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1S3- DEVOIR DE SCIENCES PHYSIQUES N°4
- 1 HEURE –
Autoévaluation
1. QCM ET QUESTION DE COURS : (4,5 POINTS)
Répondre directement sur l'énoncé. Il peut y avoir une, plusieurs ou aucune réponse juste dans le QCM.
1) Deux atomes isotopes ont : le même nombre de neutrons ;
nombre de nucléons ;
le même nombre d'électrons.
2) L'interaction gravitationnelle :
ou répulsive.
est toujours attractive ;
le même nombre de protons ;
est toujours répulsive ;
le même
peut être attractive
/0,5
/0,5
3) A chaque échelle de matière prédomine une interaction fondamentale. Compléter le serpent de Glashowci-dessous- en indiquant les valeurs manquantes et le domaine de prédominance de chaque interaction.
……………………………………………
…………………………………………
…
/2
Dimension du
noyau :……………
……………………………………………
Dimension de
l’atome ……….…
……………………………………………
/0,5
4) La molécule de dichlorométhane CH2Cl2 est :
plane ;
tétraédrique ;
coudée ;
pyramidale ;
aucune de ces réponses.
/0,5
5) Combien de liaisons covalentes l'atome de silicium (Z = 14) forme-t-il ? :
14 ;
8;
4;
2;
aucune de ces réponses.
/0,5
6) La molécule C2Br2H2 représentée ci-contre:
possède 2 stéréoisomères ;
est l’isomère E ;
est plane ;
2. L’ACIDE SULFENIQUE (5 POINTS)
L’acide sulfénique est l’espèce chimique responsable de l’odeur que dégagent certains légumes (oignons,
échalotes, poireaux) lorsqu’on les coupe. Sa formule semi-développée est : CH2=CH–CH2–S–OH.
2.1. L’atome de soufre : Rédiger un petit paragraphe qui réponde aux questions suivantes :
Combien de liaisons covalentes établit l’atome de soufre ? Sachant que la couche M est sa couche
externe, en déduire sa structure électronique, puis la colonne de la classification périodique dans laquelle
il se trouve. Possède-t-il des doublets non liants ? Si oui, dire combien et justifier, si non, justifier.
2.2. La molécule d’acide sulfénique :
a) Donner la formule de Lewis de l’acide sulfénique.
b) Cette molécule présente-t-elle une isomérie Z/E ? Si oui, représenter les deux isomères, si non, justifier.
c) Préciser (sans justification) quelle est la géométrie de la molécule autour de l’atome de soufre, autour
d’un atome de carbone de la double liaison, ainsi qu’autour de l’atome de carbone lié au soufre.
/2,5
/0,5
/0,5
/1,5
3. ELECTROSTATIQUE (2,5 POINTS)
Lors d’une séance de travaux pratiques, on cherche à montrer des phénomènes électrostatiques à l’aide
d’un pendule électrostatique, d’un bâton de PVC et d’un chiffon de laine. Le PVC se charge
négativement, alors que du verre se charge positivement.
1. Justifier à l’aide du zoom sur le pendule que celui-ci est d’abord attiré par le PVC.
Préciser le transfert de charges électriques lors du contact.
Autoévaluation
/1,5
/1
2. Quelle est la charge électrique du pendule après contact ?
Quelle expérience pourrait être faite pour justifier la réponse ?
4. L’EXPERIENCE DE MILLIKAN (8 POINTS)
On rappelle que pour deux corps de masses m1 et m2, de charges q1 et q2, distants de d,
l'intensité de la force d'interaction gravitationnelle qui s'exerce entre eux s'exprime par :
𝑚 .𝑚
∣𝑞 .𝑞 ∣
𝐹𝑔 = 𝐺. 1𝑑2 2 et celle de la force d'origine électrique par : 𝐹𝑒 = 𝑘. 1𝑑² 2
Données : e = 1,6×10-19 C ; G = 6,67×10-11 SI ; k = 9,0×109 SI ;
masse de la Terre : MT = 5,98×1024 kg ; rayon de la Terre : RT = 6,37×103 km
En 1911 Robert Millikan réalise une expérience historique dont le but était de déterminer la valeur de la
charge élémentaire et donc démontrer sa quantification. Ses travaux lui ont valu le Prix Nobel de physique
en 1923. L'ensemble de sa démarche ne sera pas explicitée ici.
