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BACCALAURÉAT GÉNÉRAL
SESSION 2004
PHYSIQUE-CHIMIE
Série S enseignement Obligatoire
DURÉE DE L’ÉPREUVE : 3 h 30. – COEFFICIENT : 6
L’usage des calculatrices est interdit
Ce sujet comporte un exercice de CHIMIE et deux exercices de PHYSIQUE présentés sur pages numérotées
de 1à 7 y compris celle-ci.
Le candidat doit traiter les trois exercices, qui sont indépendants les uns des autres.
Attention, certains documents sont à rendre avec la copie
/8 I) Quelques réactions autour du zinc…
/6 II) La mécanique des stades…
/6 III) bobine et condensateur…
1/7
Quelques transformations chimiques avec du zinc….
Données MZn=65 g.mol-1 ; MAg=110 g.mol-1 ; 1F= 96500 C.mol-1
1ère partie :Pile Zinc- Argent
On réalise une pile zinc-argent contenant les couples oxydoréducteurs Zn2+(aq)/Zn(s) et Ag+(aq)/
Ag(s). Les deux demi-piles contiennent 100 mL de solutions électrolytiques, de concentrations
en ions métalliques identiques et égales à 0,1 mol.L-1. La partie immergée de l’électrode de zinc
pèse, dans l’état initial 6,5g.
Lors du fonctionnement de la pile aux bornes d’une résistance, il se forme un dépôt d’argent sur
l’électrode d’argent et la masse de l’électrode de zinc diminue.
1°) Faire un schéma de la pile.
2°) a)Ecrire les réactions aux électrodes. Identifier l’anode et la cathode en justifiant.
b)En déduire l’équation de fonctionnement de la pile
3°) Compléter le schéma de votre pile : anode, cathode, pôle +, pôle -, sens du courant I, sens
de circulation des électrons et des ions.
4°) La réaction précédente a pour constante d’équilibre K=1052( valeur pour l’ équation où il se
forme de l’argent métallique). Vérifier la validité du critère d’évolution spontanée dans le cas
de cette transformation.
5°) Comment est assurée l’électroneutralité de chaque solution au cours du fonctionnement de
la pile ?
6°) a) Etablir un tableau d’avancement de cette transformation chimique sachant que la réaction
est totale. Calculer son avancement maximal xmax. Quel est le réactif limitant ?
b) Calculer les concentrations finales en ions métalliques dans chaque demi-pile.
c) Calculer la masse du dépôt d’argent sur l’électrode d’argent. ?
7°) La pile peut débiter un courant continu d’intensité constante I=0,10 A pendant une durée
totale t.
a) Etablir une expression de la charge électrique Q en fonction de xmax et F (le faraday).
b) En déduire l’expression de t en fonction xmax , F et I.
c) Calculer t en s.
2ème Partie :Electrolyse d’une solution de bromure de zinc
On réalise l’électrolyse d’une solution de bromure de zinc ( Zn2+ , 2 Br- )entre deux électrodes
inattaquables de graphites. Les ions contenus dans la solution appartiennent aux couples
oxydoreducteurs Br2(g)/Br- et Zn2+(aq)/Zn(s). On constate qu’il se forme un dépôt métallique sur
une des électrodes et un dégagement gazeux sur l’autre.
1°) Utiliser les observations expérimentales pour écrire les équations des réactions aux
électrodes. Quelle est l’oxydation ? La réduction ? En déduire l’anode et la cathode de
l’électrolyseur.
2/7
2°) En déduire la réaction d’oxydoréduction qui se produit dans l’électrolyseur.
3°) Faire un schéma de cette électrolyse (en utilise en tube en U) . Indiquer l’anode, la cathode,
le dégagement gazeux, le dépôt métallique, le sens de circulation des électrons et des ions.
3ème partie : Etude cinétique entre le zinc et les ions H+
On introduit une masse m=1,3 g de zinc en poudre dans un ballon contenant un volume V1=100
mL d’une solution d’acide chlorhydrique de concentration c=0,2 mol.L-1. On recueille le gaz
dihydrogène formé au cours du temps et on mesure son volume V. Le zinc réagit totalement
avec les ions H+.
On réalise cette expérience à deux températures différentes : T1=20°C et T2= 40°C
On obtient les résultats suivants :
Expérience n°1 réalisée à T1=20°C
[Zn2+]
0 0,010 0,019 0,027 0,034 0,040 0,047 0,053 0,058 0,063 0,068 0,072
(mol.L-1)
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
t (s)
Expérience n°2 réalisée à T2=40°C
[Zn2+]
0 0,036 0,058 0,070 0,079 0,086 0,090 0,094 0,096 0,097 0,098 0,099
(mol.L-1)
0
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
t (s)
1°) Ecrire l’équation d’oxydoréduction se produisant entre les couples H+ (aq)/ H2(g) et
Zn2+(aq)/Zn(s)
2°) En utilisant un tableau d’avancement, déterminer x max et le réactif limitant. Quelle est la
valeur de la concentration en ions Zn2+ quand t tend vers l’infini ?
