Optique et Physico Chimie

3OEPLME1
BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE
Session 2003
Épreuve :
OPTIQUE et PHYSICO-CHIMIE
Partie Théorique
Série
SCIENCES ET TECHNOLOGIE DE LABORATOIRE
PHYSIQUE DE LABORATOIRE ET
DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS
Durée de l'épreuve : 3 heures
coefficient : 5
L'usage de la calculatrice est autorisé.
Le sujet comporte 4 pages.
PHYSICO-CHIMIE (4 points)
page 2
OPTIQUE (16 points)
pages 2 à 4
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PHYSICO-CHIMIE
(4 points)
LA MOLÉCULE D’EAU
1 - Donner la configuration électronique de l’atome d’hydrogène 1H et de l’atome d’oxygène 8O .
2 - En déduire la place occupée par ces deux éléments dans la classification périodique des éléments.
Justifier.
3 - a)
Expliquer la formation de la molécule d’eau à partir des cases quantiques.
b)
Préciser la nature des liaisons chimiques dans cette molécule.
c)
Faire un schéma légendé précisant la structure géométrique de la molécule (aucune valeur
numérique n’est demandée).
4 - La longueur d’onde des photons permettant de séparer un atome d’oxygène d’un atome
d’hydrogène dans la molécule d’eau est de 259 nm.
a)
Calculer l’énergie de ces photons en joules et en électron-volts.
b)
En déduire l’énergie de la liaison O
H en kJ.mol−1.
Données
Constante de Planck : h = 6,63 × 10– 34 J.s.
Célérité de la lumière dans le vide : c = 3 × 108 m.s–1.
1 eV = 1,6 × 10–19 J.
Constante d’Avogadro : N = 6,02 × 1023 mol−1.
OPTIQUE
(16 points)
Les parties I, II et IV sont indépendantes
Un client biologiste vous demande de lui expliquer la notice du microscope qu’il vient d’acquérir.
Dans le descriptif, vous notez que le coffret contient :
- 3 objectifs achromatiques de grandissement transversal γob et d’ouverture numérique O.N.
Objectifs
Grandissement
ouverture numérique
×5
0.10
× 10
0.25
× 40
0.65
-
3 oculaires de Ramsden.
L’intervalle optique ∆ = F′ob Foc = 160 mm et le diaphragme d’ouverture D.O. de l’instrument est en F′ob.
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Dans tout l’exercice, on supposera que le client est emmétrope et n’accommode pas.
objectif
A
F′ob
Oculaire
Pupille d’entrée
œil
D.O.
Partie I - ÉTUDE DES OCULAIRES
Les trois oculaires peuvent servir de loupe pour examiner un texte dont les lettres font AB = 0,7 mm de
hauteur moyenne.
1 - Déterminer sous quel angle α ces lettres seront vues à l’œil nu si on se place à D = 25 cm de la
feuille. Faire un schéma explicatif.
2 - a)
Le client est emmétrope. Il cherche à observer le texte à travers chaque oculaire sans
accommoder : où doit-il placer le texte ?
b)
Les trois oculaires ont pour distances focales :
• (f′oc)1 = 17 mm pour le premier,
• (f′oc)2 = 25 mm pour le deuxième,
• (f′oc)3 = 50 mm pour le troisième.
Avec lequel des oculaires le texte paraîtra-t-il le plus gros ?
Justifier votre réponse en vous aidant d’un schéma ; on représentera chaque oculaire par une
lentille de distance f′oc et on placera l’œil du client en F′oc.
3 - On utilise l’oculaire de distance focale (f′oc)1.
a)
Calculer sous quel angle α′ l’image d’une lettre sera vue.
b)
Calculer le grossissement G de cet oculaire.
c)
Calculer la puissance de cet oculaire Poc.
4 - Cet oculaire de Ramsden est en fait constitué de deux lentilles minces convergentes L1et L2 et a
pour symbole (3,2,3).
a)
Expliquer ce que signifie le symbole. Calculer la distance focale en fonction du paramètre a.
En déduire la valeur de a pour l’oculaire choisi à la question 3-a)
b)
La condition d’achromatisme apparent est-elle vérifiée par cet oculaire ?
Partie II - ÉTUDE DE L’OBJECTIF
L’observateur choisit d’utiliser l’objectif le plus puissant, marqué × 40.
1 - Que représente l’ouverture numérique ? Expliquer par un schéma de principe.
