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Durée : 2H.

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DEVOIR SURVEILLE DE SCIENCES PHYSIQUES

TLE S

La solution des exercices sera rédigée en faisant attention à l’orthographe et à

l’expression écrite. Chaque partie est indépendante !

EXERCICE 1 : LE FOUR A MICRO-ONDES (8,5 points)

Compétences :

Connaître des sources de rayonnement et leur utilisation

Comprendre la détection d’un rayonnement

Exploiter la relation entre la période ou la fréquence, la longueur d’onde et la célérité

Un four à micro-ondes est un appareil électroménager utilisé principalement pour le chauffage

rapide d’aliments, […]. Cette technologie est principalement utilisée dans la cuisine mais,

depuis une vingtaine d’années, les fours à micro-ondes sont largement utilisés dans les

laboratoires de chimie pour activer des réactions chimiques. […] Cette application peut être

considérée comme faisant partie de la « chimie verte ».

D’après Eduardo RUIZ-HITZKY, « Le four micro-ondes : de la cuisine à la chimie de

synthèse », L’annuaire du Collège de France

Document 1 : Fonctionnement d’un micro-ondes

L’énergie électrique apportée

via la prise de courant

alimente le magnétron.

Celui-ci génère les micro-

ondes.

Les ondes produites sont

ensuite guidées et pénètrent

dans l’enceinte métallique où

se trouve l’aliment à chauffer.

Elles vont y pénétrer et

atteindre les molécules d’eau

qui s’y trouvent.

Sous l’action des micro-ondes, les molécules d’eau vont se mettre à changer d’orientation

à la même fréquence que celle du micro-onde. La mise en mouvement des molécules d’eau

va produire de la chaleur qui va chauffer ou cuire les aliments.

Etiquette à l’arrière du four à micro-ondes

Anatomie d’un four à micro-onde

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Durée : 2H.

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Document 2 : Spectre des ondes électromagnétiques

Document 3 : La protection des usagers

Le rayonnement micro-onde peut être dangereux, il peut brûler les tissus. L’étanchéité du

four est assurée par une porte grillagée qui réfléchit les micro-ondes, et des joints spéciaux.

Son alimentation électrique est coupée par un interrupteur dès que la porte est ouverte.

Sachant que les portables émettent des ondes dans le

domaine des ondes radios (principalement à des

fréquences de 900 Mégahertz, 1 800 Mégahertz et

2450 MHz pour les téléphones wifi), ils ne possèdent

aucun élément pour protéger l'utilisateur des ondes

émises. La personne concernée reçoit par conséquent

directement les ondes.

Intérieur de la tête d'un individu en train de téléphoner (on remarque une augmentation

de température marquée près de la zone où la personne tient son portable, et de moins en moins

marquée en s'éloignant de cette zone)

Données :

• 1 M (Méga) = 106 ; 1 G (Giga) = 109

• La fréquence f et la longueur d’onde sont deux grandeurs vérifiant la relation

c f où c est la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le vide.

• La célérité des ondes électromagnétiques dans le vide et dans l’air est :

c = 3,0 × 108 m.s–1.

• On rappelle que l'énergie transférée à un système avec une puissance P pendant la

durée Δt est : E = P × Δt.

avec E : énergie transférée en joule (J) ; Δt : temps de transfert en seconde (s) ; P : puissance

en watt (W).

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Durée : 2H.

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A. PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT.

A.1. A quoi est dû l’échauffement des produits dans le four à micro-ondes ?

A.2. Á quelle fréquence (en Hertz) l’orientation des molécules d’eau changent-elles ? Que

pouvez-vous en conclure sur l’agitation des molécules ?

A.3. Á l’aide du document 2. vérifier par le calcul qu’il s’agit bien de micro-ondes.

A.4. Questions de sécurité…

A.4.a. Comment est assurée la protection des usagers des micro-ondes émises par le

four ?

A.4.b. Comment tester l’étanchéité d’un four à micro-ondes avec un portable ? Quelles

pourraient être les raisons d’une mauvaise étanchéité ?

B. LE MICRO-ONDES AU SERVICE DE LA CHIMIE VERTE.

Les esters sont des composés organiques volatils souvent utilisés pour produire des

arômes et des fragrances synthétiques. La réaction de synthèse d’un ester appelée

estérification est une réaction lente. En revanche plus la température de la synthèse est

élevée, plus la synthèse s’effectue rapidement.

Parmi les techniques utilisées dans les laboratoires de synthèse, certains chercheurs

utilisent « l’énergie des micro-ondes produites par des fours domestiques comme mode de

chauffage d’un milieu réactionnel. En particulier, le chauffage par micro-ondes permet une

activation thermique de façon très rapide. Ceci permet de limiter lors du chauffage du milieu

réactionnel, les réactions parasites qui diminuent les rendements de réaction.

On désire comparer la technique du four à micro-ondes de synthèse et celle d’un

système de chauffage conventionnel. Pour cela on réalise la synthèse d’un ester par un

chauffage à reflux et par micro-ondes.

Préparation classique : le chauffage à reflux

‒ Introduire dans le ballon le mélange réactionnel et

adapter le réfrigérant ;

‒ Porter le mélange à l'ébullition douce à 120°C

pendant 45 min.

Le rendement est de 67 %.

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Durée : 2H.

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Autre voie de préparation : le micro-ondes

‒ Introduire dans un récipient adapté le même mélange

réactionnel que précédemment ;

‒ Placer le récipient sur le bord du plateau tournant de

sorte qu’il soit agité en permanence.

