Sujet - Eric Mondot.

Professeur : Mmes Lefevre, Lefort, Majorel Mrs Amrane, Barrandon , Mondot
Durée : 3H30.
Le 03/05/2016
DEVOIR SURVEILLE DE SCIENCES PHYSIQUES
TLE S
L’UTILISATION DES CALCULATRICES EST AUTORISÉE
LE CANDIDAT DOIT TRAITER TROIS EXERCICES, QUI SONT INDÉPENDANTS
LES UNS DES AUTRES
ATTENTION : C’EST LA DERNIÈRE ÉVALUATION DE L’ANNÉE ; LA
PROCHAINE, C’EST LE BAC !!!
LA SOLUTION DES EXERCICES SERA RÉDIGÉE EN FAISANT ATTENTION
À L’ORTHOGRAPHE ET À L’EXPRESSION ÉCRITE.
EXERCICE 1 : A LA FOIRE… (7 points)
Compétences :
Définir, reconnaître et caractériser des mouvements dans un référentiel d’étude
Connaître et exploiter le principe d’inertie
Etablir et exploiter l’expression du travail de la force de pesanteur ou d’une force de frottement
Analyser des transferts énergétiques au cours des mouvements
Faire l’étude énergétique d’un oscillateur
Mettre en évidence l’amortissement et la dissipation d’énergie
Document 1 : Looping dans un parc d'attraction.
En 2015, un parc d'attraction s'est doté d'un nouveau grand huit à fortes sensations. On peut lire sur le
descriptif :
« Top départ, c'est parti.... de 0 à 100 km/h en 2,5 secondes chrono !
Ce démarrage se fait à partir du point A (voir schéma document 2). Après la descente AB, le visiteur
enchaîne un looping d’une hauteur de 40 m (point D), un instant de pure adrénaline ! Sensation nouvelle
pour le visiteur ...qui se retrouve avec la tête à l'envers. »
Données : 1 tonne vaut 1000 kg – M préfixe Mega correspondant à 106 .
Document 2 : Photo du looping et schéma du looping modélisé
D
BD = 40 m
x
1. Calculer la valeur numérique de l'accélération du wagon pendant la phase de la descente AB. Comparer
à g = 9,8 m s-2.
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Le looping simplifié est constitué d'une gouttière de lancement dont le point le plus haut A est situé à
une hauteur h au-dessus du sol et permet de guider un chariot vers un rail circulaire de rayon R. Le point
culminant du looping est le point D.
Le chariot et ses occupants ont une masse m = 10 tonnes. Pour simplifier l’étude mécanique, le
système S {chariot – occupants} est assimilé à un point matériel C.
L'étude du mouvement est réalisée dans le référentiel terrestre R0 supposé galiléen.
Dans un premier temps, le modèle adopté suppose l’absence de toutes formes de frottements (les
frottements de l'air sur le chariot et les passagers et de la gouttière sur le chariot sont négligés). Le chariot
est immobile en A.
Aucun calcul numérique n’est attendu concernant les questions 2 à 11 !
2. Quelles formes d’énergies le système S possède-t-il sur le trajet AD ?
3. Donner l’expression du travail du poids du système S sur le trajet AB en précisant les unités des
différentes grandeurs. Pourquoi dit-on que le poids est une force conservative ?
4. Pour chacune des phases AB et BD du mouvement, préciser si le travail du poids du système S est
moteur ou résistant en justifiant la réponse.
5. Comment évolue chacune des formes d’énergies au cours des différentes phases du mouvement lors
des trajets AB et BD ?
6. En quel point de la trajectoire la vitesse de S est-elle maximale ? Justifier.
7. Exprimer l’énergie mécanique du système au point A. On prendra l’origine des énergies potentielles au
point B tel que z = 0.
8. L’énergie mécanique du système au point B a-t-elle même valeur qu’au point A ? Justifier.
9. En déduire l’expression de la vitesse lorsque le système arrive en B en fonction de h et g.
10. Dans le cas où il y a des frottements, comment évolue l’énergie mécanique ?
Désormais l’hypothèse d'absence de frottement de l'air est abandonnée. Une simulation numérique permet
d'obtenir les courbes suivantes : évolution au cours du temps de l'énergie cinétique Ec, de l'énergie
potentielle Ep, de l'énergie totale EM. L'origine de l'énergie potentielle est prise au point le plus bas du
looping. A l'instant t=0, on abandonne le chariot au point A sans vitesse initiale.
11. Associer à chaque courbe la grandeur associée en justifiant chaque réponse.
Document 3 : Courbes obtenues par simulation numérique
12. En vous appuyant sur le document 3, quel est le trajet effectué par le système au bout de 30 s ? Que
peut-on dire de l’énergie mécanique pendant ce temps ?
13. Evaluer le travail des forces de frottements. Pourquoi dans ce cas les forces de frottements sont non
conservatives ? Sous quelle forme cette énergie perdue est-elle dissipée ?
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EXERCICE 2 : Elaboration du vin de Champagne, les fermentations …(8 points)
Compétences :
Utiliser la représentation topologique
Suivre l’évolution dans le temps d’une réaction chimique
Connaître quelques paramètres influençant l’évolution temporelle d’une réaction chimique
Repérer l’équivalence d’un titrage conductimétrique
Le vin de Champagne est élaboré selon la méthode champenoise, parfois appelée méthode
traditionnelle, qui consiste principalement à opérer une double fermentation du moût, la première en cuves,
la seconde dans la bouteille même, en cave. La croyance populaire veut que cette méthode soit l'invention
de dom Pérignon, moine de l'abbaye d'Hautvillers, près d'Épernay, dans le dernier quart du XVIIe siècle.
Aujourd'hui, les historiens s'accordent plutôt pour dire qu'il est seulement à l'origine de la technique de
l'assemblage.
Une fermentation malo-lactique peut également être réalisée.
Cave de Champagne : à Reims, les anciennes crayères sont
réutilisées comme cave pour l’élaboration et le stockage du vin
de Champagne
Document 1 : La fermentation par des levures
La première fermentation ou fermentation
alcoolique permet la transformation du sucre
contenu dans le jus de raisin (principalement le
glucose C6H12O6) en éthanol C2H6O et en dioxyde
de carbone CO2 exclusivement, elle s’accompagne
d'une élévation de température.
Cette réaction a lieu au sein de levures (les
levures sont des champignons microscopiques) qui
contiennent des enzymes capables de catalyser la
transformation. Le dioxyde de carbone formé
s’échappe sous forme de gaz. A l’issue de cette
transformation, on obtient le vin dit « de base ».
Modèle moléculaire éclaté du glucose
Les levures produisent également :

