Sciences PhysiquesTS DS1

NOM   :

PRENOM   :

Une copie par exercice Une grande partie des points est attribuée à la qualité de la rédaction. Vous pouvez traiter les exercices dans l’ordre qu’il vous convient Vous indiquerez sur vos copies le numéro de l’exercice et de la question que

vous traitez Les calculatrices alpha numériques non imprimantes sont autorisées. Si au cours du devoir vous détectez une erreur ou le manque d’une donnée

vous indiquerez l’erreur sur votre copie en expliquant votre raisonnement. Si cela est possible, corrigez cette erreur et répondez à la question corrigée.

Vous n’oublierez pas d’indiquer votre nom sur l’énoncé et de le rendre avec la copie, certaines réponses étant à donner sur celui-ci.

Au programme

I. Exercice 1: Propagation d’une onde (6 points)...........................................................................2

II. Exercice 2 : Comment déterminer le relief du fond marin avec un sondeur ? (5,5 points).........6

III. Exercice 3 : Dosage d’une solution l’acide chlorhydrique par de la soude (2,5 points)...............9

IV. Exercice 4 :Dissolution.(2 points)..............................................................................................10

Bon courage

DS 1 TS 2008-2009 Lycée Racan Page 1

I. Exercice 1: Propagation d’une onde   (6 points)

I.a. Etude sur une cuve à ondes

On laisse tomber une goutte d'eau sur une cuve à ondes. Le fond de la cuve à ondes présente un décrochement de telle sorte que l'onde créée par la chute de la goutte d'eau se propage d'abord à la surface de l'eau dont l'épaisseur au repos este1=3mm puis ensuite àla surface de l'eau dont l'épaisseur au repos est e2=1mm. On filme la surface de l'eau à l'aide d'une webcam. Le clip vidéo est effectué avec une fréquence de 24 images par seconde. Le document 1 (annexe 1) représente les positions du front de l'onde créée par la chute de la goutte d'eau, repérées sur les images n° 1, n° 7, n° 8 et n° 14 du clip.

I.a.1. Donner les définitions d'une onde transversale et d'une onde longitudinale. À quelle catégorie appartient l'onde créée par la goutte d'eau sur la cuve à ondes ?

I.a.2. Calculer la célérité c de cette onde pour les deux épaisseurs d'eau mentionnées dans le document 1 (annexe 1). L'échelle de ce document est ½ (1 cm représente 2 cm en réalité).

I.a.3. Comment varie, dans cet exemple, la célérité c de l'onde en fonction de l'épaisseur de l'eau ?

I.b. Il. Ondes périodiques.

On installe sur la cuve à ondes un vibreur qui permet d'obtenir des ondes planes. La fréquence du vibreur a été fixée à 24 Hz. Une source lumineuse éclaire la surface de l'eau. Cette lumière traverse l'eau et est captée ensuite par la webcam. Le document 2 d'échelle ½ (1cm représente 2 cm) (annexe 1) représente l'onde périodique obtenue à partir d'une image du clip vidéo.

I.b.1. Comment appelle-t-on la distance séparant deux franges brillantes (ou sombres) successives ? Quelle relation lie cette grandeur à la célérité c de l'onde et sa période temporelle T ?

I.b.2. À l'aide du document 2 (annexe 1), calculer la célérité c de l'onde périodique pour les deux épaisseurs d'eau de 3 et 1 mm. Quelle est l'influence de l'épaisseur de l'eau sur la célérité de l'onde périodique ?

I.b.3. On utilise maintenant une cuve à ondes sans décrochement. L'épaisseur de l'eau au repos est constante. Après avoir fait varier la fréquence du vibreur, on a réalisé des photographies et on a mesuré la longueur d'onde pour chacun des enregistrements.

DS 1 TS 2008-2009 Lycée Racan Page 2

Les résultats ont été consignés dans le tableau ci-dessous.

f (Hz) 12 24 48 96

(m) 0,018 0,0097 0,0059 0,0036

Calculer la célérité c de l'onde périodique pour chaque enregistrement. Comment évolue cette célérité en fonction de la fréquence de l'onde ? Comment appelle-t-on cette propriété ?

DS 1 TS 2008-2009 Lycée Racan Page 3

I.c. Un phénomène caractéristique des ondes.

