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PHYSIQUECHIMIE

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EXERCICE I OBLIGATOIRERpondre ou cocher la ou les rponses exactes

I-1- Une plante classique de notre systme solaire a t dclasse en plante naine par lunionastronomique internationale.

Cette plante se nomme : PLUTON

Combien de plantes classiques notre systme solaire contientil aujourdhui : 8

I-2- Parmi les matriaux suivants, cocher les alliages mtalliques contenant du fer :

laiton acier bronze fonte tain tflon

I-3- Parmi les sigles suivants, cocher ceux des organismes ayant une importante mission en recherchescientifique :

CROUS INSERM CNRS SNCF CEA

I-4- Lapparition dun arc en ciel est lie au phnomne de :

dispersion de la lumire (variation de la clrit de la lumire avec la couleur) ; diffraction de la lumire par les petites gouttes de pluie en suspension dans latmosphre ;

diffusion de la lumire par les petites particules de pluie en suspension dans latmosphre ;

rflexion de la lumire sur une couche atmosphrique ;

mission des spectres atomiques de loxygne et de lhydrogne.

I-5- On souhaite comparer les performances de deux types dampoules de mme efficacit lumineuse.Donnes :

Consommation PrixAmpoule incandescence 100 W 1

Ampoule basse consommation 20 W 7 Prix moyen : 0,07 le kWhDure de fonctionnement hebdomadaire : 28 heures

Calculer le cot de fonctionnement hebdomadaire dune ampoule incandescence.

Cot = 0,2

Au bout de quelle dure le surcot de lampoule basse consommation est-il amorti ?Moins de 6 mois entre 6 mois et 12 mois entre 1 an et 2 ans plus de 2 ans jamais


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EXERCICE II

Qui na pas vu dans un western ou une bande dessine, des bandits voulant attaquer un train coller leur oreillesur les rails pour percevoir larrive du convoi ? A cette poque les trains taient pourtant particulirementbruyants et la locomotive signalait son arrive par des coups de sifflet.

II-1- Dans un dsert, cras de chaleur, un cow-boy tire (en lair !) un coup de fusil. Avec quel retard 1, un

indien situ une distance d1= 1 km du cow-boy entendra-t-il ce coup de fusil ? On considre que la clrit ca

des ondes sonores dans lair sec du dsert, la temprature de 30 C est de 345 m/s.II-2- Un indien, furieux de voir son territoire envahi, sattaque coups de hache la voie de chemin de fer. Aune distance d

2= 2,5 km de l, un soldat souponneux, loreille colle aux rails, dtecte lattaque avec un retard

2 = seconde.Quelle est la valeur de la clrit cr des ondes sonores dans le matriau dont sont forms les rails ?

II-3- Quel personnage utilise le moyen de communication le plus efficace ?

Pour tudier plus scientifiquement la propagation du son dans ce matriau, on place un metteur dondessonores sinusodales de frquence variable fe en un point O dun rail dune voie de chemin de fer dsaffecte.

Un dtecteur peut se dplacer le long de ce rail, la distance entre lmetteur et le dtecteur est note x.

Lmission des ondes est commande par une tension sinusodale de mme frquence fe , cette tension estvisualise sur la voie 1 dun oscilloscope. La rponse du dtecteur est aussi une tension sinusodale defrquence fe , elle est visualise sur la voie 2 du mme oscilloscope.

II-4- Quel est la nature des ondes sonores ?

II-5- La frquence fe de lmetteur est fixe 2 000 Hz. Comment peut-on qualifier ce son ?

II-6- On dplace le dtecteur du point O jusquau premier point o les tensions observes sur loscilloscopesont en phase. La distance entre metteur et rcepteur est alors x1 = 2,60 m. Que reprsente cette valeur ?

II-7- Donner lexpression, puis calculerla clrit c du son 2 000 Hz dans le matriau.

II-8- La frquence de lmetteur tant toujours de 2 000 Hz, on dplace le dtecteur jusqu une distancex2= 6,50 mde lmetteur. Reprsenter ce qui est observ sur lcran de loscilloscope, les sensibilits verticalesdes voies 1 et 2 sont ajustes pour que les tensions crte crte correspondantes occupent les 8 divisions delcran, la sensibilit horizontale est de 100 s/div.On revient une distance metteur rcepteur de x1 = 2,60 m, les tensions observes sur loscilloscope sont enphase. On se propose dtudier les variations ventuelles de la clrit des ondes sinusodales dans le rail avecleur frquence.II-9- Comment qualifie-t-on un milieu de propagation pour lequel la clrit dpend de la frquence ?II-10- Pour raliser ltude, on fait varier la frquence fe de lmetteur dans cette gamme. On constate

loscilloscope que les tensions observes restent en phase quelque soit la frquence. Que peut-on en conclure ?


