Physique_BCG_S_spécialité

7/31/2019 Physique_BCG_S_spcialit

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12PYSSME1 Page : 1 / 10

BACCALAURAT GNRAL

SESSION 2012______

PHYSIQUE-CHIMIE

Srie S____

DURE DE LPREUVE : 3 h 30 COEFFICIENT : 8______

Lusage dune calculatrice EST autoris

Ce sujet ne ncessite pas de feuille de papier millimtr

Ce sujet comporte un exercice de PHYSIQUE ET CHIMIE, un exercice de PHYSIQUE et

un exercice de CHIMIE prsents sur 10 pages numrotes de 1 10, y compris celle-ci.

La page dannexe (page 10) EST RENDRE LA COPIE mme si elle na pas tcomplte.

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


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EXERCICE I - DU BANG DUN AVION AU CLAQUEMENT DUN COUP DE FOUET(6,5 points)

Lorsquun avion vole en vitesse subsonique (vitesse infrieure la clrit du son dans lair), il cre desondes dites de pression qui se propagent la clrit du son (figure 1). Lorsquil accrot sa vitesse et quilatteint la clrit du son, les ondes de pression saccumulent devant le nez de lavion (figure 2). Lorsquil

dpasse la clrit du son (on dit quil passe le mur du son), il se produit alors des ondes de compression etde dilatation qui provoquent ce fameux bang perceptible plusieurs dizaines de kilomtres la ronde.Pour une vitesse suprieure la clrit du son, les ondes se propagent derrire lavion dans un cneappel cne de Mach (figure 3).

avion

ondecne de

Mach

Figure 3

onde

avion

Figure 1

avion

Figure 2

vavion

< vson

= vson

> vson

vavion

vavion

vavion

vavion vavion

onde

Aussi incroyable que cela puisse paratre, cest le mme phnomne de passage du mur du son quiexplique le claquement produit par un coup de fouet.

Les deux premires parties de cet exercice traitent des ondes mcaniques, la troisime partie se rapporte la chimie et est indpendante.

1. tude des ondes sonores

Dans cette partie, les ondes sonores se propagent dans lair.

1.1. Quelques caractristiques des ondes sonores1.1.1. Pourquoi peut-on dire quil sagit dondes mcaniques ?1.1.2. Choisir la (ou les) bonne(s) caractristique(s) qui qualifie(nt) une onde sonore, en expliquant la

signification des caractristiques choisies :a) progressive b) tridimensionnelle c) transversale d) longitudinale

1.1.3. Choisir dans la liste le (ou les) milieu(x) dans lequel le son ne se propage pas :a) acier b) bton c) vide d) eau

1.2. Ondes sonores produites par un avion

Un avion vole la vitesse vavion = 800 km.h1

une altitude denviron 10 km. On veut savoir sil se dplace une vitesse suprieure la clrit du son sachant que cette dernire dpend de la temprature.

1.2.1. La clrit du son peut se calculer en premire approximation par la relation

son son( 0C 1 273v ) v

avec la temprature en degr Celsius et vson (0C) = 3,3102 m.s1.

Calculer la clrit des ondes sonores laltitude de 10 km en considrant que la temprature de lair vaut - 50C.

1.2.2. Comparer cette valeur avec la vitesse de lavion. Celui-ci a-t-il pass le mur du son ?


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2. Le claquement dun coup de fouet

Un artiste de cirque veut faire claquer son fouet ; pour ce faire, il gnre, dun mouvement de poignet, unbranlement qui se dplace la clrit vle long de la lanire en cuir du fouet.

2.1. Cette clrit vdpend de la tension Fde la lanire et de sa masse linique (masse par unit de

longueur) suivant la relationF

v .

