0910-1S-9jan

NOM : 9 janvier 2010
1S4 - DS n° 2 - PHYSIQUE  CHIMIE
total : 40 points
Durée : 2h00 calculatrice autorisée
PHYSIQUE
Toutes les grandeurs en « gras » sont des vecteurs
On prendra g = 9,81 N.kg-1
Exercice 1 (17 points)
On étudie le mouvement d’un palet autoporteur de masse m = 630 g sur une table horizontale. Ce
mobile est attaché à un ressort par un crochet C. L’autre extrémité du ressort est liée à un axe planté
verticalement dans la table au point O.
L’opérateur tend le ressort puis lance le palet. Il enregistre les positions du palet sur la table toutes les
t = 60 ms.
La trajectoire du palet est visible sur le document 1 de l’annexe.
L’échelle du document est telle que : 1 cm sur le document correspond à 3 cm dans la réalité.
1 . Tracer les vecteurs vitesse V8 et V10 du palet lorsqu’il passe respectivement en M8 et M10. (2 pts)
2 . On note V8-10 le vecteur variation de vitesse du palet entre les points M8 et M10.
Construire géométriquement ce vecteur en lui donnant comme origine le point M9. (2 pts)
3 . Faire le bilan des forces extérieures qui agissent sur le système palet. (1,5 pts)
4 . En appliquant la seconde loi de Newton, donner la direction et le sens de la résultante des forces
extérieures qui s’appliquent au système. En déduire que les frottements sont négligeables dans cette
première phase du mouvement ? (2,5 pts)
Lorsque le palet passe en M13, le crochet C se détache. L’opérateur décide alors d’interrompre
l’enregistrement et coupe la soufflerie lorsque le palet est en M16. On supposera que la table exerce
une force de frottement f constante lorsque la soufflerie ne fonctionne pas.
5 . Quel sera le mouvement du palet entre M13 et M16 ? On décrira la trajectoire du palet et on
calculera la vitesse du palet lorsque celui-ci passe en M16. (2 pts)
6 . Quelle doit être l’intensité de la force f de frottement exercée par la table sur le palet (lorsque la
soufflerie n’est plus enclenchée) si l’on souhaite que ce dernier s’arrête exactement au bord de la
table, au point A. (2 pts)
Les frottements exercés par la table valent en réalité 0,80 newtons.
7 . Calculer la vitesse du mobile lorsque celui-ci atteint le point A. (2 pts)
Le palet quitte la table. Il tombe en chute libre vers le sol (voir schéma ci-dessous).
Le plateau de la table est situé à une hauteur H =1,20 m du sol.
Le temps qui s’écoule entre le moment où le palet quitte la table et le moment ou il percute le sol est
de 0,49 seconde.

H
D
impact
trajectoire
du
palet
A
B
8 . Calculer la vitesse du palet lorsque celui-ci percute le sol. (2 pts)
9 . A quelle distance D de la table le palet touche-t-il le sol ? (1 pt)
CHIMIE
Exercice 2 (23 points)
Pour illustrer la présentation de leur TPE, des élèves de 1S décident de réaliser un aquarium et
d’élever une espèce de poissons très sensibles, des Discus. La concentration en espèces ioniques
dissoutes dans l’eau est un paramètre important pour l’élevage des Discus en aquariophilie.
Données :
Table des conductivité molaires ioniques :
Ion
Cl
SO2
4
K
Mg2
(S.m2.mol-1)
7,63.10-3
16,0.10-3
7,41.10-3
10,6.10-3
Masse molaires atomiques :
Atome
Cl
S
O
Mg
M (g.mol-1)
35,5
32,1
16,0
24,3
1. Première partie : réalisation d’un conductimètre artisanal - (6,5 points)
Les élèves décident de réaliser un conductimètre artisanal en utilisant deux plaques de cuivre de 1,0
cm2 de surface espacées de 1,0 cm (voir schéma en annexe 1).
Ils relient l’ensemble à un générateur de tension alternative de fréquence 400 Hz et placent dans le
circuit un voltmètre et un ampèremètre réglés sur le mode AC.