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REPONSES A LEXERCICE II

II-1- Retard1= 2,9 s

II-2- Clrit cr =5 000 m.s-1

II-3- cow-boy indien quivalent

II-4- Les ondes sonores sont : (cocher la ou les rponses exactes)

stationnaires progressives transversales longitudinales

II-5- Ce son est un : (cocher la rponse exacte)

infrason son grave son mdium son aigu ultrason

II-6- La distancex1se nomme :longueur donde

II-7- Clrit du son :

Expression littrale c = x1fe Application numrique c = 5 200 m.s-1

II-8- Oscillogramme :

II-9- Qualificatif :dispersif

II-10- Conclusion : La vitesse de propagation nest pas modifie donc le matriau est non dispersif.


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EXERCICE III

Au cours dobservations astronomiques, une plante P a t dcouverte hors du systme solaire. Autourde cette plante gravite un satellite S qui dcrit un mouvement circulaire uniforme de rayon r = 212.103km. Lapriode de rvolution de S autour de P est de 296 heures. La masse du satellite S est note msat , sa vitesse estnote v. La masse de P est note mP.On rappelle la valeur de la constante de gravitation universelle : G=6,67. 10-11m3.kg-1.s-2.

P

Snr

r

n est le vecteur unitaire orient du centre de S vers le centre de P.

III-1- Exprimer lacclrationa de S en fonction de v, r et

.n

III-2- Exprimer la force P/SFr

exerce parP surS en fonction de msat, mP, G, r et .n

III-3- Donner lquation reliant v r.III-4- ExprimerT2 en fonctionde r, G etmP.III-5- Donner les valeurs littrales et numriques de mP.

Afin que la vie puisse se dvelopper sa surface, la masse dune plante doit tre suffisante pour que lagravit soit en mesure de retenir des lments relativement lgers comme le carbone ou l'oxygne. Cependant,elle ne doit pas tre trop grande sinon lhydrogne est pig, ce qui constitue un environnement chimiquementrducteur que les biologistes considrent comme impropre la vie. A titre dexemple : la masse de Mercure

vaut : 3,3.1023kg , la masse de la Terre vaut : 6,0.1024kg et la masse de Jupiter vaut : 1,9.1027kg.

III-6- La masse de la plante P semble-t-elle compatible avec lapparition de la vie sa surface ?

La masse de ltoile E autour de laquelle gravite P constitue galement un paramtre dcisif pourlapparition et le dveloppement de la vie surP : A une toile trop petite correspond une luminosit trop faibleet donc un apport dnergie insuffisant. En outre, la dure de vie dune toile diminue avec sa taille. Or il a falluun milliard dannes pour que la vie apparaisse sur terre. On considre parfois que ltoile doit avoir sa massecomprise entre 0,5 et 2 fois la masse du Soleil (msoleil=2,0.10

30kg).

III-7- Sachant que la trajectoire de P autour de E est circulaire uniforme (Rayon r1=188.106 km, priode

T1=2440 heures), donner les valeurs littrales et numriques de mE, masse de ltoile E.

III-8- La masse de la plante E semble-t-elle compatible avec lapparition de la vie surP ?


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REPONSES A LEXERCICE III

III-1- Acclration =a n

r

v 2 r

III-2- Force P/SFr

= nr

mm

2

Psat rG

III-3- Equation reliant v r :r

m P2 G=v

III-4- Relation : T2 = 3P

2r

Gm

4

III-5- Masse mP:

Expression littrale mP = 2

32

GT

r4

Application numrique mP = 4,97 1024

kg

III-6- Apparition de la vie possible : oui, car la masse mP

est proche de celle de la Terre.

III-7- Masse mE:

Expression littrale mE = 21

31

2

GT

r4

Application numrique mE = 5,1 1031

kg

III-8- Apparition de la vie possible : non car mE = 25 msoleil. Ltoile aurait une dure de vie trop faible.


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EXERCICE IV

Dans le problme suivant, on utilise un supercondensateur de capacit leve C = 1800 F .Ce condensateur de 400 g a un diamtre de 50 mm et une hauteur de 150 mm.

A linstant t= 0, on place linterrupteur en position 1.On charge alors ce condensateur laide dun gnrateurde courant qui permet de dlivrer une intensit constante I = 100 A. On obtient la courbe de charge ci-dessous.

R

C

21

I

uC

2 V

uC

t

t1

O

IV-1- quel instant t1 la tension aux bornes du condensateur atteint U1=2V ?

IV-2- Quelle est lnergie Ec1 emmagasine par ce condensateur cet instant t1 ?

A linstant t = t1, on place linterrupteur en position 2.On dcharge ce condensateur travers une rsistance R = 2 jusqu linstantt2ouC(t2) = U2= 1,5 V

Lquation donnant la tension aux bornes du condensateur durant cette dcharge est :uC = A + B exp (-(t-t1) / )

IV-3- DterminerA, B et

IV-4- A quel instant t2 la tension aux bornes du condensateur atteint U2=1,5 V ?

