transformation

n(HO-)f dans le volume total de mélange réactionnel.

2.2.5. La réaction est-elle totale ou limitée ? Justifier votre réponse.

2.3. Détermination par titrage de la concentration molaire en acide éthanoïque apporté du vinaigre.

2.3.1. Déterminer graphiquement sur l'ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE le volume de la solution d'hydroxyde de sodium versé à l'équivalence. Préciser la démarche utilisée.

2.3.2. Déterminer la valeur de la concentration molaire en acide éthanoïque apporté cA dans le vinaigre dilué et en déduire la valeur de la concentration molaire en acide éthanoïque apporté c0 du vinaigre commercial.

2.4 Retour historique …

On souhaite réaliser un titrage colorimétrique de l'acide éthanoïque contenu dans le vinaigre dilué avec un des deux extraits naturels (artichaut et betterave rouge) utilisés au dix huitième siècle. Pour chaque indicateur coloré, on considère que les teintes sont dues à la

prédominance d'une espèce chimique, notée HAInd pour sa forme acide et A–

Ind pour sa

forme basique. Le pKA des couples HAInd/ A–

Ind sera noté pKi. On donne les valeurs des pKi à 25°C :

artichaut: (pKi )1 = 7,5 betterave rouge: (pKi)2 = 11,5

Artichaut Betterave

pKi 7,5 11,5

Teinte pour HAInd dominant incolore rouge

Teinte pour A–Ind dominant jaune jaune

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2.4.1. En utilisant l'expression de la constante d'acidité Ki, montrer que la relation suivante est vérifiée :

-ind éq pH-pKi

ind éq

[A ]=10

[HA ]

On s'interroge sur les couleurs que prendrait le mélange réactionnel lors du titrage colorimétrique de l'acide éthanoïque en présence d'une petite quantité de l'un ou l'autre de ces extraits naturels.

La courbe pH-métrique montre que, pour VB = 9,8 mL, le pH de la solution est voisin de 6,5 et que, pour VB = 10,1 mL, il est voisin de 10,5.

2.4.2. Pour chaque extrait naturel et pour chacun de ces deux volumes VB,

déterminer la valeur du rapport -ind éq

ind éq

[A ]

[HA ]puis compléter la ligne

correspondante du tableau de l'ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE.

2.4.3. En déduire les couleurs observées dans chaque cas. Compléter la ligne correspondante du tableau de l'ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE.

2.4.4. Conclure sur l'indicateur coloré le plus adapté pour ce titrage.

2.4.5. Pourquoi faut-il choisir un vinaigre incolore pour ce type de titrage ?

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Exercice 3 : Spécialité – Son, Danger et Protection

Depuis les années 70, l’écoute de la musique à un niveau sonore élevé est devenue

un véritable phénomène de mode et le risque de perte d’acuité auditive est aujourd’hui un véritable problème de santé publique.

En général les personnes atteintes se plaignent de sifflements dans l’oreille (d’acouphènes) ou de troubles de l’audition qui disparaissent le plus souvent après

quelques jours de repos auditif. À long terme ces effets peuvent devenir

permanents et l’audition dégradée de manière irréversible.

C’est pour cela que le niveau sonore pour les établissements diffusant de la

musique est réglementé à 105 dB (décret 98- 1143 dit « lieux musicaux »). Le

niveau des baladeurs est limité à 100 dB mais ce niveau peut être facilement amplifié par les écouteurs.

Il est donc important d’éduquer, d’informer et d’amener la population à réfléchir

sur le handicap que peut engendrer l’exposition prolongée à des niveaux sonores trop élevés.

D’après Le pharmacien et l’oreille : conseil à l’officine, thèse soutenue par Adeline Zannoni

http://docnum.univ-lorraine.fr/public/SCDPHA_T_2008_ZANNONI_ADELINE.pdf

Cet exercice porte sur les risques auditifs liés à I'écoute prolongée de musique. Vous

devez, pour cela, lire attentivement l'ensemble des documents proposés, répondre à la

fin de I'exercice à des questions à choix multiples puis résoudre le problème posé à

l'aide d'une rédaction d'au minimum 20 lignes.