Donner l’ouverture numérique relative à l’objectif × 40.
2 - Calculer la distance focale f′ob de l’objectif sachant que ∆ = 160 mm.
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III - UTILISATION DU MICROSCOPE
1 - Le client biologiste veut observer des hématies (globules rouges) de grenouille. On rappelle que le
client est emmétrope et n’accommode pas.
a)
Où se trouvent l’image finale donnée par le microscope et l’image intermédiaire donnée par
l’objectif ? Où se situe l’objet ?
On admettra que la puissance intrinsèque de cet oculaire Poc vaut 60 δ.
b)
Calculer la puissance intrinsèque (Pi)micro puis la distance focale f′micro. Justifier le signe de
f′micro.
c)
Calculer l’angle α′ sous lequel on verrait à travers l’instrument le globule de sang de
grenouille de diamètre AB = 22 µm.
d)
La limite de résolution de l’œil est de ε = 3 × 10−4 rad.
La puissance de l’instrument est-elle suffisante pour que le globule soit visible ? Justifier.
e)
Vous précisez à votre client qu’il doit placer son œil au niveau du cercle oculaire.
Définir le cercle oculaire.
f)
Déterminer sa position que l’on notera Oco.
2 - À l’aide d’un tube à tirage, on éloigne l’oculaire de l’objectif de manière à augmenter de 100 mm la
distance oculaire-objectif :
a)
Que vaut le nouvel intervalle optique ∆micro2 ?
b)
Calculer la nouvelle distance focale f′micro2.
c)
Déterminer le nouveau grossissement commercial que l’on notera g.
IV - OBSERVATION EN LUMIÉRE POLARISÉE
P1
objectif
D.O.
oculaire
P2
A
Le microscope est livré avec un jeu de 2 filtres polaroïds identiques P1 et P2. Le filtre P2 est placé dans
l'oculaire ; son axe peut tourner par rotation de l'oculaire dans le tube. P1 se place entre la source
d'éclairage et l'objet. L'éclairage sera supposé monochromatique (λ
λ = 0,5 µm) et la vibration considérée
se propage suivant l'axe du microscope.
1 - Quelle est la nature de la lumière émergeant de P1 et éclairant le plan objet [A] ? Pour quelle
orientation de l'axe de P2 l'intensité E transmise à l'œil est-elle maximale ? Soit Em cette valeur.
2 - Quel est le nom utilisé pour P2 ?
3 - Comment varie l'intensité E en fonction de Em et de l'angle θ que font les axes de P1 et P2 ?
Indiquer l’unité de E.
4 - Quel est le nom de la loi physique utilisée ? Pour quelle valeur de θ observera-t-on une extinction ?
5 - De quel angle θ faut-il tourner P1 pour que l’éclairement E transmis soit égal à la moitié de
l’éclairement incident ?
6 - Que vaut le rapport E/Em lorsqu’on tourne P2 de 30 ° ?
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BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE
Session 2003
Épreuve :
OPTIQUE et PHYSICO-CHIMIE
Partie Théorique
Série
SCIENCES ET TECHNOLOGIE DE LABORATOIRE
PHYSIQUE DE LABORATOIRE ET
DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS
Durée de l'épreuve : 3 heures
coefficient : 5
L'usage de la calculatrice est autorisé.
Deux feuilles de papier millimétré, réservée à la partie Optique, seront distribuées au
candidat.
Le sujet comporte 5 pages, dont le document-réponse, page 5 est à rendre avec la copie.
PHYSICO-CHIMIE (4 points)
page 2
OPTIQUE (16 points)
dont, le document-réponse
pages 2 à 5
page 5
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PHYSICO-CHIMIE
(4 points)
L’ÉLÉMENT CHLORE
Le numéro atomique de l’élément chlore (Cl) est Z = 17.
1 - Structure de la matière
a)
Donner la configuration électronique de l’atome de chlore dans son état fondamental.
b)
Quelle est la position de l’élément chlore dans la classification périodique ?
À quelle famille d’éléments appartient-il ?
c)
Quel est le nombre d’électrons périphériques de l’atome de chlore ?
Que peut-on en déduire quant au nombre et à la nature des liaisons possibles entre le chlore et
d’autres atomes ?
d)
Expliquer la formation de la molécule de dichlore Cl2 à partir des cases quantiques.
2 - Niveaux d’énergie moléculaires
a)
Pour passer de l’état fondamental à l’état dissocié, une molécule de dichlore requiert une
énergie de 2,52 eV.