Montrer, par une analyse dimensionnelle, lhomognit de cette relation.2.2. On simule laide dun logiciel la propagation de la perturbation le long de la lanire et on obtient laposition de lbranlement diffrentes dates spares dun intervalle de temps t = 3,5102 s (voirfigure 4).La lanire du fouet a une longueurL = 3,0 m.

t0 = 0

t1= t0 + t

= t0 + 2t

= t0 + 8t

= t0 + 7t

= t0 + 6t

= t0 + 5t

= t0 + 4t

= t0 + 3t

t2

t3

t4

t5

t6

t7

t8

Perturbation qui

va tre creBA

L Figure 4. Propagation de la perturbation le long de la lanire

2.2.1. Calculer la dure mise par londe pour parcourir toute la lanire.2.2.2. En dduire la valeur de la clrit vde londe.2.2.3. En ralit, la section de la lanire du fouet diminue au fur et mesure que lon sloigne de la

poigne ; la masse linique diminue donc. Si on suppose que la tension F est constante,comment volue la clrit de londe le long de la lanire, de la poigne son extrmit ?

2.3. On sintresse maintenant la vitesse de dplacement transversal de la mche qui correspond

lextrmit du fouet.On enregistre son mouvement avec une camra ultra-rapide. La frquence de prise de vue est de4000 images par seconde. Entre deux images successives, la mche, du fait de la propagation de lavibration, se dplace dune distance d= 11 cm (voirfigure 5).En dduire la vitesse vde dplacement de la mche. Dans ces conditions, le mur du son a-t-il t pass parla mche ?Donne : clrit du son dans lair 20C : vson = 340 m.s

1image t

a

image tb

d

Sens de propagation Figure 5. Positions de la mche du fouet deux instants ta et tb


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3. Entretien du fouet

Quil soit synthtique ou naturel, le matriau de la lanire doit tre entretenu. On utilise souvent un mlangede savon et de corps gras.

3.1. On peut fabriquer le savon partir dhuile dolive et dune solution commerciale de Destop que lonassimile une solution dhydroxyde de sodium (Na+(aq) + HO(aq)) dont la concentration vautc= 6,15 mol.L1. laide du montage reprsent la FIGURE A1 DE LANNEXE PAGE 10 rendre avec la copie, lemlange ractionnel en milieu alcoolique est port bullition pendant environ une heure.

3.1.1. Lgender la FIGURE A1 DE LANNEXE PAGE 10 en indiquant les noms demands deslments constitutifs du montage.

3.1.2. Quel est le nom de ce type de montage ?Quel est le rle de la partie dsigne par la flche 1 sur la FIGURE A1 DE LANNEXEPAGE 10 ?

3.1.3. La raction se produisant entre lhuile dolive et lhydroxyde de sodium scrit :

+ =

CH2

CH

CH2

OH

OH

OH +

CH2

CH

CH2 CO2

CO2 C17H33

C17

H33

CO2 C17H33

3 (C17

H33 CO2

-+ Na+)3 (Na+ + HO-)

a. Donner le nom de ce type de raction.b. Donner des caractristiques de cette raction.

3.2. On veut prparer une masse de savon ms = 100 g.

Donnes : masse molaire du savon : MS = 304,0 g.mol

1 ; masse molaire de lhuile dolive : Mh = 884,0 g.mol

1.

3.2.1. Calculer la quantit de matire ns de savon correspondante.

3.2.2. Calculer la quantit de matire minimale nh dhuile dolive ncessaire.

3.2.3. En dduire la masse mh dhuile dolive correspondante.

3.2.4. On souhaite que le Destop soit mis en excs dans le milieu ractionnel. Quel volume minimalde Destop VD faut-il utiliser ?


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EXERCICE II - QUAND LE JEU VIDO DEVIENT RALIT (5,5 points)

Les dernires consoles de jeu ont rvolutionnle monde du jeu vido en offrant lutilisateurune nouvelle faon de jouer. En effet, lesmouvements imprims la tlcommandeentranent une rponse du personnage sur

lcran : le geste devient commande. Ceci estrendu possible par lacclromtre intgrdans la manette qui convertit les acclrationsimprimes par le joueur en tensionslectriques.Lors dun mouvement du joueur, la partiemobile de lacclromtre se dplace sansfrottements par rapport au cadre (figure 6).Ces dplacements nanomtriques sontralisables dans les trois dimensions delespace (x,y,z) pour traduire le plus fidlementpossible le geste du joueur. Comment cedplacement est-il traduit en tension

lectrique mesurable ?

