corrige du baccalaureat blanc 2014 : sciences - Meck

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CORRIGE DU BACCALAUREAT BLANC 2015 : SCIENCES
PHYSIQUES ET CHIMIQUES
EXERCICE 1.
. LES DANGERS DE L'ALCOOL (7 points)
1.
Spectroscopie
1.1.
Formules semi-développées
Éthanol
CH3–CH2–OH
Éthanal
CH3
CH
O
1.2. Groupe fonctionnel hydroxyle
Famille : alcool
1.3.
Groupe fonctionnel carbonyle
Famille : aldéhyde
1.4. Le spectre IR2 montre une bande large et intense autour de 3300 cm–1 qui caractérise le groupe
hydroxyle de l’éthanol.
Le spectre IR1 montre une bande fine et intense autour de 1700 cm–1 qui caractérise le groupe carbonyle de
l’éthanal.
1.5. Sur le document 3, on mesure h1 = 2,0 cm, h2 = 0,7 cm, h3 = 1,3 cm.
h1
= 2,9
h2
h3
= 1,9
h2
Si l’on ne conserve qu’un seul chiffre significatif, on obtient
h1
=3
h2
et
h3
= 2.
h2
1.6. Le massif associé à h1 correspond à un nombre « x » d’atomes d’hydrogène trois fois supérieur à celui
« y » du massif associé à h2. Donc x = 3y.
Et celui associé à h3 correspond à un nombre « z » d’atomes d’hydrogène double à celui « y » du massif
associé à h2. Donc z = 2y.
La molécule d’éthanol comporte 6 atomes d’hydrogène, donc x + y + z = 6.
3y + y + 2y = 6
On en déduit que y = 1.
Finalement x = 3 et z = 2.
CH3 – CH2 – OH
Massif
Massif
Massif de hauteur h2
de hauteur h1
de hauteur h3
δ = 1,25 ppm
1.7. Les 3 atomes d’hydrogène dont le déplacement vaut 1,25 ppm possèdent 2 atomes d’hydrogène voisins,
ainsi la règle des (n+1)-uplets permet de comprendre que ce massif est un triplet.
2.
Mécanisme de métabolisation des alcools.
2.1.
La représentation chimique utilisée dans le mécanisme pour l'alcool est appelée représentation de
Cram.
2.2.
Les traits en pointillés représentent une liaison en arrière du plan, tandis que les traits épais
représentent une liaison en avant du plan.
H
2.3. Éthanol
H
H
C
C
H
H
O
H
2.4.
Le carbone porteur du deutérium dans la molécule de deutérioéthanol est lié à 4 groupes d’atomes
différents. Il s’agit d’un atome de carbone asymétrique. La molécule de deutérioéthanol est chirale.
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2.5.
Deux molécules sont énantiomères si leurs images dans un miroir plan ne sont pas superposables. Or
l’éthanal est superposable à son image dans un miroir plan.
L’éthanal obtenu par oxydation ne se présente pas sous la forme d'un mélange d'énantiomères.
O
O
C
C
H
CH3
H
CH3
2.6.
Un catalyseur est une espèce chimique qui permet de réduire la durée de réaction. Étant régénéré en
fin de réaction, il n’apparaît pas dans l’équation de la réaction.
Il s’agit ici d’une catalyse enzymatique.
3.
Contrôle de qualité d'un vin : dosage par spectrophotométrie de l'éthanol.
3.1. D’après la loi de Beer-Lambert Ae = k.Cm, donc Cm =
Cm =
A
k
0,15
= 94 mg.L–1 = 9,4×10–2 g.L–1 dans l’échantillon dosé par spectrophotométrie.
1, 6 10 3
3.2.1. Concentration massique CS en éthanol dans la solution S :
Pour préparer l’échantillon, on a procédé à une dilution de la solution S.
Solution mère : Solution S
CS = ?
VS = 1 mL prélevé
Solution fille : échantillon
Cm = 9,4×10–2 g.L–1
Vm = 100 mL
Au cours de la dilution, la masse d’éthanol se conserve donc CC.VS = Cm.Vm, soit CS =
Cm .Vm
.
VS
9, 4  102  100
CS =
= 9,4 g.L–1 dans la solution S.
1
3.2.2. Concentration massique CV en éthanol dans le vin :
Pour préparer la solution S, on a procédé à une dilution du vin.
Solution mère : Vin
Solution fille : Solution S
CV = ?
CS = 9,4 g.L–1
VV = 10 mL prélevé
V’S = 100 mL
Au cours de la dilution, la masse d’éthanol se conserve donc CV.VV = CS.V’S, soit CV =
CV =
Cs .VS'
.
VV
9, 4  100
= 94 g.L–1 dans le vin.
10
3.3. Le titre alcoométrique est égal au nombre de litres d'éthanol contenus dans 100 litres de vin.
100 L de vin contiennent une masse égale à m = 100.CV.
Cette masse occupe un volume V =
V=
m