3°) Tracer les courbes [Zn2+]= f(t) pour les deux expériences sur un même graphique :
Echelle : 1cm 200 s et 1cm 0,01 mol.L-1
4°) Décrire rapidement les deux courbes. Quel facteur cinétique a-t-on mis en évidence ?
d [ Zn 2 ]
La vitesse volumique v de réaction est donnée par la relation : v=
dt
5°) Comparer qualitativement les valeurs des vitesses initiales ( t= 0) pour les deux expériences
( aucun calcul n’est demandé, vous pouvez faire des tracés sur les courbes). Comment peut-on
expliquer ces valeurs différentes au niveau microscopique?
6°) Comparer qualitativement les valeurs des vitesses à t= 2000s pour les deux expériences.
Comment peut-on expliquer ces valeurs différentes au niveau microscopique?
7°) Définir le temps de demi-réaction t1/2, puis déterminer les valeurs de t1/2 pour les deux
expériences.
3/7
Les analyses objectives réalisées au cours de
compétitions montrent que l’angle d’éjection- pour
qu'il soit performant - se situe, en moyenne, vers 35
degrés, même pour le record du monde. En fait, un
lanceur d'élite n'arrive plus à atteindre la vitesse
d'éjection maximale dès lors que l'angle d'éjection
est supérieur à 35 degrés.
De manière empirique, certes, mais efficace,
l'athlète et son entraîneur ont trouvé le meilleur
compromis en réduisant l'angle d'éjection, car la
vitesse d'éjection apparaît comme le paramètre
prépondérant dans l'équation mathématique de la
portée : pour un jet proche de 21,50 m comme celui
que nous venons de décrire, un défaut de 0,25 m/s
sur la vitesse a pour conséquence une réduction de
la portée de 0,5 m, toutes choses égales par ailleurs.
Un défaut de 1 degré sur l'angle d'éjection se traduit
par une portée réduite de 0,2 m, une altitude
d'éjection diminuée de 0,2 m engendre une
diminution de 0,2 m également.
Alain Junqua
La mécanique des stades
le 28 juillet 2003
Les lanceurs de poids sont souvent qualifiés
d'athlètes puissants et explosifs. Leur gabarit est
impressionnant : 1,92 m pour 125 kg en moyenne
pour les finalistes d'un grand championnat.
Evoluant à l'intérieur d'un cercle de lancer aux
dimensions très réduites, les meilleurs lanceurs de
poids masculins sont capables, dans un laps de
temps très court de l’ordre de 1,4s- d'où
l'impression visuelle d'une "explosion" -, de
procurer au boulet une vitesse d'éjection de près de
14 mètres par seconde alors qu'elle est nulle au
début de leur mouvement.
Deux styles sont désormais utilisés : l'un en
rotation, l'autre, plus classique, avec un glissement
linéaire des pieds. L'altitude du boulet à l'éjection
est de 2,30 m environ pour les lanceurs les plus
grands.
données: ²=10; g=10m.s-2
A) Trajectoire du poids
Répondre aux questions en vous aidant du texte
1°) Calculer l’accélération que le lanceur procure au poids lors du lancé en considérant que sa
trajectoire est rectiligne.
2°) On souhaite vérifier que le record annoncé dans le texte est correct, pour cela il est nécessaire
d’établir les équations horaires du mouvement. On notera d l’altitude d’éjection (altitude à laquelle le
lanceur lâche le poids) et  l’angle que fait le vecteur vitesse initiale 0 avec l’horizontale. La
trajectoire sera comprise dans un plan (xOy), l’axe (Ox) sera horizontal et placé au sol, l’axe (Oy)
verticale passe par la position du poids au moment de l’éjection
a) Etablir le système d’équations différentielles vérifiées par les coordonnées x(t) et y(t).
b) En déduire les équations horaires vérifiées par x(t) et y(t) en fonction de d, g, v0 et ..
3°)a) On note tfin l’instant auquel le poids touche le sol. Etablir l’équation littérale du second degré
vérifiée par tfin. Justifier.(on ne demande pas de résoudre cette équation)
b) Les graphes représentant x(t), y(t), vx(t) et vy(t) sont donnés en annexe. Compléter les graphes en
précisant les titres et unités associées aux axes.
c) Lire sur ces graphes la valeur numérique de tfin.
d) Vérifier graphiquement que le record donné dans le texte est correct. (les constructions sur les
graphiques doivent rester visibles)
durée de 10 oscillations (s)
B) Masse du projectile (oscillations)
poids n°1 poids n°2 poids n°3
Lors d’une compétition, un organisateur veut vérifier que
2,0
1
3,0
les poids lancés ont une masse respectant les normes
internationales. Ne disposant pas de balance de précision, mais se souvenant de ses cours de physique
de terminale, il décide d’utiliser un pendule élastique pour déterminer la masse de trois poids de lancé.