Des composés secondaires : de l’acide malique, des alcools supérieurs, du glycérols
(glycérine), de l’acide succinique, de l’acide acétique (c'est le composant principal de l'acidité volatile) et
des substances aromatiques .
 Les arômes issus du raisin ou arômes variétaux sont dits primaires ; ils sont dits secondaires
lorsqu'issus de la fermentation ; ceux qui se développent au cours de l'élevage du vin ou de
l'évolution en bouteille, sont dits tertiaires.
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Document 2 : La fermentation malolactique ou FML dans les vins
Sur le site de l’IFV, Institut Français de la Vigne et du Vin, on trouve la présentation d’une
fermentation particulière au cours de l’élaboration d’un vin : la fermentation malolactique. Voici un extrait
de cette présentation :
« La fermentation malolactique, ou FML, influence la qualité organoleptique des vins,
particulièrement celle des vins rouges. Les modifications qualitatives dépassent largement la simple
modification de l’acidité. »
Qu'est-ce que la fermentation malolactique ?
La fermentation malo-lactique permet de réduire l’acidité d’un vin. Elle met en jeu la transformation
de l’acide malique en acide lactique par le biais de bactéries, du dioxyde de carbone étant par ailleurs
libéré par cette réaction. Certaines maisons de champagne décident de réaliser
cette transformation, d’autres préfèrent ne pas la mettre en œuvre : c’est une
affaire de goût.
La transformation de l'acide malique se réalise selon l'équation suivante :
COOH-CHOH-CH2-COOH  CH3-CHOH-COOH + CO2
La fermentation malolactique ou FML est généralement assurée par une
espèce de bactérie lactique : Oenococcusoeni, anciennement appelée Leuconostocoenos.
Pourquoi réaliser la fermentation malolactique ?
La fermentation malolactique s'impose pour l'ensemble des vins rouges puisqu'elle confère
souplesse, rondeur et stabilité microbiologique. Concernant les vins blancs, la fermentation malolactique
est recherchée en zone septentrionale et est plus rare en zone plus chaudes. Alors que certains cépages
comme le Chardonnay sont mis en valeur, d'autres comme le Sauvignon Blanc riches en arômes variétaux
sont complètement transformés.
Document 3 : Quelques acides présents dans le champagne
Document 4 : La chromatographie et la liaison hydrogène
On peut suivre la fermentation grâce à une chromatographie sur papier Whatman, constitué de
cellulose. L'éluant est un mélange butanol / acide éthanoïque. La cellulose contient des groupes -OH et
des ponts C-O-C capables de mettre en jeu des interactions hydrogène. Plus un composé va pouvoir
établir des interactions hydrogène avec la cellulose, moins il va migrer.
La liaison hydrogène ou pont hydrogène est une force intermoléculaire impliquant un atome
d'hydrogène et un atome électronégatif comme l'oxygène.
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Structure de la cellulose
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Liaison hydrogène entre des molécules d'eau
Document 5 : Suivi de la fermentation malolactique ou FML dans les vins par chromatographie
La chromatographie de partage sur papier permet de différencier les acides organiques du vin :
l'acide malique, tartrique et lactique. Cette technique, même si elle ne remplace pas le dosage
enzymatique de l'acide malique permet de savoir si la Fermentation Malolactique est commencée, en
cours ou presque achevée.
Chromatogramme de 4 échantillons de champagne subissant une fermentation malo-lactique
Remarque : le fond du chromatogramme est bleu et les taches sont jaunâtres.
Document 6 : Dosage de l’acide malique de l’échantillon 2 du document 5
