LYCEE JEAN-PIERRE VERNANT | S EVRES BACCALAUREAT BLANC

Spec

ifiqu

e

LYCEE JEAN-PIERRE VERNANT — SEVRES

BACCALAUREAT BLANC

FEVRIER 2017

PHYSIQUE-CHIMIE

Serie S

DUREE DE L’EPREUVE : 3 h 30 – COEFFICIENT : 6

L’usage d’une calculatrice est autorisee.

Ce sujet ne necessite pas de feuille de papier millimetre.

Ce sujet comporte 3 exercices presentes sur 11 pages numerotees de 1 a 11, y compris celle-ci.

Vous rendrez une copie par exercice et vous indiquerez votre classe en en-tete de chaquecopie.

Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont independants les uns des autres.

L’annexe situee en page 11 est a rendre agrafee a la copie.

Lycee Jean-Pierre Vernant Terminale S Physique-Chimie

EXERCICE I - DES ONDES AU FOND DE L’EAU (10 POINTS)

PARTIE A - Le chant des baleines

Jeux, ruts, combats ou fuites, les baleines communiquent par leurs � chants �. Les ondes sonores qu’elles produisentpeuvent, pour les grandes especes, etre percues a plusieurs centaines de kilometres et presentent des frequences variantde 20 Hz a 10 kHz. On se propose d’etudier l’un de ces sons.

'

&

$

%

Un extrait de l’enregistrement (effectue sur un seul canal) du chant d’une baleine est fourni ci-dessous. Il aete effectue pendant 30 s avec une frequence d’echantillonnage fe = 44,1 kHz. Le codage a ete fait sur 16 bits.L’enregistrement a ete stocke sur un disque dur.

�� Document no 1 - Enregistrement du chant d’une baleine

1. Etude de l’enregistrement du chant d’une baleine

1.1. Le son est une onde mecanique longitudinale. Definir tous les termes de cette expression.

1.2. Le son produit par la baleine est-il un son pur ou complexe ? Justifier.

1.3. Determiner la valeur de la frequence du son precedent produit par la baleine. Justifier toutes les etapes du raison-nement.

1.4. A la profondeur a laquelle la baleine produit ce son, la longueur d’onde du son produit est de l’ordre de 37 cm.En deduire une estimation de la valeur de la vitesse du son a cette profondeur.

1.5. Calculer la taille du fichier du son produit par la baleine (fourni au document no 1).

1.6. Quels parametres pourrait-on modifier afin que ce fichier prenne moins de place sur le disque dur sur lequel il aete stocke ?

Baccalaureat blanc 2 Fevrier 2017


Pour communiquer entre elles, deux baleines doivent non seulement se trouver a une certaine profondeur dans uncouloir d’une hauteur de quelques centaines de metres, mais aussi a une certaine distance l’une de l’autre.

'

&

$

%

Le SOFAR est un couloir se situant a une profondeur particuliere, tel que l’onde sonore s’y propage a une vitesseV plus faible que celle (Vson) dans la couche superieure ou inferieure. Ainsi, l’onde sonore qui se dirige vers lehaut est ramenee vers le bas et celle qui se dirige vers le bas est ramenee vers le haut, si bien que l’onde setrouve contrainte de se propager dans ce couloir. Ce couloir SOFAR agit donc comme un guide d’ondes sonorescomme illustre ci dessous.

Le graphique ci-dessous fournit la cartographie de la vitesse du son en fonction de la profondeur dans l’ocean :

�� Document no 2 - LE SOFAR (SOund Fixing And Ranging), un guide d’ondes sonores

'

&

$

%

Les cetaces produisent des emissions sonores dans une tres large bande de frequence. Les sons produits peuventetre de type bref (clics, tics, bourdons,...) ou continu (sifflements, chants, mugissements).

Quelques emissions sonores de cetaces :

Exemple de cetace(son produit)

Frequence moyenned’emission

Niveau d’intensite sonoremoyen a l’emission

Seuil d’audibilite∗

Baleine (chant) 4000 Hz 170 dB 50 dB

Grand dauphin (clics) 120 Hz 222 dB 40 dB

∗ Le seuil d’audibilite correspond au niveau d’intensite sonore minimal perceptible par l’animal.

�� Document no 3 - � La voix et l’oreille � des mammiferes marins



'

&

$

%

�� Document no 4 - Absorption acoustique de l’eau de mer

2. Etude du mode de communication entre baleines

A partir des documents et de vos connaissances, evaluer :

2.1. la distance maximale entre deux baleines pour qu’elles puissent communiquer.

2.2. a quelle profondeur se situe un couloir de communication.

Pour chaque question, l’argumentation et les calculs doivent apparaıtre de maniere detaillee.

PARTIE B - Le sondeur sous-marin

'

&

$

%

Les sondeurs sont des appareils de detection sous-marine utilises au quotidien par les plaisanciers et lespecheurs. Ils permettent par exemple de localiser unpoisson en representant sur un ecran sa profondeursous l’eau.