Figure 6. Schma de lacclromtreDaprs Micro Hebdo n 619 Jeudi 25 fvrier 2010

Lors de son utilisation, la manette est solidaire de la main du joueur. Elle comporte un acclromtreconstitu dun cadre fixe par rapport la main et dune partie mobile par rapport au cadre. Lacclromtre(figure 6) est constitu par lassemblage dlments de base. Lun deux est reprsent sur les figures 7 et8 ; il est modlis par deux parties en regard relies par un ressort.

Lors du mouvement du joueur, la partie mobile se dplace sans frottements par rapport au cadre. Onsintresse uniquement son dplacement suivant laxe Ox, sa position est repre par son abscisse x, ladistance entre le cadre et la partie mobile en regard vaut alors d (figure 8). Le ressort de rappel ramne lapartie mobile sa position dquilibre pour laquelle la distance entre la partie mobile et le cadre vaut d0.On considre que les deux parties en regard de lacclromtre constituent les armatures dun condensateurplan de capacit C.Cette capacit est inversement proportionnelle la distance dqui spare les deux armatures soit :

Cd

tant une constante positive.

La partie 3 est indpendante des parties 1 et 2.

Figure 7. lment de base delacclromtre au repos

Figure 8. lment de base de lacclromtresoumis une acclration


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1. Variation de la capacit du condensateur lors du mouvement du joueur

Donnes :

distance entre les armatures pour lacclromtre au repos : d0 = 1,50 m ; constante de raideur du ressort de rappel : k= 2,64 101 N.m1 ; masse de la partie mobile : m = 1,60 109 kg ; capacit de deux parties en regard dans un lment de base de lacclromtre au repos :

C0 = 1,30 1014

F.

Dans les conditions dutilisation de la manette, on peut montrer que le dplacement x, selon laxe Ox, delarmature mobile par rapport larmature lie au cadre est proportionnel lacclration ax subie par la

manette soitx

mx a

k .

1.1. laide dune analyse dimensionnelle, montrer que lexpression de axest homogne une acclration.

1.2. Le joueur imprime la manette de jeu, selon laxe Ox, une acclration a1x = - 4,00 m.s2. Larmature

mobile se dplace de x=x1 par rapport au cadre. La distance entre les armatures vaut alors d= d1 (figure8). On note C1 la nouvelle capacit du condensateur.

1.2.1. Calculer la valeur du dplacement x1 de larmature mobile par rapport au cadre.

1.2.2. La capacit du condensateur augmente-t-elle, diminue-t-elle ou reste-t-elle constante lorsquelacclromtre subit lacclration a1x? Justifier.

1.2.3. Montrer que lexpression de la capacit du condensateurC1 se met sous la forme :d

C Cd

01 0

1

.

1.2.4. Calculer la valeur de la capacit C1.1.2.5. La structure de lacclromtre permet de multiplier la capacit Cpar un facteur qui dpend du

nombre dlments de base de lacclromtre. Dans le cas o = 120, calculer la valeur detot1 1 0.( ) C C C .

2. Variation de la tension aux bornes de lacclromtre

2.1. On considre la manette au repos ; pour la mettre sous tension, on ferme linterrupteur K dans lemontage schmatis figure 9. Le condensateur de capacit tot0C se charge.

Donnes :

capacit totale du condensateur lorsque lacclromtre est au repos : tot0C = 1,56 1012 F ;

rsistance du conducteur ohmique : R= 100 k ; force lectromotrice du gnrateur : E= 3,00 V.

R

E

i

C0tot

q0

K

uC

Figure 9. Circuit de charge du condensateur

2.1.1. Calculer la valeur de la constante de temps de ce circuit.Le rgime permanent est-il atteint au bout de 0,1 s ? Justifier.

2.1.2. En rgime permanent, que vaut lintensit idu courant dans le circuit ? Justifier.2.1.3. Que vaut alors la tension uCaux bornes du condensateur quand celui-ci est charg ? Justifier.


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2.2. Un dispositif lectronique ouvre linterrupteur K quand le condensateur est charg (figure 10). Latension ses bornes est note U0.