Un dosage enzymatique de l’acide malique restant dans le vin permet d’obtenir la concentration
massique en acide malique Cmalique(t) en fonction du temps.
Cela permet de déduire la quantité de matière x(t) produite en acide lactique en fonction du
temps :
t en jours
Cmalique(t) en g.L-1
x(t) en mol
0
3,5
0
4
2,3
0,0090
8
1,6
0,014
12
0,80
0,020
16
0,50
0,022
20
0,27
0,024
D’après ces mesures on obtient le graphe représentant x en fonction du temps suivant :
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28
0
0,026
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Les parties A, B et C sont indépendantes
A. La première fermentation
1. Donner la formule topologique du glucose. Entourer et nommer les groupes caractéristiques de la
molécule.
2. Expliquer clairement le rôle joué par les levures.
3. Lors de cette première fermentation, la quantité importante de CO2 formé est source de danger pour les
viticulteurs travaillant dans les caves. Que préconiser pour éviter tout accident ?
B. La fermentation malo-lactique
L’objectif de cette sous-partie est d’analyser des échantillons en cours de fermentation malo-lactique
afin de déterminer si cette fermentation est terminée ou non.
1. En s’appuyant sur l’écriture de l’équation de la réaction modélisant cette fermentation, expliquer
pourquoi la fermentation malo-lactique permet de diminuer l’acidité du champagne.
2. Légender le schéma en annexe du principe de la chromatographie sur couche mince (CCM) de
réalisation d’une analyse chromatographique. Que faire si les taches sont incolores ?
3. Indiquer les groupes caractéristiques des acides malique, lactique et tartrique susceptibles d’établir des
interactions hydrogène avec la cellulose.
Le révélateur utilisé est un indicateur coloré : le bleu de bromophénol. Il est pulvérisé sous sa forme «
basique » bleue. Le diagramme de prédominance du bleu de bromophénol est donné ci-dessous.
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4. Le pH du champagne étant légèrement inférieur à 3, déterminer la forme prédominante des acides
lactique, malique et tartrique dans le dépôt.
5. Justifier le choix du bleu de bromophénol comme révélateur.
6. Classer par ordre croissant, les acides contenus dans le champagne qui réalisent le plus de liaisons
hydrogènes avec la cellulose. Donner une explication. Identifier pour chaque champagne les taches du
chromatogramme.
7. Indiquer les échantillons pour lesquels la fermentation malo-lactique est terminée.
8. Une histoire de temps
a. Au bout de combien de temps peut-on considérer que la fermentation malolactique est terminée ?
b. Définir et déterminer le temps de demi-réaction. Quel en est son intérêt ?
c. Comment pourrait-on accélérer la fermentation malolactique .
C. Détermination de l’acidité totale d’un champagne
Document 1 : Acidité totale d’un vin.
L’acidité du vin se mesure en g/L équivalent d’acide tartrique : c’est la masse d’acide tartrique
contenue dans un échantillon de vin dont on a extrait le gaz carbonique.
Document 2 : L‘acide tartrique
L‘acide tartrique est le nom usuel de l'acide 2,3dihydroxybutanedioïque, qui a pour formule brute C4H6O6. L'acide
tartrique est présent dans de nombreuses plantes. Il fut isolé pour
la première fois en 1769, par le chimiste suédois Carl Wilhelm
Scheele, qui fit bouillir du tartre avec de la craie et décomposa le
produit en présence d'acide sulfurique. Il peut être synthétisé.
C'est le principal acide du vin (provenant du raisin).
Formule topologique de
l’acide tartrique
Propriétés :
Couples de l’acide tartrique, noté H2A :
pKa(H2A/HA–) = 3,0 ; pKa (HA–/A2–) = 4,4
Masse molaire de l’acide tartrique, noté H2A : M(H2A) = 150 g.mol–1.
Document 3 : la loi de Kohlrausch