IV-5- En supposant que la dcharge du condensateur se passe sans pertes dnergie, quelle est lnergie ERdissipe par effet Joule dans la rsistance Rentre t1 et t2 ?En dduire la puissance moyenne PRdissipe par effet Joule dans la rsistance Rentre t1 et t2 .

On dfinit le rendement comme le rapport entre lnergie restitue lors de la dcharge et lnergie emmagasinelors de la charge. Les accumulateurs traditionnels du type batterie de voiture ont un rendement de lordre de 50%. On mesure la puissance moyenne dissipe parRentre t1 et t2. On obtient 1,4 Watt.

IV-6- Calculer le rendement de ce supercondensateur. Comparer et conclure.


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REPONSES A LEXERCICE IV

IV-1- Instant t1 :

Expression littrale t1 =I

UC 1 Application numrique t1 = 36 s

IV-2- Energie Ec1 :

Expression littrale Ec1 =

2

1U2 C

1

Application numrique Ec1 = 3,6 kJ

IV-3- A = 0 B = U1 = RC

IV-4- Instant t2

Expression littrale t2 =

+

2

11 U

URC lnt Application numrique t2 = 1070 s

IV-5- Energie ER:

Expression littrale ER= ( )C1 Application numrique E2221 UU2

R= 1,6 kJ

Puissance moyenne PR:

Expression littrale PR=12

R

tt E Application numrique PR= 1,5 W

IV-6- Rendement = 90 %

Comparaison :

Le rendement du supercondensateur est nettement meilleurs que celui de l'accumulateur.


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EXERCICE V

On met ragir 25C un ester E, de formule semi-dveloppe CH3COOCH(CH3)CH3 avec unequantit no = 5,0.10

-2 mol de soude (hydroxyde de sodium) et on suit au moyen dun conductimtre la

conductance G dune cellule conductimtrique plonge dans le mlange, en fonction du temps.On rappelle que G est proportionnelle la conductivit de la solution : G = k..

G = f(t )

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 50 100 150 200 250

t (s )

G (m S)

V-1- Donner le nom de lester E en nomenclature officielle.

V-2- Ecrire avec les formules semi-dveloppes lquation de la ractionchimique qui intervient.

V-3-a Donner les noms et les formules dveloppes des produits forms.

V-3-b Pour chacun des produits, entourer sa fonction chimique et la nommer.

V-4- On dsire oprer en prsence dun excs de E, quelle masse minimale mmin de E doit-on mettreen uvre ?

V-5- On ralise lexprience avec 0,1 molde lesterE.Sachant que la raction peut tre considre comme totale, porter graphiquement lvolution de la quantitde chaque espce en solution en fonction de lavancementx. Echelle : 1 unit = 10-2mol.

V-6- La conductivit est relie aux concentrations des diffrents ions (exprimes en mol.m-3) parleur conductivit molaire ionique . Donner lunit de .V-7- Donner lexpression correcte de G(t) en fonction de :

k = constante de cellule Go = conductance initiale t = 0 conductivits molaires ioniques a- des anions a- prsents x = avancement de raction V = volume total (constant)

NB : toutes les grandeurs sont exprimes dans les units du systme international.


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V-8- On peut exprimer lavancement x en fonction de G(t), Go et G (G est la conductance au bout

dun temps suppos infini) :

=

GG

GG

0

00nx . Dterminer le temps de demi-raction.

Donnes : .NaO,C,H, 2311

168

126

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REPONSES A LEXERCICE V

V-1-Nom de lesterE :Ethanoate (ou actate) de mthylthyle,

ou de 1-mthylthyle ou de 2-propyle, ou disopropyle

V-2- Equation :CH3COOCH(CH3)CH3 + HO

- CH3COO- + CH3CH(OH)CH3V-3-a Noms et formules dveloppes des produits forms.

b Entourer les fonctionschimiques et les nommer.

V-4- Masseminimalemmin =5,1 g

V-5- Trac de n = f(x)

x

n enmol

0,5 mol

0,1 mol

0

nEster

nNa+

nAlcool

nthanoate

nOH-

V-6- Unit de :S. m2.mol-1 ou -1.m2.mol-1V-7- Expression correcte de G(t) (cocher la rponse exacte)

G(t) = Go . ( kx + V ) / (AcO- + HO- ) G(t) = Go + ( kx / V ) . (AcO- - HO- )G(t) = Go - ( kVx ) + (AcO- / HO- )G(t) = Go . ( kx / V) / (AcO- - HO- )G(t) = Go / ( kVx) . (AcO- + HO- )

V-8- Temps de demi-raction = 15 s

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