R

E

i

U0

C0tot

q0

K

Figure 10. L'interrupteur K est ouvert

2.2.1. Lorsque lacclromtre est au repos, exprimer la charge q0 porte par larmature positive du

condensateur en fonction de tot0C et U0.

2.2.2. Lors du mouvement de la manette de jeu, lacclromtre est soumis lacclration a1x.

La capacit du condensateur vaut alors tot tot tot1 0 1 C C C et la tension ses bornes vaut U1.

a. Le circuit tant ouvert, la charge q0 du condensateur reste constante. En dduire que

lexpression de la tension U1 aux bornes du condensateur est :tot

0 01 tot tot

0 1

.

U CU

C C.

b. Calculer la valeur de U1 en prenanttot 141 2,40 10 FC

.

c. Un dispositif lectronique branch aux bornes de lacclromtre fonctionne correctement pourune variation de tension minimale gale 1 mV. Peut-il dtecter lacclration a1x? Justifier.

3. Liaison manette de jeu-console

Donne : clrit de la lumire dans lair : c = 3,00 108 m.s-1.

La manette envoie des informations la console de jeu laide du procd Bluetooth qui utilise des ondeslectromagntiques de frquence 2 450 MHz.3.1. Calculer la longueur donde dans lair des ondes lectromagntiques mises par la manette de jeu.3.2. laide de la figure 11 ci-dessous, indiquer quel domaine appartiennent les ondeslectromagntiques utilises par le procd Bluetooth.3.3. Entre le joueur et la console se trouve une pile de livres. On remarque que cet obstacle nempche pasla communication entre la manette et la console.Citer un phnomne physique qui permettrait dexpliquer que la manette du joueur peut communiquer avecla console malgr lobstacle que constitue la pile de livres.

Figure 11. Spectre des ondes lectromagntiques


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EXERCICE III - C'EST NICKEL ! (4 points)

Le nickel est un mtal gris argent qui possde une trs bonnersistance la corrosion. La majorit des utilisations du nickel dcoulede cette proprit. On peut ainsi fabriquer des alliages mtalliques ayant

une faible sensibilit la corrosion ou recouvrir d'une couche protectriced'autres mtaux ou alliages sensibles l'oxydation comme le fer ou lelaiton.

Applique finition nickel brillant

La premire partie de cet exercice traite de l'lectrolyse d'une solution pour recouvrir une pice mtalliqued'une couche de nickel. Dans la seconde partie, on contrle par dosage la concentration des ions nickel Ni 2+dans la solution lectrolytique.

Donnes : masse molaire du nickel : M(Ni) = 59 g.mol1;

charge lectrique lmentaire : e = 1,6 1019

C ; constante d'Avogadro : NA = 6,0 10

23 mol1.

1. lectrolyse d'une solution contenant des ions nickel Ni2+Pour raliser le nickelage lectrolytique d'un objet mtallique, la solution utiliser est choisie en fonction dursultat souhait (aspect plus ou moins brillant, ) mais elle contient toujours des ions nickel deconcentration habituellement de l'ordre de 1 mol.L

1; il est prfrable de maintenir cette concentration peu

prs constante.

1.1. GnralitsEn pratique, la pice nickeler, immerge dans le bain dlectrolyse, est relie au ple ngatif dungnrateur, alors que le ple positif est reli une lectrode constitue de nickel pur comme le montre le

schma de la figure 12 ci-dessous.G

lectrode en

nickel

pice nickeler

Figure 12. Schma de llectrolyse

1.1.1. Pourquoi la pice recouvrir est-elle relie au ple ngatif du gnrateur ?Justifier en crivant la raction qui a lieu sur cette pice.

1.1.2. Constitue-t-elle lanode ou la cathode ? Justifier.1.1.3. Pourquoi llectrode relie au ple positif du gnrateur est-elle en nickel ?

1.2. Dure de l'lectrolyse1.2.1. La masse de nickel dposer sur la pice est m = 1,0 g. Dterminer la quantit de matire de

nickel n(Ni) correspondante puis en dduire la quantit de matire d'lectrons n(e) qui doiventcirculer pour permettre ce dpt.

1.2.2. Dterminer la quantit d'lectricit Q ncessaire pour cette lectrolyse, cest--dire la chargelectrique qui doit circuler dans le circuit.