I.c.1. Expérience sur les ondes lumineuses.

On place sur un faisceau laser une fente de dimensiona=0,08mm. On place après la fente un écran. La distance entre la fente et l'écran est D=3,00m, (voir figure 1 document 3 annexe 2).

La figure obtenue sur l'écran est représentée sur la figure 2 document 3 (annexe 2).

I.c.1.1. Comment se nomme le phénomène observé ?

I.c.1.2. L'écart angulaire entre le milieu de la tache centrale et la première extinction vérifie la relation :

θ= λa

Calculer la longueur d'onde de ce faisceau laser (on considérera que cet écart angulaire est faible et que donc tan si est exprimé en radians).

I.c.2. Étude sommaire de la houle.

La houle prend naissance sous l'effet du vent loin des côtes. Un vent de 65 km.h-1 engendre une houle dont les vagues font 1 mètre de hauteur. Ces vagues sont espacées de 230 mètres. Une vague remplace la précédente après une durée de 12 secondes.

I.c.2.1. Calculer la vitesse de déplacement des vagues à la surface de l'océan.

I.c.2.2. Cette houle arrive sur un port dont l'ouverture entre deux jetées a une largeur a=200m. Un bateau est stationné au fond du port comme indiqué sur le schéma du document 4. Ce bateau risque-t-il de ressentir les effets de la houle ? Justifier la réponse à l'aide d'un schéma reproduit sur la copie.

DS 1 TS 2008-2009 Lycée Racan Page 4

DS 1 TS 2008-2009 Lycée Racan Page 5

II. Exercice 2   : Comment déterminer le relief du fond marin avec un sondeur   ? (5,5 points)

Les deux parties de l’exercice sont indépendantes.

II.a. Détermination de la célérité des ondes ultrasonores dans l’eau.

La célérité des ultrasons dans l'air vair=340m.s−1est plus faible que la célérité des ultrasons dans l'eau de mer veau. Un émetteur produit simultanément des salves d'ondes ultrasonores dans un tube rempli d'eau de mer et dans l'air (voir figure 1). À une distance d de l'émetteur d'ondes ultrasonores, sont placés deux récepteurs, l'un dans l'air et l'autre dans l’eau de mer. Le récepteur A est relié à l'entrée A du système d'acquisition d'un ordinateur et le récepteur B à l'entrée B. L'acquisition commence lorsqu'un signal est reçu sur l'entrée B du système.

II.a.1. Pourquoi est-il nécessaire de déclencher l'acquisition lorsqu'un signal est reçu sur l'entrée B?

II.a.2. Donner l'expression du retard ∆t entre la réception des ultrasons par les deux récepteurs en fonction de tA et tB, durées que mettent les ultrasons pour parcourir respectivement la distance d dans l'air et dans l'eau. de mer.

II.a.3. On détermine ∆t pour différentes distances d entre l'émetteur et les récepteurs. On traite les données avec un tableur et on obtient le graphe ∆ t=f (d ) ci-dessous.

DS 1 TS 2008-2009 Lycée Racan Page 6

II.a.3.1. Donner l'expression de ∆t en fonction de d,vair ,veau .

II.a.3.2. Justifier l'allure de la courbe obtenue.

II.a.3.3. Déterminer graphiquement le coefficient directeur de la droite ∆ t= f (d ) En déduire la valeur de la célérité veau des ultrasons dans l'eau de mer en prenant vair=340m.s−1

II.b.Détermination du relief des fonds marins

Dans cette partie on prendra veau=1,50×103m .s−1

Un sondeur acoustique classique est composé d'une sonde comportant un émetteur et un récepteur d'onde ultrasonore de fréquence f=200 kHz et d'un boîtier de contrôle ayant un écran qui visualise le relief des fonds sous-marins.La sonde envoie des salves d'ultrasons verticalement en direction du fond à des intervalles de temps réguliers ; cette onde ultrasonore se déplace dans l'eau à une vitesse constanteveau. Quand elle rencontre un obstacle, une partie de l'onde est réfléchie et renvoyée vers la source. La détermination du retard entre l'émission et la réception du signal permet de calculer la profondeur p.Un bateau se déplace en ligne droite suivant un axe x'x en explorant le fond depuis le point Ax A=0m jusqu'au point B xB=50m (figure 2). Le sondeur émet des salves d'ultrasons à intervalles de temps égaux, on mesure à l'aide d'un oscilloscope la durée ∆t séparant l'émission de la salve de la réception de son écho.