Ils placent le conductimètre dans une solution de chlorure de potassium
KCl
de concentration
c0 = 1,0.10-3 mol.L-1 et mesurent une intensité I = 148
A
pour une tension U = 1,00 V.
1.1. Tracer le schéma du montage. (1 pt)
1.2. Calculer la constante de cellule
kS
L
. Exprimer le résultat en mètre. (1 pt)
1.3. Déterminer la valeur de la conductance G à partir des résultats de mesure. (1 pt)
1.4. En déduire la valeur de la conductivité de la solution
exp
déterminée expérimentalement.
(1 pt)
1.5. Ecrire la relation entre la conductivité
0
d’une solution de chlorure de potassium et la
concentration c0 en soluté apporté de cette solution. (1 pt)
1.6. Calculer la conductivité théorique
0
de la solution utilisée. (1 pt)
1.7. Conclure sur la qualité du conductimètre artisanal réalisé par les élèves. (0,5 pt)
2 . Deuxième partie : réalisation d’une courbe d’étalonnage. (9,5 pts)
En se documentant, les élèves trouvent qu’on peut reproduire une eau correctement
minéralisée pour les Discus en mélangeant une solution S1 de chlorure de magnésium (Mg2+ + 2 Cl-)
avec une solution S2 de sulfate de magnésium (Mg2+ + SO42-).
2.1. Fabrication de la solution S1 : Quelle masse de chlorure de magnésium MgCl2 solide faut-
il dissoudre dans 500 mL d’eau pour que la concentration en soluté apporté de la solution S1 ainsi
réalisée soit égale à c1 = 2,0.10-2 mol.L-1 ? (1 pt)
2.2. Fabrication de la solution S2 : Montrer que la dissolution de 1,20 g de sulfate de
magnésium solide MgSO4 dans 500 mL d’eau conduit à une solution S2 de concentration en
soluté apporté égale à c1. (1 pt)
Les élèves mélangent les solutions S1 et S2 et obtiennent 1,000 L d’une solution S contenant les
ions magnésium, chlorure et sulfate indispensables pour l’élevage des Discus
Ils remplissent une burette de 25,0 mL avec la solution S
et placent sous la burette un bécher contenant Veau = 100
mL d’eau distillée. Un barreau aimanté et un agitateur
magnétique permettent d’homogénéiser le contenu du
bécher. Une sonde conductimétrique est immergée dans
le bécher et reliée à un conductimètre qui permet la
mesure de la conductance de la solution présente dans le
bécher (voir schéma du montage ci-contre) :
Ils vident pas à pas le contenu de la burette dans le
bécher tout en mesurant, après chaque ajout, la
conductance G de la solution contenue dans le bécher.
burette (25 mL)
solution S (S 1 + S 2)
conductimètre
et sa sonde
agitateur
et barreau
aimanté

Le tableau ci-dessous indique la conductance mesurée suite à l’ajout d’un volume V de solution S
dans le bécher :
V (mL)
1
5
10
15
20
25
G (mS)
5,20.10-2
2,51.10-1
4,87.10-1
6,81.10-1
8,72.10-1
1,04
2.3. Exprimer en fonction de c1 les concentrations des espèces dissoutes dans la solution S
(1,5 pts)
2.4. Exprimer en fonction de c1, V et Veau les concentrations des espèces dissoutes présentes
dans le bécher suite à l’ajout d’un volume V de solution S. (1,5 pts)
 Les élèves décident alors de réaliser une courbe d’étalonnage. Ils représentent la
conductance G de la solution présente dans le bécher en fonction de sa concentration en ions
sulfate.
2.5. En utilisant l’expression trouvée à la question précédente, compléter les deux cases vides
du tableau ci-dessous. (1 pt)
V (mL)
1,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
G (mS)
5,20.10-2
2,51.10-1
4,87.10-1
6,81.10-1
8,72.10-1
1,04
SO42-
1,0.10-4
9,1.10-4
1,3.10-3
2,0.10-3
2.6. Tracer la courbe G en fonction de SO42-. (2 pts)
 Les élèves mesurent la conductance d’un échantillon d’eau minéralisée commerciale vendue
pour l’élevage de Discus et trouvent G = 290
S
.
2.7. En utilisant la courbe d’étalonnage, déduire les valeurs des concentrations en ions
magnésium, chlorure et sulfate de cette solution commerciale. (1,5 pts)
2. Troisième partie : relation entre les concentrations en espèces dissoutes et
conductance – (7 points)
La solution S est réalisée par dissolution de chlorure de magnésium et de sulfate de magnésium
dans de l’eau distillée.
Pour parfaire leur TPE, les élèves cherchent une relation entre la concentration des ions en solution et
la conductance de la solution.
3.1. Ecrire les équations de dissolution dans l’eau du chlorure de magnésium solide
MgCl2
et
du sulfate de magnésium solide
MgSO4
. (1 pt)
3.2. Sachant que la concentration en soluté apporté notée cS est la même pour les deux
solutés, exprimer la concentration des ions en solution en fonction de cS. (1,5 pts)
3.3. Etablir la relation entre la conductivité
S
de la solution S et la concentration en soluté
apporté cS. (1 pt)
3.4. En déduire l’expression de cS en fonction de la conductance GS de la solution S et des
conductivités molaires ioniques. (1 pt)
3.5. Exprimer la concentration de chacun des ions en solution en fonction de GS et des
conductivités molaires ioniques. (1,5 pts)
3.6. Vérifier que pour une conductance GS = 52
S
, la concentration des ions magnésium
dans la solution S vaut 2,0.10-4 mol.L-1. (1 pt)

NOM :
ANNEXE - (Physique - Exercice 1)
Echelle de représentation des vecteurs vitesse :
1 cm  0,10 m.s-1