Dans son expérience, une goutte d'huile de masse mh = 0,87 µg et de charge qh = - 10×e est observée lors
de sa chute. Dans un premier temps la goutte tombe sous l'effet de la seule pesanteur. Son mouvement
est rectiligne et uniforme car cette force est compensée par l'action de l'air.
Dans un deuxième temps, la goutte arrive dans une région située entre deux plaques électrisées
horizontales. Ces plaques produisent un champ électrique qui exerce une force sur la goutte, dirigée vers
le haut et de norme Fe = 4,3×10-9 N.
/2
1) Calculer la norme de la force gravitationnelle s'exerçant sur la goutte.
2) Par une analyse dimensionnelle, déterminer l'unité de G.
3) Dans la seconde phase, dans un premier temps, la goutte continue à descendre. Expliquer et décrire
son mouvement.
/1
/1
4) En supposant que la goutte se trouve à 3 mm d'une autre goutte identiquement chargée, calculer la
norme de la force électrique F'e qui s'exerce entre elles.
/2
5) Commentez cette valeur en la comparant d'une part à la force gravitationnelle et d'autre part à la valeur
Fe de la force produite par les plaques.
/1
6) On considère que la force F'e doit être prise en compte si elle est au moins d'un ordre de grandeur
inférieur à la plus petite des deux forces auxquelles est soumise la goutte. Quelle devrait être l'ordre de
grandeur de la distance entre les gouttes pour que leur interaction électrique doive être prise en
compte ? Commenter le résultat.
/1
CORRECTION DS PHYSIQUE N°4
1. QCM ET QUESTION DE COURS : (4,5 POINTS)
Remarque
1) Deux atomes isotopes ont : le même nombre de neutrons ; le même nombre de protons ;
le même nombre de nucléons ;
le même nombre d'électrons.
2) L'interaction gravitationnelle :
attractive ou répulsive.
est toujours attractive ;
est toujours répulsive ;
peut être
3)
Que pensez d’une
valeur sans unité ?
Surtout si vous
l’indiquez en mètre
alors que les autres
sont en cm !
4) La molécule de dichlorométhane CH2Cl2 est :
plane ;
tétraédrique ;
coudée ;
pyramidale ;
aucune de ces réponses.
5) Combien de liaisons covalentes l'atome de silicium (Z = 14) forme-t-il ? :
14 ;
8;
4;
2;
aucune de ces réponses.
6) La molécule C2Br2H2 représentée ci-contre:
possède 2 stéréoisomères ;
est l’isomère E ;
est plane ;
3. L’ACIDE SULFENIQUE (5,5 POINTS)
2.1. L’atome de soufre : Sur la formule semi développée de la molécule, on voit que l’atome de
soufre donne 2 liaisons covalentes. Ce qui signifie qu’il lui manque deux électrons pour satisfaire
la règle de l’octet : il a donc 6 électrons périphériques. Sa structure électronique est donc K2L8M6.
IL appartient donc à la sixième colonne de la classification périodique simplifiée. Il lui reste donc
4 électrons non engagés dans les liaisons covalentes soit 2 doublets non liants.
2.2. La molécule d’acide sulfénique :
a) La formule de Lewis de l’acide sulfénique est CH2=CH–CH2–S–OH.
b) Cette molécule ne présente pas d’isomérie Z/E car un des carbone de la double liaison porte
2 atomes identiques (H)
c) Autour de l’atome de soufre, la molécule est coudée ; autour d’un atome de carbone de la
double liaison, la molécule est trigonale ; autour de l’atome de carbone lié au soufre, la molécule
est tétraédrique.
Il est demandé de
rédiger un
paragraphe : ça veut
dire de lier les phrases
avec des liens logiques
pour montrer
comment vous
raisonnez.
