Durée : 3 heures

Premières S – St Thomas d’Aquin Oullins - Physique/Chimie – DS n°4 du 19/01/11
PREMIERE S R
PHYSIQUE/CHIMIE
DS N°4
Durée : 3 heures
ATTENTION A LA REDACTION !
TOUTES LES REPONSES DEVRONT ETRE SOIGNEUSEMENT JUSTIFIEES
Calculatrice autorisée.
Penser à la règle des chiffres significatifs.
PARTIE PHYSIQUE
14 points
► Exercice 1 : Raideur d’un ressort
4,5 points
A un ressort de longueur l0 au repos, on suspend un solide S de masse m. Lorsque l’équilibre est établi, on
mesure l’allongement x = l – l0 du ressort. Les résultats obtenus pour diverses valeurs de m sont :
m (kg)
x (cm)
0
0
0,100
2,4
0,200
4,9
0,300
7,2
0,400
9,7
0,500
12
Questions :
1°/ Faire le bilan des forces appliquées à S en négligeant la poussée d’Archimède exercée par l’air.
(0,5 pt)
2°/ Quelle relation existe-t-il entre les vecteurs forces ? Justifier. (0,25 pt)
3°/ Schématiser le système et représenter les vecteurs forces sans respecter d’échelle. (0,5 pt)
4°/ Rappeler l’expression de l’intensité de la force de rappel du ressort en fonction de l’allongement x.
On notera k la raideur du ressort.
(0,25 pt)
5°/ En déduire la relation entre m et x.
(1 pt)
6°/ Tracer la représentation graphique de m en fonction de x. La courbe obtenue est-elle conforme au
résultat de la question précédente ? Echelle : 1cm pour 2 cm et 1 cm pour 0,1 kg (1 pt)
7°/ En déduire la valeur de la raideur k du ressort. (1 pt)
Données :
intensité de la pesanteur g = 9,81 N.kg-1
► Exercice 2 : La deuxième loi de Newton
2,5 points
Un mobile autoporté, attaché à un fil élastique et dont l’autre extrémité est liée à un point fixe O, est lancé sur
une table. Les positions de son centre d’inertie sont enregistrées toutes les 50,0 ms.
Remarque : la position du fil tendu est représentée en A6.
Questions :
1°/ Présenter les caractéristiques des vecteurs vitesses de G en A5 et A7. (0,5 pt)
2°/ Représenter les vecteurs vitesses en A5 et A7 sur l’enregistrement ci-dessous en choisissant une
échelle convenable. (0,5 pt)
3°/ En A6, représenter la variation du vecteur vitesse et préciser ses caractéristiques.
(1 pt)
4°/ Le résultat obtenu est-il conforme à la deuxième loi de Newton ? Justifier.
(0,5 pt)
Page 1 sur 4
Premières S – St Thomas d’Aquin Oullins - Physique/Chimie – DS n°4 du 19/01/11
► Exercice 3 : Mouvement d’un skieur
7 points
Cet exercice étudie un modèle très simplifié du mouvement du centre d’inertie G d’un skieur dans différentes
phases de son parcours.
A. Plat
Durant cette phase, on assimilera l’ensemble des forces de frottements à une force unique, opposée au
mouvement, d’intensité constante F = 50 N. On supposera également que le skieur reste constamment en
contact avec le sol. Afin de monter au sommet de la piste, un skieur se présente sur l’aire de départ,
horizontale, d’un téléski. Initialement immobile, il s’accroche à un perche, faisant un angle α, constant, de 45°
avec l’horizontale.
Câble tracteur
horizontale
Sol (neige)
La perche exerce une force de traction dirigée suivant sa propre direction.
Après un parcours de longueur l = 8,0 m, la vitesse se stabilise à la valeur v0= 2,0 m.s-1.
Questions :
1°/ Faire l'inventaire de toutes les forces s'exerçant sur le skieur quand la vitesse est constante.
2°/ Les représenter sur un schéma.
3°/ Déterminer l'expression littérale puis la valeur numérique de la force constante T exercée par la
perche sur le skieur.
B. Montée
Le skieur, toujours tiré par la perche, monte à vitesse constante V = 2,0 m.s-1, une pente rectiligne inclinée de
β=40° par rapport à l'horizontale. La perche forme un angle δ=30° avec le sol.
Questions :
1°/ Après avoir schématisé le skieur, déterminer graphiquement l'intensité de la force T exercée par la
perche sur le skieur.
2°/ Retrouver littéralement, puis numériquement cette valeur.
C. Descente
Le skieur participant à un concours de vitesse, s'élance, à partir du repos sur une piste rectiligne inclinée de
β'= 28° par rapport à l'horizontale. Au bout d’une certaine distance parcourue, sa vitesse se stabilise : c’est
sa vitesse limite. La valeur de la force de frottement s’écrit alors : F=kv².
On prendra k= 0,33 N s² m-2. Le coefficient k dépend en particulier de l'aérodynamisme du skieur.
Questions :
1°/ Quelle est la vitesse limite maximale que le skieur pourrait atteindre sur cette piste ?
2°/ Peut-il ainsi espérer battre le record du monde de vitesse ? (248,105 km.h-1)
Données :
Masse du skieur et de son équipement : M = 80 kg
Intensité de la pesanteur : g = 9,81 N.kg-1
Page 2 sur 4
Premières S – St Thomas d’Aquin Oullins - Physique/Chimie – DS n°4 du 19/01/11
PARTIE CHIMIE
10 points
► Exercice 4 : Réactions acido-basiques
2 points
Parmi les équations de réactions suivantes, identifier celles qui correspondent à des réactions acidobasiques. Indiquer alors les couples acide/base mis en jeu et les demi-équations associées.