L’appareil est relie a une sonde supposee placee a lasurface de l’eau qui envoie des impulsions ultrasonoresdans l’eau en forme de cone avec une intensite maxi-male a la verticale de la sonde. Le signal reflechi par lepoisson appele echo est capte par la sonde puis analysepar l’appareil en mesurant par exemple la duree entrel’emission et la reception ainsi que l’intensite de l’echo.

Le sondeur etudie dans cet exercice est embarque dansun bateau immobile par rapport au fond marin.La frequence f de l’onde ultrasonore du sondeur estegale a 83 kHz. La vitesse de propagation de l’onde ul-trasonore dans l’eau est 1 490 m · s−1 a la temperatureθ = 10 ◦C.

�� Document no 5 - Principe du sondeur sous-marin



'

&

$

%

Lors de la reflexion sur un obstacle en mouvement, la frequence f’ de l’onde reflechie est differente de celle del’onde incidente de frequence f.

La valeur absolue de la variation de frequence |∆f | est donnee par la relation :

|∆f | =2× V × cos(α)

vonde× f

avec :- V, la vitesse de deplacement de l’obstacle par rapport a la source ;- vonde, la vitesse de propagation de l’onde ;- α, angle entre la direction de deplacement de l’obstacle et celle de propagation de l’onde entre l’obstacle et lesondeur.

�� Document no 6 - Effet Doppler lors de la reflexion sur une cible mobile

1. Justifier le facteur � 2 � apparaissant dans la relation donnant la variation de frequence au document no 6.

2. Etude de la vitesse de deplacement d’un poisson :

2.1. Calculer la vitesse V du poisson pour un angle α = 60◦ et une frequence f’= 83 055 Hz de l’onde reflechie parle poisson et captee par le sondeur.

2.2 Dans ce cas, le poisson se situe-t-il entre les positions 1 et 2 ou entre les positions 2 et 3 ? Justifier.

2.3 Pourquoi ne peut-on pas calculer la vitesse du poisson en position 2 ?

3. Calculer la frequence f’ de l’onde reflechie lorsque le poisson se situe en position 3 sachant que α = 45◦ et que lepoisson se deplace a une vitesse V = 8× 10−1 m · s−1.



EXERCICE II - MURISSEMENT DES POMMES (5 POINTS)

Lorsque des pommes murissent, leurs membranes cellulaires s’oxydent, engendrant ladegradation des acides gras a longues chaınes qu’elles contiennent. Il en resulte la formation dedeux molecules A et B representees ci-dessous. Ces deux especes chimiques, dont les concen-trations augmentent lors du murissement des pommes, ont la propriete de masquer la saveurcaracteristique du fruit non mur.

Molecule A Molecule B

'

&

$

%

�� Document no 1 - Spectre de RMN de la molecule A ou B

1. Caracteristiques des composes A et B

1.1. Sur l’annexe (a rendre avec la copie), entourer puis donner le nom du groupe caracteristique present dans lamolecule A.

1.2. Les composes A et B renferment-ils un atome de carbone asymetrique ? Si oui, pour chaque compose, representerle couple d’enantiomeres en formule semi-developpee a l’aide de la representation de Cram. Localiser distinctement lecentre asymetrique.

1.3. On a isole l’une des molecules A ou B puis realise son spectre de RMN (document no 1). En ne raisonnant que surles trois signaux X, Y et Z identifies sur le spectre de RMN du document no 1, indiquer a quelle molecule (A ou B)correspond ce spectre. Justifier.



'

&

$

%

Equation de la reaction :

acide ethanoıque 3-methylbutan-1-ol molecule A eau

Pour realiser la synthese, on chauffe a reflux pendant environ 30 minutes un melange constitue de 20,0 mLde 3-methylbutan-1-ol, de 30,0 mL d’acide ethanoıque pur, d’environ 1 mL d’acide sulfurique concentre et dequelques grains de pierre ponce.

�� Document no 2 - Protocole de synthese de la molecule A

'

&

$

%

Par souci de simplification on notera R-OH le 3-methylbutan-1-ol dont la formule semi-developpee est la suivante :

MECANISME :

�� Document no 3 - Mecanisme de la reaction mis en jeu lors de la synthese de la molecule A

2. Etude du mecanisme de la synthese de la molecule A

2.1. Sur l’annexe (a rendre avec la copie), completer les etapes 1 et 2 du mecanisme en faisant apparaıtre lesdoublets non liants ainsi que les fleches courbes modelisant les transferts d’electrons.

2.2. Indiquer a quelle categorie de reaction appartiennent les etapes 2 et 4 du mecanisme.

2.3. L’acide sulfurique est responsable de la presence des ions H+ dans le milieu reactionnel. Justifier son role a l’aidede l’ensemble du mecanisme.