Il les fixe donc au bout d’un ressort d’amortisseur de mobylette et mesure grâce à un chronomètre dix
oscillations de chaque pendule. ses résultats sont regroupés dans le tableau ci-dessus.
1°) Pour déterminer la raideur du ressort on suspend une masse de 100kg au ressort accroché au
plafond. On mesure un allongement de 25cm. Déterminer la raideur du ressort
2°) Choisir parmi les expressions proposées, celle qui corre spond à la période d’un pendule simple:
T  2mg
T  2
k
m
T  2
m
k
T  2
m
kg
4/7
m est la masse du poids de lancé, k la raideur du ressort g l’accélération de la pesanteur.
Vous justifierez votre choix en effectuant l’analyse dimensionnelle de la formule choisie.
3°) Etablir une relation littérale de m en fonction des paramètres du pendule.
4°) En déduire une relation numérique simple entre m et T². T étant la période des oscillations, on
prendra k=4000N/m.
5°) Déterminer les masses m1, m2 et m3 des poids de lancé.
6°) En fait la mesure liée au poids n°2 est 10,1s.
a) En déduire un encadrement de 10T2, T2 étant la période d’oscillation du poids de lancé n°2.
b) En déduire un encadrement de 100T2², puis un encadrement de m2.
c) En catégorie poussin, les normes internationales imposent pour la masse du poids de lancé
m=10,1kg. Peut-on assurer grâce à nos mesures que ce poids de lancé respecte les normes
internationales ?
6
5
4
3
2
1
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
25
20
15
10
5
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
5/7
10
14
8
12
6
10
4
8
2
0
6
-2 0
4
-4
2
-6
0
-8
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
-10
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
Bobine et condensateur….
Les deux parties sont indépendantes
Partie A: Condensateur
On se propose d’étudier l’évolution de la tension aux bornes d’un condensateur dans le but de
déterminer la capacité du condensateur. Un générateur de tension de force électromotrice E
alimente un conducteur ohmique de résistance R=100Ω et un
condensateur de capacité C, associés en série. Un dispositif
K
d’acquisition de données relié à un ordinateur permet de
+q
suivre l’évolution de la tension uC aux bornes du
E
UC
C
condensateur en fonction du temps. A la date t0=0s, on ferme
R
l'interrupteur K et l’ordinateur enregistre la courbe uC=f(t).
1°) A l’aide de la courbe, déterminer
la date t1 à partir de laquelle on peut
considérer que la tension uC est
constante. Quel phénomène physique
est mis en évidence par la portion de
courbe située avant la date t1?
7
Uc(V)
6
5
4
3
2°) Déterminer graphiquement la
valeur de E.
3°) Déterminer graphiquement la
valeur de la constante de temps τ du
circuit.
2
1
t(ms)
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
4°) En déduire une valeur approchée de C.
5°) Evaluer graphiquement la durée t nécessaire pour charger complètement le condensateur.
Comparer t à τ.
6°) Faut-il augmenter ou diminuer la valeur de R pour charger plus rapidement le
condensateur? Justifier la réponse.
7°) En respectant l’orientation des d’intensité qui est indiquée sur le schéma, montrer que
l’équation différentielle à laquelle satisfait la tension uC, à partir de t0, s’écrit:
E  uc  RC
duc
0
dt
6/7
Partie B: Bobine
Au cours d'une séance de travaux pratiques, on a enregistré, en fonction du temps t, l'intensité
lors de l'établissement du courant dans un circuit comprenant une bobine (L, R) reliée à un
générateur de tension idéal de force électromotrice E.
1°) Faire un schéma d'un montage
expérimental qui permettrait de réaliser
cette expérience.
2°) Déduire de la courbe la valeur de
l’intensité du courant i en régime
permanent
3°) Le générateur délivrait une tension E =
5,10 V lors de cet essai. Ecrire la relation
entre E, R, L et i
En déduire la valeur de la résistance R en appliquant la condition du régime permanent à
di(t)
dt
4°) Tracer la tangente à la courbe à l’instant t=0.
a) En déduire la valeur de la constante de temps  du circuit.
b) En déduire la valeur de l’inductance L
5°) Calculer l’énergie magnétique E m emmagasinée dans la bobine lorsque le régime
permanent est atteint.
7/7