0708-1S-16mai

NOM :
16 mai 2008
COMPOSITION DE PHYSIQUE ET CHIMIE
Première S4
Durée : 3h30
TOTAL : 60 points
Calculatrice autorisée
PHYSIQUE
Remarque : toutes les grandeurs en « gras » dans l’énoncé sont des vecteurs.
Exercice 1 (12 points /  55 min)
On place une aiguille aimantée horizontale au centre d’un solénoïde horizontal dont l’axe
est perpendiculaire au plan du méridien magnétique du lieu (plan contenant ce lieu et les
pôles magnétiques terrestres). Le solénoïde de longueur 50 cm comporte 500 spires.
1 . En l’absence de courant dans le solénoïde, comment est orientée l’aiguille par rapport
à l’axe du solénoïde ? (1 pt)
2 . On fait passer dans le solénoïde un courant électrique d’intensité I ajustable.
a . Le schéma ci-dessous représente la situation vue de dessus. Compléter le
schéma en y faisant figurer la composante horizontale BTH du champ magnétique
terrestre, le champ magnétique BS créé par le courant dans le solénoïde et le champ
magnétique B résultant. Noter  l’angle entre le champ résultant B et le champ terrestre
horizontal BTH. (2 pts)
b . Quelle relation peut-on écrire entre , BTH et BS ? En déduire une relation
entre , BTH et I. (2 pts)
c . On mesure l’angle  pour différentes valeurs de I. Les valeurs sont regroupées
dans le tableau suivant :
I (mA)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
 (°)
0
18
32
43
51
57
62
65
68
Grâce à une représentation graphique adéquate, déterminer la valeur de BTH. (4 pts)
3 . L’aiguille aimantée est ensuite accrochée à un étrier et placée à l’extérieur du
solénoïde. Placée dans le plan méridien magnétique, elle s’incline d’un angle  par
rapport à l’horizontale (voir schéma ci-dessous).
Soit BTV la composante verticale du champ magnétique terrestre.
a . Quelle relation peut-on écrire entre , BTH et BTV ? (1 pt)
b . On mesure un angle  de 64,5 °. Calculer BTV. (1 pt)
4 . Calculer la valeur du champ magnétique terrestre BT. (1 pt)
Donnée : 0 = 4 . 10-7 SI
Exercice 2 ( 23 points /  1h15min)
I . Une barre cylindrique conductrice de longueur l = 20 cm, de masse m = 30 g, est
posée sur deux rails métalliques horizontaux distants de d = 10 cm, perpendiculaires à la
barre et reliés à un générateur continu imposant une tension U PN= 24 V constante aux
bornes du circuit.
On note I l’intensité du courant électrique qui circule dans le circuit (et donc dans la
barre) lorsque le générateur fonctionne.
La résistance par unité de longueur des deux rails ainsi que de la barre cylindrique est r
= 50 .m-1. (cela signifie que 1 mètre de rail ou de barre a une résistance de 50 ohms)
La barre glisse sans frottements sur les rails. L’ensemble est placé dans un champ
magnétique vertical de valeur B = 0,5 T.
On attache à cette barre un fil relié à une masse. Une poulie transforme le mouvement
horizontal de la barre en un mouvement vertical pour la masse. On suppose que la
masse est soulevée à la vitesse constante v. (voir schéma ci-dessous)
P
G
UPN
N
1 . Représenter sur le schéma ci-dessus le sens du courant électrique dans le circuit ainsi
que le vecteur champ magnétique. (1 pt)
2 . Représenter sur le schéma, sans souci d’échelle, les différentes forces qui agissent sur
le système barre cylindrique. (2 pts)
3 . Que peut-on dire des intensités de la force de Laplace et de la tension du fil qui
s’appliquent sur le système étudié ? (2 pts)
4 . En déduire l’expression de l’intensité électrique I du courant dans le circuit en fonction
de m, g, d et B. (1 pt)
5 . Le dispositif « rail + barre plongés dans le champ magnétique » peut être considéré
comme un moteur électrique. Comme pour tout moteur, le bilan de puissance peut être
schématisé de la manière suivante :
Pélec
MOTEUR
Pméca
PJ
On néglige la résistance des fils conducteurs reliant le générateur aux rails. On suppose
dans cette première partie que la résistance totale R du circuit ne varie pas lors du
mouvement de la barre.