=
100.C V

.
100  93, 75
= 1,2×104 mL = 12 L d’éthanol dans 100 litres de vin.
0, 78
Le titre alcoométrique est de 12
3.4. Ce vin titre moins de 18°, il est conforme au code de la santé publique. .
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EXERCICE 2.
DE LA LIAISON COVALENTE À LA SPECTROSCOPIE INFRAROUGE (7
POINTS)
1.1. Ni le graphe T0 = f(m) de la figure 1 ni le graphe T0 = f(k) de la figure 2 ne sont des droites passant par
l’origine. La période propre T0 de l’oscillateur harmonique n’est donc ni proportionnelle à la masse m du solide
ni proportionnelle à la constante de raideur k du ressort.
1.2. Le graph T0 = f(m) nous renseigne sur le lien entre masse et période propre. La représentation graphique
n'est pas une droite, le lien entre T0 et m n'est donc pas proportionnel. On peut éliminer la première et la
deuxième relation :
m
T0 = m × k et T0 = 2π ×
.
k
Toujours d'après ce graphe, T0 augmente quand m augmente (la fonction est croissante). On peut donc éliminer
1
la relation 3 T0 = 2π ×
.
mk
1.3. On peut remarquer que T0 est une fonction décroissante de k. On ne peut donc pas conserver le relation 2
1
m
(T0 = 2π ×
). On voit également qu'on peut éliminer la relation 1 car T0 est proportionnelle à
. Le
k
k
document ne nous permet pas de retirer une autre relation.
1.4. Parmi toutes les relations présentées, la seule qui n'a pas été éliminé est la relation 3 (T0 = 2π ×
relation est en accord avec les différents renseignements récupérés à partir des courbes :
1
 Proportionnel à
;
k
 fonction croissante de m ;
1.5. On fait donc l'équation aux dimensions :
[T0] = T
[2  ] = 1
[m] = M
[ F ] M  L  T 2

 M  T 2
[k] =
L
L
?
[T0]  [2π ×
m
M
1

T
] = 1
2
M T
T 2
k
m
est donc homogène.
k
m(O)  m(H)
2.1. La masse réduite mr pour la liaison covalente O-H est : mr =
m(O)  m(H)
On a une relation homogène à un temps, T0 = 2π ×
2.2. La masse d'un atome B peut s'exprimer à l'aide de la relation suivante :
m(B) = n(B)  M(B)
N ( B)
n(B) =
NA
m(B) =
N ( B)
 M(B)
NA
m
). Cette
k
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Comme nous ne disposons que d'un seul atome N(B) = 1 et il vient :
1
M(B)
m(B) =
 M(B) =
NA
NA
2.3. En substituant la masse des atomes par l'expression précédente dans l'expression de la masse réduite, il
vient :
M (O) M ( H ) M (O) M ( H )


M (O)  M ( H ) 1
m(O)  m(H)
NA
NA
NA
NA


mr =
=
=
m(O)  m(H) M (O)  M ( H ) M (O)  M ( H ) M (O)  M ( H ) N A
NA
NA
NA
2.4. La fréquence propre est : f0 
f0 
1
1,5634....  10 27
2
7,2  102
mr
1
et T0 = 2π ×
T0
k
donc f0 
1
mr
2
k
= 1,0800631014 Hz
f0 = 1,11014 Hz
2.5. La relation est :  
2.6.  