HNO3(l) + H2O(l)  H3O+(aq) + NO3-(aq)
HCO2H(aq) + NH3(aq)  HCO2-(aq) + NH4+(aq)
CH3CO2H(aq) + PO43-(aq)  HPO42-(aq) + CH3CO2-(aq)
Cu2+(aq) + 2HO-(aq)  Cu(OH)2(s)
► Exercice 5 : Réaction de la soude et du chlorure de fer
4,5 points
Une solution de soude (hydroxyde de sodium) réagit avec une solution de chlorure de fer II, en donnant un
précipité vert d’hydroxyde de fer II.
Quand on mélange une solution de soude et une solution de chlorure de fer III, il se forme un précipité rouille
d’hydroxyde de fer III.
Questions :
1°/ Donner les formules des précipités vert et rouille.
(0,5 pt)
2°/ Ecrire les équations de précipitation.
(1 pt)
3°/ On a mélangé 30 mL de soude de concentration molaire 0,10 mol.L -1, et 30 mL de solution de
chlorure de fer III de concentration molaire 0,050 mol.L-1.
a/ Déterminer les quantités de matière des réactifs. (1 pt)
b/ Déterminer le réactif limitant et la composition finale du mélange. Le mélange final est-il
neutre du point de vue électrique ? (2 pts)
Données :
MH = 1,0 g.mol-1
MO = 16,0 g.mol-1
MNa = 23,0 g.mol-1
MFe = 55,8 g.mol-1
► Exercice 5 : Réaction Acido-Basique
4 points
On prépare une solution A en dissolvant une masse m = 0,270 g de chlorure d’ammonium NH 4Cl solide dans
l’eau de manière à obtenir un volume V A = 100 mL de solution. On prépare une solution B d’hydroxyde de
sodium de volume VB = 100 mL et de concentration CB = 0,200 mol.L-1.
Questions :
1°/ Ecrire les équations de dissolution du chlorure d’ammonium et de l’hydroxyde de sodium dans
l’eau.
2°/ Quelle est la concentration molaire de la solution A en soluté apporté ? Quelle est la concentration
molaire des ions NH4+(aq) dans cette solution ?.
3°/ Quelle est la concentration molaire des ions hydroxydes OH - dans la solution B ?
4°/ On ajoute V’B = 20,0 mL de solution B à la solution A.
Quelle réaction a lieu lors du mélange des deux solutions ?
a/ Comment appelle-t-on ce type de réaction chimique ? Pourquoi ?
Justifier par l’écriture de l’équation de la réaction
b/ Déterminer les quantités de matière d’ions NH 4+(aq) et d’ions hydroxyde présents à l’état
initial.
c/ Dresser le tableau d’avancement correspondant à la réaction ayant lieu.
d/ Calculer les concentrations molaires des ions présents à l’état final.
Données :
Couples :
NH4+(aq)/NH3(aq)
H2O(l)/OH-(aq)(aq)
M(N) = 14,0 g.mol-1
M(H) = 1,0 g.mol-1
-1
M(Na) = 23,0 g.mol
M(Cl) = 35,5 g.mol-1
Page 3 sur 4
M(O) = 16,0 g.mol-1
Premières S – St Thomas d’Aquin Oullins - Physique/Chimie – DS n°4 du 19/01/11
► Exercice 6 : Conductivité d’un mélange
points
A. Expérience n°1
A l’aide d’une éprouvette graduée, on introduit 100 mL d’une solution de chlorure de sodium, de
concentration apportée égale à 1,00.10 -2 mol.L-1, dans un bécher de 250 mL.
Questions :
1°/ Calculer la conductivité 1 de cette solution.
2°/ Sans calcul, prévoir l’évolution de la conductivité si l’on ajoute une pastille d’hydroxyde de
sodium. Justifier votre réponse.
B. Expérience n°2
A l’aide d’une éprouvette graduée, on introduit dans un bécher de 250 mL, 100 mL d’une solution de chlorure
d’ammonium, NH4+(aq) + Cl-(aq), de concentration apportée égale à 1,00.10-2 mol.L-1.
Questions :
3°/ Calculer la conductivité 2 de cette solution.
4°/ On ajoute à cette solution 1,00 mL d’une solution d’hydroxyde de sodium, de concentration
5,00.10-1 mol.L-1.
a/ On fait l’hypothèse qu’aucune transformation chimique ne se produit lors du mélange. Sans
effectuer de calculs, prévoir l’évolution de la conductivité de la solution.
b/ Expérimentalement, on observe une diminution de la conductivité de la solution. Interpréter
cette évolution de façon détaillée en utilisant les couples acide/base donnés ci-après.
c/ Etablir un tableau d’évolution du système chimique. Calculer la conductivité 3 de la
solution dans l’état final. On considérera que le volume total est égal à 100 mL (1 étant très
petit devant 100). L’avancement est maximal.
Données :
▪ Conductivité molaires ioniques en mS.m².mol-1
A 25°C
Na+
NH4+
H3O+
HO-
Cl-
5,01
7,35
35,0
19,8
7,63
▪ Couples Acide/Base : H2O(l)/HO-(aq)
NH4+(aq)/NH3(aq)
Page 4 sur 4