a . Exprimer la puissance électrique Pélec reçue par le moteur. (1 pt)
b . Exprimer en fonction de m, g et v, la puissance mécanique P méca fournie par le
moteur. (1 pt)
c . Exprimer la puissance dissipée par effet Joule PJ en fonction de R, m, g, d et B. (1 pt)
II . Les deux rails précédents sont maintenant fixés sur un plan incliné formant un angle
 de 30° avec l’horizontale.
Le montage est placé dans un champ magnétique uniforme perpendiculaire au plan
incliné de valeur B = 0,5 T.
On note x la distance de la tige à la base des rails (voir schéma ci-dessous).
1 . Représenter sur le schéma ci-dessus le vecteur champ magnétique pour que la barre
cylindrique subisse une force de Laplace dirigée vers le sommet du plan incliné. (1 pt)
2 . Pour une position quelconque x de la barre, exprimer la longueur L du circuit (on ne
prend pas en compte les fils de connexion qui relient le générateur aux rails). (1 pt)
3 . En déduire l’expression de la résistance R du circuit en fonction de x, d et r. (1 pt)
4 . En appliquant la loi d’Ohm, exprimer la valeur de l’intensité I du courant électrique
dans le circuit en fonction de x, d, r et UPN. (1 pt)
5 . En déduire une expression de l’intensité de la force de Laplace qui agit sur la barre en
fonction de x, d, r, UPN et B. (1 pt)
6 . Pour quelle valeur de x la tige est-elle en équilibre ? (On écrira la condition d’équilibre
sous la forme d’une équation vectorielle que l’on projettera sur un repère
convenablement choisit) (3 pts)
III . Le dispositif précédent est légèrement modifié. En effet, les rails ne sont plus
parallèles. Ils sont séparés à leur base par une distance d et forment entre eux un angle
 = 20°. Leurs extrémités supérieures sont très proches l’une de l’autre sans pour autant
être en contact électrique.
Le montage est placé dans un champ magnétique uniforme vertical de valeur B = 0,5 T.
On note x la distance de la tige à l’extrémité supérieure des rails et y la longueur de
barre effectivement parcourue par le courant électrique.
Le générateur débite dans le circuit un courant électrique d’intensité I = 6 A
1 . Représenter sur le schéma ci-dessus le vecteur champ magnétique pour que la tige
subisse une force de Laplace qui la pousse vers le sommet du plan incliné. (1 pt)
2 . Exprimer la valeur de l’intensité de la force de Laplace qui s’exerce sur la barre en
fonction de x, I, B et . (2 pts)
3 . Pour quelle valeur de x la tige est-elle en équilibre ? (On écrira la condition d’équilibre
sous la forme d’une équation vectorielle que l’on projettera sur un repère
convenablement choisit) (3 pts)
Donnée : g = 9,81 N.kg-1
CHIMIE
Exercice 1 (21 points /  1h15min)
 Dans un ballon bicol de 250 mL, introduire une masse m = 10,0 g de cyclohexanol
C6H11OH et un volume V = 65,0 mL d’acide acétique pur. Réaliser un montage à reflux et
placer un volume V’ = 110 mL d’eau de Javel dans l’ampoule de coulée (voir schéma ciaprès). L’eau de Javel est une solution aqueuse ionique contenant, entre autres, des ions
hypochlorite ClO- (aq) ; dans celle utilisée,  ClO- (aq)  = C = 1,10 mol.L-1
 Ajouter goutte à goutte la solution d’eau de Javel en agitant et en maintenant le
mélange à une température inférieure à 20°C à l’aide d’un bain eau-glace. En fin
d’addition, agiter le mélange pendant une demi-heure tout en continuant à le refroidir.