Si vous avez eu une
réponse fausse audessus (pour les
doublets non liants du
soufre), seuls sont pris
en compte des
doublets non liants de
l’O dans cette
question.
Remarque
3. ELECTROSTATIQUE (2,5 POINTS)
Vous avez fait un
travail d’1h30 en TP
sur ces histoires de
pendule. Bilan bien
décevant : 24 % de
réussite sur cette
question !
.
1. Le pendule est d’abord attiré par le PVC les électrons sur la boule du pendule sont
repoussés au sein du pendule qui se charge par influence. Lors du contact, des
électrons passent du PVC au pendule,
2. Après contact, le pendule est chargé négativement. On pourrait le vérifier en approchant
de nouveau le PVC électrisé et voir la répulsion (ou en approchant du verre
électrisé et voir l’attraction !)
Vous devez savoir établir
une formule littérale
avec les notations du
texte : en effet, rien ne
sert de savoir recopier ce
qui est donné dans
l’énoncé si ce n’est pas
adapté au cas étudié.
4. L’EXPERIENCE DE MILLIKAN (8 POINTS)
1) La norme de la force gravitationnelle s'exerçant sur la goutte est :
𝐹𝑔 = 𝐺.
2) 𝐹𝑔 = 𝐺.
𝑚ℎ .𝑀𝑇
𝑅𝑇 2
𝑚ℎ .𝑀𝑇
𝑅𝑇 2
= 6,67. 10−11 .
𝑑𝑜𝑛𝑐 𝐺 =
0,87.10−9 ×5,98.1024
6,37.106
𝐹𝑔 .𝑅𝑇 2
𝑀𝑇 .𝑚ℎ
2
= 8,6. 10−9 𝑁
donc G est en N×m²×kg-2
3) Dans la seconde phase, la force électrique agit vers le haut et est du même ordre de
grandeur que la force la force gravitationnelle. Le mouvement est donc rectiligne ralenti.
4)
La
9,0. 109
norme
de
(10×1,6.10−19 )²
3.10−3 ²
la
force
électrique
F'e
est :
𝐹′𝑒 = 𝑘.
∣𝑞ℎ ²∣
𝑑²
= 𝑘.
∣10𝑒²∣
𝑑²
=
= 3. 10−21 𝑁.
5) La force gravitationnelle est du même ordre de grandeur que la force électrique entre
les plaques mais beaucoup plus grande que la force électrique entre les 2 gouttes d’huile.
8,6.10−9
Leur rapport donne 3.10−21 𝑑𝑜𝑛𝑐 3. 1012 . IL y a donc 12 ordres de grandeur de différence.
6) F'e doit être prise en compte si elle est plus grande que 0,1×4,3. 10−9 𝑁 donc d’environ
10-10N en ordre de grandeur.
Or 𝐹′𝑒 =
∣𝑞ℎ ²∣
𝑘. 𝑑²
donc 𝑑 =
∣𝑞 ²∣
√𝑘. 𝐹′ℎ =
𝑒
(10×10−19 )²
√109
10−10
Il n’était pas spécifié
que le pendule était
déchargé au début de
l’expérience, mais si
on ne dit pas qu’on l’a
chargé au préalable,
c’est qu’il ne l’est pas !
≈ 10−9 𝑚
La distance est forcément supérieure à 1nm qui est l’ordre de grandeur d’une molécule,
ce qui signifie que l’interaction entre les 2 gouttes chargées sera toujours négligeable
devant les autres forces.
Que veut dire « analyse
dimensionnelle » ? Fiche
là-dessus travaillée en
classe le 14/10
Toujours les 3 mêmes
pièges : les conversions,
le carré et la calculatrice
(travaillé en classe en 2nde
+ 2 tests QCM + exercices
maison…non ?)
Que veut dire les mots
« ordre de grandeur » et
« comparer » ? (travaillé
en classe non ?)
La question 6 est la
question plus difficile en
effet… (1 point sur 20 en
fin de devoir, mais
enlevée du barème en fin
de correction)