Sur la position de puissance 1000 W, la température du milieu

réactionnel atteint 180°C. Le temps d’irradiation, fractionné en

courtes périodes afin de limiter l’évaporation des réactifs et de l’ester est de 42 s.

Le rendement est de 67%.

Document 4 : Critère de la chimie verte

Parmi les 12 critères de base définissant la "chimie verte" (green chemistry), énoncés en 1998

par deux chimistes, Paul Anastas et John C. Warner, on trouve :

- produire moins de déchets plutôt qu'investir dans l'assainissement ou l'élimination des déchets ;

- lorsque c'est possible […] utiliser des substances inoffensives ;

- économiser l’énergie.

B.1. Calculer l’énergie consommée dans le cas de la préparation de l’ester avec le chauffage

à reflux sachant que la puissance électrique du chauffe-ballon est 250 W.

B.2. Calculer l’énergie consommée dans le cas de la préparation de l’ester avec le four à

micro-ondes sachant que la puissance électrique du four est 1000 W.

B.3. En quoi la technologie micro-onde répond-elle à certains critères de la chimie verte ?

EXERCICE 2 : ARIANE 5, CHRONOLOGIE D’UN LANCEMENT (11,5 points)

Compétences :

Connaître les manifestations des ondes mécaniques dans la matière

Comprendre l’émission et la détection d’une onde mécanique

Etudier le phénomène de propagation d’une onde

Connaître et exploiter la relation entre retard, distance et vitesse de propagation (célérité)

Pratiquer une démarche expérimentale visant à étudier qualitativement et quantitativement un phénomène de propagation d’une onde

Pratiquer une démarche expérimentale mettant en œuvre un capteur ou un dispositif de détection.

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Durée : 2H.

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À Cayenne, ma femme et moi avons eu la chance d’assister (sans les enfants !) au décollage

d’Ariane 5. Nous avons filmé ce lancement depuis le site d’observation Agami, situé à

6,5±0,1 km du pas de tir.

De retour à Montpellier, j’invite un ami ingénieur qui avait assisté à un autre lancement d’Ariane

5 depuis le site « rapproché » Toucan, et avait également filmé le tir.

Ébahis devant nos chefs-d’œuvre cinématographiques, je demande, un peu candide à mon

ami : « Au fait à quelle distance se trouve le site d’observation Toucan dit « rapproché »

du pas de tir des fusées ? ».

Il me répond : « appelle un élève… ».

Document 1 : Chronologie du décollage

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Durée : 2H.

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Document 2 : Capture d’écran de la vidéo réalisée du site Agami

H0 + 7,05 s : Aucun bruit H0 + Δt : on entend le « boom » de l’allumage des EAP

Temps vidéo 00 :15 s à 1 s près Temps vidéo 00 :34 s à 1 s près

Document 3 : Capture d’écran de la vidéo réalisée du site Toucan

H0 + 7,05 s : Aucun bruit H0 + Δt : on entend le « boom » de l’allumage des EAP

Temps vidéo 00 :22 s à 1 s près Temps vidéo 00 :36 s à 1 s près

Document 3 : Mesures et incertitudes

✓ U X représente l’incertitude d’une mesure X. L’incertitude d’une mesure X par lecture

sur une échelle, pour un niveau de confiance de 95% est estimée à :

2

12

graduationU X (« graduation » représente la plus petite graduation mesurable).

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Durée : 2H.

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✓ L’incertitude pour un cas d’incertitudes composées est donnée par la formule suivante :

Pour Y X Z ou X

YZ

alors

2 2

U X U ZU Y Y

X Z.

Le résultat est donc Y U Y ou Y U Y Y Y U Y .

Questions de cours :

1. Quelle est la nature des ondes sonores ? Justifier votre réponse en définissant clairement

les termes choisis à bon escient comme par exemple : onde, mécanique, progressive,

transversale, longitudinale, unidimensionnelle…

2. Pourquoi les ondes sonores n’apparaissent-elles pas sur le spectre des ondes

électromagnétiques ? Justifier.

3. Les ondes électromagnétiques se propagent-elles plus vite ou moins vite que les ondes

sonores ? Connaissez-vous une situation permettant de s’en rendre compte ?

Questions préalables :

4. Quelle hypothèse doit-on formuler à propos de la vitesse du son pour exploiter les

documents et répondre à la question posée : « Au fait à quelle distance se trouve le site

d’observation Toucan dit « rapproché » du pas de tir des fusées ? »

Votre problème scientifique :

5. En t’aidant UNIQUEMENT des documents mis à disposition, évaluer la distance entre le

site Toucan et la base de lancement d’Ariane 5.

Elaborer une stratégie rigoureuse et précise pour calculer cette distance et l’écrire sous

la forme d U d km.

Le candidat est invité à prendre des initiatives et à présenter la démarche suivie, même si elle

n’a pas abouti. La démarche est évaluée et nécessite d’être correctement présentée.

Vérification expérimentale : évaluer la vitesse du son au laboratoire avec des

écouteurs de MP3

6. A l'aide du logiciel d'enregistrement Audacity, deux élèves de Terminale S évaluent la

vitesse du son avec leur paire d'écouteurs branchée sur leur ordinateur portable.

Exploiter les résultats de l’expérience pour calculer la vitesse du son et l’écrire sous la forme

v U v m/s. Commenter votre résultat. Que peut-on dire de la valeur estimée

précédemment ?

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Durée : 2H.

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Expérience

CLAP !