 Dans un tube à essai contenant 1 mL de solution d’iodure de potassium, ajouter une
goutte du mélange obtenu. Une coloration brune due à la formation de diiode apparaît.
Elle indique la présence d’un excès d’oxydant dans le ballon.
 Ajouter alors goutte à goutte une solution d’hydrogénosulfite de sodium, Na +(aq) +
HSO3-(aq), jusqu’à ce que la solution contenue dans le ballon perde sa teinte jaune et
donne un test négatif avec l’iodure de potassium.
Verser ensuite le mélange dans 150 mL de solution aqueuse glacée et saturée en
chlorure de sodium. A l’aide d’une ampoule à décanter, éliminer la phase aqueuse et
rincer la phase organique avec une solution d’hydrogénocarbonate de sodium Na+(aq) +
HCO3-(aq), jusqu’à ce que la solution ait un pH voisin de 7 (test au papier pH).
 Récupérer la phase organique dans un erlenmeyer ; y ajouter deux ou trois spatules de
sulfate de magnésium anhydre pour éliminer les traces d’eau. Filtrer. Peser le liquide
obtenu.
1 . Légender le schéma du montage utilisé pour cette réaction. (2,5 pts)
2 . Quel est l’intérêt d’un tel montage ? (1,5 pts)
3 . Donner la formule développée du cyclohexanol. A quelle famille de composés
organiques cette molécule appartient-elle ? (1 pt)
4 . Donner la formule développée de l’acide acétique (encore nommé acide éthanoïque).
A quelle famille de composés organiques cette molécule appartient-elle ? (1 pt)
5 . Ecrire l’équation de la réaction qui se produit entre les ions hypochlorite et l’acide
acétique. En déduire l’espèce oxydante effectivement présente dans le ballon en
présence d’acide acétique, sachant que ce dernier a été introduit en excès. (3 pts)
6 . A l’aide des formules des couples mis en jeu, écrire l’équation de l’oxydation du
cyclohexanol. (2 pts)
7 . Déterminer les quantités initiales d’ions hypochlorite et de cyclohexanol. En déduire
que l’espèce oxydante est en excès par rapport au cyclohexanol. (2 pts)
8 . Justifier la formation de diiode lors du test en écrivant l’équation de la réaction
correspondante. (2 pts)
9 . Ecrire l’équation de la réaction de l’oxydant en excès avec l’ion hydrogénosulfite. (2
pts)
10 . Citer un test simple permettant de vérifier que le liquide recueilli en fin d’expérience
est un composé carbonylé. (1 pt)
11 . Suggérer un moyen permettant de vérifier qu’il s’agit de la cyclohexanone. (1 pt)
12 . A la fin de la manipulation, on a recueilli m’ = 7,8 g de liquide. Sachant que le
rendement de cette synthèse est défini par le quotient de la quantité de cétone
effectivement obtenue par la quantité maximale attendue, le calculer. (2 pts)
1
eau
4
eau
2
5
6
7
3
8
9
10
Données
 Masses molaires (g.mol -1) :
H : 1,0
C : 12,0
O : 16,0
 Couples acide/base :
HClO(aq)/ClO-(aq)
CH3CO2H(aq)/CH3CO2-(aq)
H2O,CO2(aq)/HCO3-(aq)
 Couples oxydant/réducteur :
HClO(aq)/Cl-(aq)
I2(aq)/I-(aq)
C6H10O(aq) /C6H11OH(aq)
SO42-(aq)/HSO3-(aq)
Exercice 2 (4 points /  5 min)
1 . Déterminer le motif des polymères dont les monomères sont :
a
H
b
H
H
C=C
H
CH3
C=C
O - C - CH
3
H
C-O-H
O
O
2 . Déterminer les formules développées des monomères qui conduisent aux polymères
suivants :
a:
-(CH2 – CH(CN))n –
b:
-(CH2 – CH(C6H5))n -