Quelle est la fréquence minimale de la radiation que peut absorber une molécule de dichlore ?
b)
En déduire la longueur d’onde et la couleur de la radiation absorbée par le dichlore.
Expliquer alors pourquoi le gaz dichlore a une couleur jaune-verdâtre.
Données :
h = 6,62 × 10−34 J.s.
c = 3 × 108 m.s−1.
Constante de Planck :
Célérité de la lumière dans le vide :
1 eV = 1,6 × 10–19 J.
couleur
d’émission
rouge
orangé
jaune
vert
bleu
indigo
violet
longueur d’onde
dans le vide (nm)
780
610
590
570
2
500
450
440
380
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OPTIQUE
(16 points)
Les deux parties A et B sont indépendantes
Les parties I et II de la partie A sont également indépendantes
A - ÉTUDE D’UN MICROSCOPE
Le microscope est livré avec un oculaire de type (3,2,3).
Le diaphragme d’ouverture du microscope est supposé centré en F′ob, foyer image de l’objectif.
′ Foc égal à 17,0 cm.
On supposera l’intervalle optique Fob
I - Étude de l’oculaire :
1 - a)
b)
2 - a)
b)
Soit a le paramètre de l’oculaire :
calculer la position de ses éléments cardinaux en fonction de a.
Construire les points Foc, F′oc, Hoc et H′oc sur un schéma à l’échelle a = 2 cm.
L’oculaire est-il positif ou négatif ? Justifier.
Est-il achromatique apparent ? Justifier.
II - Utilisation du microscope:
1 - Étude des combinaisons oculaire/objectif :
On utilise les objectifs × 10 et × 40 du microscope combinés avec des oculaires × 10 et × 15.
a)
Que signifient ces nombres?
b)
Donner les formules (en précisant les unités) permettant de calculer le grossissement
commercial et la puissance intrinsèque du microscope à partir de ces données.
En déduire les valeurs correspondant aux diverses combinaisons oculaire/objectif et les
présenter dans un tableau.
2 - Pupille de sortie :
Pour l’oculaire × 15, calculer la position de O′, centre de la pupille de sortie du microscope. Quel
nom donne-t-on à cette pupille?
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3 - Utilisation de la chambre claire :
L’observateur accommodant au maximum, sa distance minimale de vision distincte vaut
dm = 15 cm. Son œil est placé au foyer image F′oc de l’oculaire × 15. Il utilise l’objectif × 40, de
distance focale 4,25 mm. À l’aide du dispositif de la chambre claire, il peut dessiner le contour de
l’image d’une cellule de longueur réelle AB = 25 µm.
a)
Où est située l’image définitive A′B′ ?
b)
En déduire la position de l’image objective A1B1, puis la position de l’objet au micromètre
près.
c)
Déterminer le grandissement de l’objectif, puis celui de l’oculaire.
En déduire le grandissement global et le comparer au grossissement du microscope, pour
cette utilisation.
4 - Image réelle :
On retire à présent la chambre claire. On désire obtenir une image de la cellule sur un écran placé
après F′oc.
Dans quel sens doit-on bouger le tube du microscope par rapport à sa position de la question 3 ?
Justifier.
B - LOI DE MALUS
Le dispositif expérimental permettant de mettre en évidence cette loi fournit les données recueillies dans
le tableau du document-réponse, page 5. E représente la valeur de l’éclairement à la sortie du montage et
Emax sa valeur maximale.
1 - Dispositif expérimental :
Décrire ce dispositif à l’aide d’un schéma annoté. On prendra soin d’indiquer le nom des
instruments utilisés, la nature de la lumière dans les différentes régions qu’ils délimitent et la
signification de l’angle α.
2 - Loi de Malus :
Citer cette loi (préciser l’unité de E). Pour quelles valeurs de α l’éclairement sera-t-il égal à Emax?
2
3 - Courbe E/Emax = f(cos α) :
Compléter le tableau du document-réponse et tracer cette courbe représentative. En déduire son
équation, dont on donnera les coefficients.
4 - L’équation trouvée diffère légèrement de l’équation prévue théoriquement : proposer une
explication.
4
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DOCUMENT-RÉPONSE
Tableau - LOI DE MALUS
α (°)
E (….)
0
20
30
40
50
60
70
90
60,2
53,4
46,7
37,6
28,1
19,5
12,6
7,4
cos²α
α
E/Emax
5