1.2.3. L'intensit du courant utilis est I= 6,0 A. Calculer la dure t ncessaire l'lectrolyse (ensupposant que son rendement est de 100%).


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2. Titrage des ions nickel dans la solution d'lectrolyse

Afin de contrler le bain dlectrolyse utilis et de maintenir la qualit du dpt protecteur de nickel, undosage des ions nickel peut tre ralis. Il permet dobtenir la concentration de la solution en ions nickel etde vrifier quelle se situe bien la valeur souhaite.

Prsentation du titrage

Les ions thylnediaminettractate (EDTA) ragissent avec de nombreux cations mtalliques pour former

des ions complexes dans lesquels le cation mtallique se retrouve "entour" par l'EDTA.Par souci de simplification, on note Y4 (aq) les ions EDTA.On travaille en prsence de solution tampon qui stabilise le pH une valeur adapte. Les quilibres acido-basiques de lEDTA ne seront pas pris en compte.On peut raliser un titrage direct ou indirect selon le cation dos et les indicateurs colors disponibles aulaboratoire.

Protocole du titrage des ions nickel dans le bain d'lectrolyse :

- premire tape :on dilue vingt fois un prlvement S1 de la solution d'lectrolyse de concentration [Ni

2+]1 pour obtenirune solution S2 de concentration [Ni

2+]2 ;- deuxime tape :

on prlve un volume V2 = 10,0 mL de solution S2 que l'on introduit dans un erlenmeyer avec unesolution d'EDTA telle que la quantit de matire dEDTA introduite soit n0(Y

4 ) = 8,6 10 4 mol ;l'quation de la raction de la transformation qui a alors lieu s'crit :Ni2+(aq) + Y4 (aq) = NiY2 (aq) quation de la raction (1)Cette transformation sera considre comme totale.

- troisime tape :on ajoute une petite quantit d'indicateur color NET et un volume suffisant de solution tamponadapte ;

- quatrime tape :on ralise alors le titrage de l'EDTA en excs dans l'erlenmeyer par une solution talon d'ions zinc deconcentration [Zn2+] = 6,45 102 mol.L1 ; la transformation ayant lieu est modlise par la raction

d'quation :Zn2+(aq) + Y4 (aq) = ZnY2 (aq) ; quation de la raction (2)Cette transformation sera galement considre comme totale.

Le volume de la solution talon ajouter pour atteindre l'quivalence est VE = 6,1 mL.

2.1. Le titrage est-il direct ou indirect ? Justifier.2.2. Parmi les ions Zn2+, Y4 et Ni2+,

- quels sont les ions prsents dans l'erlenmeyer avant l'quivalence ?- quels sont les ions prsents dans l'erlenmeyer aprs l'quivalence ?

2.3. partir des donnes ci-dessous, en dduire alors la couleur de la solution avant et aprs l'quivalence.

Donnes :

couleurs de lindicateur color NET dans les conditions du dosage de la partie 2 : en prsence d'ions zinc Zn2+ ou nickel Ni2+ libres (c'est--dire non-complexs) : rose ; en l'absence de ces ions : bleu.

2.4. Dterminer, laide de lquation de la raction 2, la quantit de matire nrest(Y4 ) d'ions Y4 restant

dans l'erlenmeyer l'issue de la deuxime tape du protocole.2.5. crire une relation entre n0(Y

4 ), nrest(Y4 ) et la quantit dions ayant ragi nragi(Y

4 ).2.6. A laide de lquation de la raction (1), en dduire la quantit de matire dions nickel n(Ni2+) ayantragi avec les ions Y4 .Calculer la concentration [Ni2+]2 de la solution dilue S2.2.7. Vrifier que la concentration [Ni2+]1 de la solution dlectrolyse vaut environ 9,4 10

1 mol.L1.En s'aidant des informations donnes la question 1, dduire que la solution S1 peut tre utilise pourraliser llectrolyse.


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ANNEXE RENDRE AVEC LA COPIE

ANNEXE DE LEXERCICE I

1

2

3

4

Figure A1. Schma du montage utilis pour la synthse du savon de la partie 3

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