La conductivité électrique  est la capacité d’une solution ionique à conduire l’électricité. La
conductivité d’une solution dépend de la nature et de la concentration des ions présents, selon la loi de
Kohlrausch :

 est la conductivité de la solution, en S.m1

   X 
i
i
ions

où

 X i  est la concentration en ions X i , en mol.m3


2
1
i est la conductivité molaire ionique de l ' ion X i , en S.m .mol
Conductivité molaire ionique d’un ion, noté i, caractérise la contribution de cet ion à la conductivité
de la solution. Une solution contenant cet ion est d'autant plus conductrice que la concentration de cet
ion est grande.
On donne la valeur de la conductivité molaire ionique de quelques ions :
Ion
Ion tartrate A2–
Na+
HO-
H3O+
 (mS.m².mol-1)
5,96
5,01
19,8
35,0
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Document 4 : Evolution de la conductivité σ en fonction du volume V lors de titrage
conductimétrique
Un manuel de Physique-Chimie stipule que
conductimétrique peuvent prendre les allures suivantes :
les
représentations
Proposition 1
Proposition 2
Proposition 3
Proposition 4
graphiques
de
titrage
Pour déterminer l’acidité totale d’un champagne, on introduit VA = 20,0 mL de ce vin dans une fiole à
vide et on procède au dégazage du vin. On réalise un dosage par titrage conductimétrique du vin dégazé
par une solution d’hydroxyde de sodium de concentration molaire CB = 0,200 mol.L–1.
L’équation de la réaction support du titrage s’écrit H2A(aq) + 2 HO–(aq)  A2–(aq) + 2 H2O
L’équivalence est repérée pour un volume versé VE = 15,5 mL.
Question préalable :
Quel est l’intérêt du dégazage du vin ?
Votre problème scientifique :
Rédiger un rapport qui décrit clairement le protocole qui a permis d’obtenir la mesure du volume à
l’équivalence, la masse d’acide tartrique pouvant réagir avec la quantité d’ions HO– et enfin « l’acidité totale
» du vin étudié.
Pour cela, il est attendu :
 Un schéma d’un montage clairement légendé ;
 La courbe obtenue dont l’évolution sera expliquée et l’équivalence définie ;
 La détermination de la quantité de matière d’ions HO– versés à l’équivalence et enfin « l’acidité
totale » du vin étudié.
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.
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EXERCICE 3 : Promenade d’un électron…(5 points)
Compétences :
Définir la quantité de mouvement, connaître le principe d’inertie
Définir, reconnaître et caractériser des mouvements dans un référentiel d’étude
Connaître et exploiter la deuxième loi de Newton
Etudier un mouvement dans un champ électrostatique
Document 1 : La masse inertielle
La masse dite inertielle d’un corps, notée mi est la mesure de sa « résistance » à toute variation de son
mouvement. Elle apparaît dans le principe fondamental de la dynamique, sous la forme :
dp
 mi  a (1) où  Fext représente la somme des forces extérieures appliquées au corps et a
dt
son accélération dans un référentiel supposé galiléen.
F
ext