c
f
c
.
f0
3,00  108
= 2,7776106 m =2,8106 m = 2,8 µm.
1,080063  1014
D’après le document 5, il existe un mode de vibration d’élongation symétrique de longueur d’onde de 2,74µm.
Cette valeur est très proche de celle calculée, il s’agit donc probablement d’une vibration d’élongation.
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EXERCICE 3. : SURFER SUR LA VAGUE (6 POINTS)
1. La houle, onde mécanique progressive
1.1. Pourquoi peut-on dire que la houle est une onde mécanique progressive ?
La houle est une perturbation (déformation de la surface de l’eau) qui se propage sans transport de
matière, et qui nécessite un milieu matériel pour se propager.
1.2. Il est possible de simuler la houle au laboratoire de physique avec une cuve à ondes en utilisant une
lame vibrante qui crée à la surface de l’eau une onde progressive sinusoïdale de fréquence f = 23
Hz. On réalise une photographie du phénomène observé (document 1).
Déterminer, en expliquant la méthode utilisée, la vitesse de propagation v de l’onde sinusoïdale
générée par le vibreur.
C’est la plus petite distance entre deux points dans le même état vibratoire (ex : sommet de vagues). Pour
plus de précision, on mesure plusieurs λ.
v
 = donc v = .f.
f
,
5,3 cm  9. =>  =  = 0,59 cm
5,9 cm
Schéma
Réalité
5,9 cm  14 cm
0,59 cm 
=
,.
,
= 1,4 cm = 1,4×102 m
Calcul de la vitesse
v = = .f = 1,4×102 ×23 = 0,32 m.s-1
9
5,3 cm

1.3. Au large de la pointe bretonne, à une profondeur de 3000 m, la houle s’est formée avec une
longueur d’onde de 60 m.
En utilisant le document 2, calculer la vitesse de propagation v1 de cette houle. En déduire sa
période T.
Calcul de la vitesse de propagation v1 de cette houle
 = 60 m et h = 3000 m, donc  < 0,5h.
Dans ces conditions, la célérité de l’onde
g.
9, 8  60
se calcule avec la formule v1 
A.N : v1 =
= 9,7 m.s-1
2
2
Calcul de T
 = v1.T donc T =

60
A.N : T =
= 6,2 s
v1
9, 7
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1.4. Arrivée de la houle dans une baie.
1.4.1. Sur la photographie aérienne du document 3, quel phénomène peut-on observer ? Quelle est
la condition nécessaire à son apparition ?
Sur la photographie aérienne du document 3, on observe la diffraction de la houle à l’entrée de la baie.
Pour qu’il y ait diffraction, il faut que la dimension de l’ouverture ou de l’obstacle soit < ou égal à la
longueur d’onde
1.4.2. Citer un autre type d’onde pour laquelle on peut observer le même phénomène.
La lumière qui est une onde électromagnétique peut également être diffractée.
2. Surfer sur la vague
La houle atteint une côte sablonneuse et rentre dans la catégorie des ondes longues.
2.1. Calculer la nouvelle vitesse de propagation v2 de la houle lorsque la profondeur est égale à 4,0 m,
ainsi que sa nouvelle longueur d’onde λ2. Les résultats obtenus sont-ils conformes aux informations
données dans le document 4 ?
Calcul de la vitesse de propagation :
v2 = gh
. = 9, 8  4, 0 = 6,3 m.s-1.
Calcul de la longueur d’onde : Le document 4 nous apprend que la période T
ne change pas à l’approche des côtes.
On reprend la valeur précédente de T= 6,2 s.
2 = v2.T= 6,3 × 6,2 = 39 m
En arrivant près de la côte, on constate que (6,3 m.s-1)v2 < v1 (9,7 m.s-1): la houle est ralentie, (39 m) 2 <
 (60 m) : la longueur d’onde diminue.
Ces résultats sont conformes aux informations données dans le document 4.
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2.2. Pour la pratique du surf, la configuration optimale est :
- à marée montante c'est-à-dire entre le moment de basse mer et celui de pleine mer ;
- avec une direction du vent venant du Sud-Ouest.
Un surfeur consulte au préalable un site internet qui lui donne toutes les prévisions concernant le vent, la houle
et les horaires des marées (document 5).
Proposer en justifiant, un créneau favorable à la pratique du surf entre le jeudi 21 et le samedi 23 juin 2012.
Document 5 : Prévisions maritimes.
GFS
21.06.2012
00 UTC
Je
21
Je
21
Je
21
Je
21
Je
21
Je
21
Ve
22
Ve
22
Ve
22
Ve
22
Ve
22
Ve
22
Sa
23
Sa
23
Sa
23
Sa
23
Sa
23
Sa
23
05h
08h
11h
14h
17h
20h
05h
08h
11h
14h
17h
20h
05h
08h
11h
14h
17h
20h
4
5
7
23
28
21
17
23
15
15
15
12
10
13
14
15
21
18
19
18
15
10
13
10
28
21
28
15
10
16
25
13
12
15
18
21
0.7
0.7
0.9
1.3.
1.7
2.1.
2.6
2.6
2.6
2.4
2.3
2.2
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
6
7
4
6
6
6
7
8
8
8
8
8
8
7
7
7
7
7
13
14
14
14
15
14
14
14
15
15
15
14
13
14
15
16
16
15
Tableau des marées – Juin 2012
Jeudi 14 h à 20
h
vendredi 05 h à 08h max
samedi 05 h à 20 h
Jour
Jeudi 21 juin
Vendredi 22 juin
Samedi 23 juin
Dimanche 24 juin
Pleine mer
(h :min)
06 :54 19 :08
07 :31 19 :44
08 :08 20 :22
08 :47 21 :02
Basse mer
(h :min)
00 :58 13 :10
01 :34 13 :46
02 :10 14 :24
02 :49 15 :04
D’après http://www.windguru.cz/fr/
- Créneaux où le vent est favorable : rectangle en traits plein Rouge
Jeudi 14 h à 20
h
vendredi 05 h à 08h max
samedi 05 h à 20 h
- Pour la marée, il ne faut pas avoir ni de basse ni de pleine mer :
- Donc pas jeudi à 19 h 08
- Pas vendredi à 7 h 31
- Pas samedi à 8 h 08 ni 14 h 24
Il y a donc des créneaux
- Jeudi de 14h et jusqu’à 19 h 08
- Vendredi mat de 5 h à 7 h 31 (trop tôt !!!)
- Samedi de 05 h à 8 h 08 puis jusqu’à 14 h 24 puis jusqu’à 20 h
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2.3. Un autre phénomène très attendu par les surfeurs, lors des marées importantes est le mascaret.
Le mascaret est une onde de marée qui remonte un fleuve. Cette onde se propage à une vitesse v de
l’ordre de 5,1 m.s-1.
Le passage du mascaret étant observé sur la commune d’Arcins à 17h58, à quelle heure arrivera-t-il
à un endroit situé à une distance d = 13 km en amont du fleuve ?
L’onde parvient en amont du fleuve avec un retard .
Calcul du retard  : v =
En minutes :
=
,.