II.b.1. L’oscillogramme ci-dessous montre l'écran de l'oscilloscope lorsque le bateau se trouve en A (x A=0m ). L’une des voies représente le signal émis, l'autre le signal reçu par le récepteur.Sur l'oscillogramme, on a décalé la voie 2 vers le bas pour distinguer nettement les deux signaux.

La figure 3 se trouvant sur l'annexe situé à la fin de l’exercice (à rendre avec la copie) représente ∆ t=f (x ) lorsque le bateau se déplace de A vers B.

DS 1 TS 2008-2009 Lycée Racan Page 7

II.b.1.1.Identifier les signaux observés sur chaque voie, en justifiant.

II.b.1.2.À partir de l'oscillogramme, déterminer la durée ∆ t entre l'émission de la salve et la réception de son écho.

II.b.1.3.En déduire la graduation de l'axe des ordonnées de la figure 3 se trouvant sur l'annexe représentant la durée ∆ t en fonction de la position x du bateau.

II.b.2. Déterminer la relation permettant de calculer la profondeur p en fonction de ∆ t et veau

II.b.3.Tracer sur la figure 4 se trouvant sur l'annexe, l'allure du fond marin exploré en précisant la profondeur p en mètres en fonction de la position x du bateau.

II.b.4. Le sondeur envoie des salves d'ultrasons à intervalles de temps réguliers T. Pour une bonne réception, le signal émis et son écho ne doivent pas se chevaucher. Le sondeur est utilisable jusqu'à une profondeur de 360 m.Déterminer la période minimale Tm des salves d'ultrasons permettant ce fonctionnement.

Annexe :

DS 1 TS 2008-2009 Lycée Racan Page 8

5 mL

20

40

60

80

5mL

III. Exercice 3   : Dosage d’une solution l’acide chlorhydrique par de la soude (2,5 points)

On réalise le titrage d’une prise d’essai de 5,0 mL d’une solution d’acide chlorhydrique, (H 3Oaq

+¿+Cl aq−¿¿ ¿), par une solution de soude, Naaq

+¿+OH aq−¿¿ ¿, de concentration en soluté apporté

C=1,0 .10−2mol/L.

L’équation du titrage est :

OH aq−¿+H 3Oaq

+¿→2H 2Ol ¿ ¿

Le volume équivalent obtenu est V équiv=15mL

III.a. Quelques définitions.

III.a.1. Dans une solution d’acide chlorhydrique quelle est l’espèce chimique responsable de l’acidité ? ( nom + formule)

III.a.2. Dans une solution de soude quelle est l’espèce chimique responsable de la basicité ? (nom+formule)

III.a.3. Définir l’équivalence d’un titrage ?

III.b. Le matériel

III.b.1. Nommer les instruments représentés ci-dessous dans la dernière ligne du tableau

III.b.2. Entourer en rouge l’instrument le mieux adapté pour prélever la prise d’essai.

III.c. En utilisant un tableau d’avancement, calculer la concentration de la solution d’acide chlorhydrique.

DS 1 TS 2008-2009 Lycée Racan Page 9

IV. Exercice 4   :Dissolution.(2 points)

On souhaite obtenir un volume V de 300 cm3 d’une solution de concentration en ions thiosulfate à partir d’un sel le thiosulfate de sodium

¿

IV.a. Ecrire l’équation de dissolution du thiosulfate de sodium.

IV.b. Calculer la quantité de matière en ions thiosulfate nS2O32−¿ (aq )¿dans les 300 cm3 de la

solution à préparéIV.c. En déduire la quantité de matière nNa2S 2O 3❑ ( s) de sel de thiosulfate de sodium à

utiliser.

IV.d. Calculer la masse de sel de thiosulfate introduite pour faire la solution.

Données   :

Formule du thiosulfate de sodium :Na2S2O3❑ ( s)

Formule de l’ion thiosulfate :S2O32−¿ (aq )¿

Masse molaire du thiosulfate de sodium : 158,2g/mol

DS 1 TS 2008-2009 Lycée Racan Page 10