Document 2 : Création d'un champ électrostatique
Deux plaques métalliques horizontales portant des charges opposées possèdent entre elles un champ
électrostatique uniforme E caractérisé par :
 sa direction : perpendiculaire aux plaques
 son sens : de la plaque chargée positivement vers la plaque chargée négativement.
Document 3 : Interactions entre particules chargées
Deux particules de charges de même signe se repoussent ; deux particules de charges opposées s'attirent.
Document 4 : Force électrostatique subie par une particule chargée dans champ électrique E
Champ électrostatique
Force subie par la particule
chargée
Charge de la particule
Pour un électron : q = – e ; e étant la charge élémentaire.
Pour un proton : q = + e.
Document 5 : Modélisation d’un condensateur
Le Condensateur est un composant
électronique élémentaire, constitué de deux
armatures conductrices (appelées « électrodes »)
en influence totale et séparées par un isolant
polarisable (ou « diélectrique »). Sa propriété
principale est de pouvoir stocker des charges
électriques opposées sur ses armatures. La valeur
absolue de ces charges est proportionnelle à la
valeur absolue de la tension qui lui est appliquée.
https://fr.wikipedia.org/wiki/Condensateur_%28%C3%A9lectricit%C3%A9%29
On assimilera l’isolant situé entre les armatures à un espace vide. Il règne dans cette zone un
champ électrique uniforme E de valeur E = 6,0 kV.m–1.
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Données :
 La masse de l’électron vaut : me = 9,1.10−31 kg.
 La masse du proton vaut : mp = 1,6.10−27 kg.
 La charge élémentaire vaut : e= 1,6.10−19 C.
1. Énoncer le principe d’inertie ou la première loi de Newton.
Pour illustrer l’effet de l’inertie d’un corps sur la variation de son mouvement, on considère la situation
suivante dans laquelle nous allons comparer les forces nécessaires pour modifier le mouvement d’un
électron de masse me et d’un proton de masse mp. Des électrons de vitesse initiale,
v0  v0 ux avec
v0  1,5 107 m.s–1 , pénètrent en un point O dans une zone de l’espace située entre les deux armatures
planes et horizontales d’un condensateur.
On souhaite que les électrons soient déviés vers le bas. On suppose que l’intensité du champ de
pesanteur local est g0 = 9,8 m.s−2.
On fait l'hypothèse que le poids des électrons est négligeable par rapport à la force
électrostatique Fe .
2. Par application de la 2ème loi de Newton à énoncer, trouver l’expression vectorielle de l’accélération de
l’électron en fonction des données du problème. Calculer la valeur de l’accélération de l’électron.
3. Quelle est l’armature chargée positivement ? Justifier. On notera Q sa charge.
4. Montrer que les caractéristiques du vecteur vitesse de l’électron sont :
vx  t   v0

eE

vG v y  t    .t
me

v  t   0
 z
5. Montrer que les équations horaires du mouvement de l’électron x(t) et y(t) en fonction de v0, me, E, e et g
sont dans le condensateur :
 x  t   v0 .t

1 eE 2

OG  y  t   
.t
2 me

 z t   0

6. Expliquer pourquoi la vitesse de l'électron selon l'axe (Ox) est constante.
1 e E
7. Montrer que la trajectoire de l'électron est de la forme. y  
 x 2 . Commenter son allure.
2 me  v02
8. Choisir la courbe qui représente le mieux l’allure de la fonction vy(t) Même question avec la fonction x(t) .
Justifier rapidement votre réponse.
9. Reproduire le schéma du condensateur accompagné des grandeurs suivantes : charges des armatures,
champ E , force Fe , trajectoire de l'électron. Quelle serait la trajectoire à la sortie du condensateur.
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ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE
NOM :
EXERCICE 2 : Elaboration du vin de Champagne, les fermentations …
Question B.2. La fermentation malo-lactique
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