Document 1

« Comment varie le niveau sonore en fonction de la distance ? Si le son n'est pas réfléchi ou diffracté, le

niveau sonore perd 6 dB à chaque fois que l'on double la distance. Si le niveau sonore est de 90 dB à 3

mètres de l'instrument, il sera de 84 dB à six mètres. »

Niveau sonore de divers instruments à trois mètres, en plein air :

Clarinette 86 dB

Contrebasse 92 dB

Piano 94 dB

Trombone 107 dB

Grosse caisse 113 dB

D’après Le son musical de John Pierce

D'a

prè

s h

ttp://1

23

rf.co

m

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Document 2

Même si nous ne sommes pas tous égaux face au son,

voici la dose moyenne de son tolérable par semaine. Au-delà de cette dose, vous risquez de léser

progressivement et définitivement votre audition.

Des oreilles dans la moyenne peuvent tolérer l'écoute

d'un baladeur au niveau maximum (100 dB) pendant

deux heures par semaine. Elles peuvent tolérer l'écoute

d'un concert à 105 dB pendant 45 min.

Les doses de son s'additionnent. II ne faut pas

dépasser une dose de son par semaine. Deux heures de baladeur au niveau maximum plus un concert à 105

dB c'est trois fois la dose de son tolérée par semaine ...

il y a DANGER !

On estime que le risque existe à partir d'un niveau

sonore de 90 dB. Cependant, la douleur n'apparaît qu'à

partir de 120 dB, soit à une intensité sonore 1000 fois plus élevée que le seuil de risque. Les lésions peuvent

survenir sans que l'on s'en aperçoive sur le moment.

Mais le véritable danger n'est pas uniquement dans le

niveau sonore : il se situe aussi dans la dose de son, c'est-à-dire le temps d'exposition à un niveau sonore

donné.

D’après http://www.agi-son.org

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De plus en plus, à l’entrée des festivals de musique, des discothèques…,on voit des distributions gratuites de

bouchon d’oreille en mousse ;

Document 3

Les courbes ci-dessous présentent l’enregistrement au laboratoire du son émis par une flûte et des enregistrements

du son restitué par un bouchon d’oreille en mousse et un bouchon d’oreille moulé en silicone (très utilisé par les

musiciens, mais de prix assez élevé) lorsque la note jouée est un la4.

amplitude relative

0,8

0,6

0,2

0,4

0

0 1 2 3 4 5 f (kHz)

Son émis par la flûte

amplitude relative

0,8

0,6

0,2

0,4

0

0 1 2 3 4 5 f (kHz)

Son restitué après le passage par un bouchon en mousse

amplitude relative

0,8

0,6

0,2

0,4

0

0 1 2 3 4 5 f (kHz)

Son restitué après le passage par un bouchon moulé en silicone

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Document 4

1. QCM : Cocher les bonnes réponses

Sur le tableau de l’annexe à rendre avec la copie, cocher les bonnes réponses en précisant

à chaque fois le numéro du document utilisé pour répondre à la question. Chaque bonne

réponse amène des points. Une mauvaise réponse ne conduit pas à un retrait de points.

2. Question de synthèse :

À partir des documents proposés et de vos connaissances personnelles, indiquez, en le

justifiant, vos recommandations pour profiter d’un concert en plein air sans risques auditifs et

tout en gardant intacte la qualité du son.

Vous prendrez soin, pour cela, d’utiliser la totalité des documents proposés, d’utiliser au moins

une application numérique pertinente, d’apporter une solution au problème posé en veillant à

structurer les informations recueillies, d’adopter un jugement critique argumenté et de rédiger

un document d’au minimum 20 lignes dans un français correct.

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Nom : ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE

exercice 2

TABLEAU

Artichaut Betterave

VB = 9,8 mL VB = 10,1 mL VB = 9,8 mL VB = 10,1 mL

eq

eq

-

[HA]

][A

Couleur

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Nom : ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE

exercice 3-Spécialité

Questions Réponses Documents

1. L’analyse spectrale du son émis par la flute, dans le document 3, montre que c’est un son pur.

Oui Non

2. La hauteur du son est modifiée par le bouchon en mousse.

Oui Non

3. Un lycéen se rend à un concert sans protection auditive.

Il a déjà écouté son baladeur à 100 dB pendant une

heure dans la semaine. Il peut rester une heure à ce

concert de niveau sonore 105 dB sans prendre de

risques pour son audition.

Oui Non

4. Les bouchons en silicone sont utilisés par les musiciens car ils conservent la hauteur et le timbre du son.

Oui Non

5. Si le niveau sonore est de 90 dB à trois mètres de l’instrument, il sera de 84 dB à six mètres et de 78 dB à neuf mètres.

Oui Non