'

&

$

%

�� Document no 4 - Evolution temporelle de l’avancement x lors de la synthese de A

'

&

$

%

Composes Molecule A 3-methylbutan-1-ol Acide ethanoıque

Masse volumique (g ·mL−1) 0,87 0,81 1,05

Masse molaire (g ·mol−1) 130,0 88,0 60,0

�� Donnees

3. Synthese de la molecule A

3.1. Justifier d’un point de vue microscopique l’interet de chauffer pendant la synthese.

3.2. Donner la definition du temps de demi-reaction.

3.3. Sur l’annexe (a rendre avec la copie), determiner graphiquement le temps de demi-reaction dans le cas (a)presente au document no 4 (faire apparaıtre traces et legendes necessaires sur le graphique en annexe).

3.4. Sur l’annexe (a rendre avec la copie), associer a chaque courbe (a, b, c) du document no 4, l’une des legendes(1, 2, 3). Justifier la reponse.

3.5. A l’aide des documents et des donnees, determiner le rendement de la synthese de la molecule A.

Le candidat est invite a prendre des initiatives et a presenter la demarche suivie, meme si elle n’a pas abouti. Lademarche est evaluee et necessite d’etre correctement presentee.



EXERCICE III - L’AROME DE VANILLE (5 POINTS)

'

&

$

%

Des eleves effectuant un travail sur la vanilline de synthese ont trouve un protocole utilisepar une association de consommateurs pour determiner la quantite de vanilline contenuedans un flacon d’un produit du commerce appele � vanille liquide �.Cette association a trouve 0,232 ± 0,020 g de vanilline dans un flacon de 200 mL pour unniveau de confiance egal a 95 %.

Ils decident de verifier cette mesure et vous presentent le principe, le protocole ainsi queles resultats qu’ils ont obtenus.

Flacon de 200 mL

�� Probleme

'

&

$

%

F Vanilline C8H8O3 :- Solubilite : soluble dans la plupart des solvants organiques, tres peu soluble dans l’eau ;- Masse molaire moleculaire : Mvanilline = 152,0 g ·mol−1 ;

F Densites : d(dichloromethane) = 1,33 d(eau) = 1F Spectre d’absorption de l’ion phenolate :

�� Donnees

'

&

$

%

Etape no 1 : Extraction de la vanilline dans une ampoule a decanter

ä A 1 mL d’echantillon de � vanille liquide �, on ajoute de l’eau distillee.ä On ajoute ensuite du dichloromethane (solvant organique). On agite et deux phases apparaissent.

Etape no 2 : Obtention de l’ion phenolate

ä On ajoute une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO−(aq)) a la phase organique obtenue

precedemment. Cet ajout permet de transformer toute la vanilline en ion phenolate qui passe alors en solutionaqueuse. L’equation de la reaction (supposee totale) est la suivante :

Vanilline Ion hydroxyde Ion phenolate Eau

ä Apres agitation, on recupere la phase aqueuse renfermant l’ion phenolate.

�� Document no 1 - Extraction de la vanilline et obtention de l’ion phenolate en solution aqueuse



1. A l’issue de l’etape no 1, indiquer en justifiant la phase dans laquelle se trouve la vanilline apres agitation.

'

&

$

%

ä On introduit la phase aqueuse (recuperee a la fin de l’etape 2) dans une fiole jaugee de 250 mL et on completejusqu’au trait de jauge avec de l’eau distillee.La mesure de l’absorbance de la solution a doser donne : A = 0,88.

ä On prepare une gamme de solutions aqueuses d’ion phenolate et on mesure leur absorbance. Les resultatssont fournis dans le tableau suivant :

Solution S1 S2 S3 S4 S5

Concentration en ionphenolate (mol.L−1)

5× 10−5 4× 10−5 3× 10−5 2× 10−5 1× 10−5

Absorbance 1,36 1,09 0,83 0,55 0,29

�� Document no 2 - Protocole du dosage des ions phenolate par spectrophotometrie UV-visible

2. A quelle longueur d’onde a ete regle le spectrophotometre lors du dosage ? Justifier.

3. A partir des resultats obtenus par les eleves, determiner la masse de vanilline contenue dans un flacon de 200 mLde � vanille liquide � . Ce resultat est-il en accord avec le resultat obtenu par l’association de consommateurs ? Justifier.

Le candidat est invite a prendre des initiatives et a presenter la demarche suivie, meme si elle n’a pas abouti. Lademarche est evaluee et necessite d’etre correctement presentee.



NOM Prenom .......................................................................................................................... Classe ............................

ANNEXE - EXERCICE II - MURISSEMENT DES POMMES

'

&

$

%Molecule A

�� Question 1.1.

'

&

$

%


'

&

$

%


'

&

$

%

Justification :

...........................................................................................................................................................................

...........................................................................................................................................................................

...........................................................................................................................................................................

...........................................................................................................................................................................

...........................................................................................................................................................................

...........................................................................................................................................................................

...........................................................................................................................................................................



Documents

LYCEE JEAN-PIERRE VERNANT | S EVRES BACCALAUREAT BLANC