d
d
donc  = .

v
13  103
=
= 2,5×103 s soit environ
5,1
= 42 min
t heure de départ = 17h58min
t’ heure d’arrivée = 17h58min + 42 min = 18 h 40 min
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EXERCICE 3 spe.
EFFET PIEZOELECTRIQUE (6 POINTS)
A traiter par les candidats FAISANT la spécialité physique
Questions préalables :
1. Champ électrique macroscopique généré par l’apparition des charges électriques sur les faces
extérieures du cristal :
2. Par définition L = 10 log
I
, or d’après le sujet :
I0
2
=
2. µ. 
2
2
2.µ.
 p 
p2
Alors L = 10 log 2 = 10 log 2 = 10 log  
0
p0
 p0 
2.µ.
Finalement L = 20 log
MATHS : log an = n log a
p
p0
3. Le module F de la force et la charge Q sont proportionnels : F = β.Q ou alors Q = β.F ?
Comme β est exprimé en C.N-1, on en déduit qu’il faut retenir Q = β.F avec β = 5,0 ×10–5 C.N-1
(Équation aux unités C = C.N-1.N)
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Problème
Évaluer l’ordre de grandeur de la tension électrique U affichée par le voltmètre quand le capteur piézoélectrique
est soumis à un son d’intensité sonore L = 50 dB, placé à 50 cm d’une source sonore ?

La charge électrique est proportionnelle à la tension électrique : Q = C.U
Q
donc U =
avec C = 125×10–12 F (farad).
C
On obtient U =


 .F
.
C
F
d’où F = p.S.
S
Il faut accéder à la pression acoustique du son de niveau d’intensité sonore L = 50 dB.
p
L = 20 log
p0
L
p
 log
20
p0
p
10L/20 =
p0
p = p0.10L/20
avec p0 = 2,0×10–5 Pa
La pression est définie par p =
donc F = p0.10L/20.S et la tension devient U =

 .p0 .10L /20.S
C
D’où :
U=
5,0.10−5 ×2,0.10−5 ×1050/20 × 0,80.10−4
125.10−12
= 0,20 V = 2,0×10–1 V donc de l’ordre de 10–1 V
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