Dissolution, alcools, champs et énergies

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Devoir de Sciences Physiques nÀ5
L’épreuve dure 55 minutes. L’usage de la calculatrice est autorisé.
PARTIE CHIMIE (8 points)
Exercice I : préparation d’une solution aqueuse de sulfate de fer (III) (4 points)
Le sulfate de fer (III) est un solide ionique de couleur rouge-orangée, de formule Fe
2
(SO
4
)
3
et de masse
molaire M = 399,9 g.mol
-1
. On l’utilise pour le traitement des eaux et en jardinage. On pèse 4,00 g de ce
solide avec lequel on réalise une solution aqueuse de volume 250 mL.
1. Quelle est la concentration c de soluté apporté dans la solution ?
2. Ecris l’équation de la dissolution dans l’eau.
3. Exprime et calcule les concentrations des ions en solution après dissolution.
4. Etablis la liste du matériel nécessaire pour préparer cette solution.
Exercice II : identification et représentation d’un alcane (4 points)
Un alcool a pour masse molaire M = 74 g.mol
-1
.
1. Détermine la formule brute de cet alcool.
2. Donne les représentations (topologiques ou semi développées, au choix) et les noms des différents
isomères qui peuvent correspondre à cet alcool.
3. Lequel, parmi ces isomères, aura la température d’ébullition la plus basse ? Justifie.
Masses molaires (g.mol
-1
) : Carbone : 12,0 Oxygène : 16,0 Hydrogène : 1,0
PARTIE PHYSIQUE (12 points)
Exercice III : notion de champ, le champ de pesanteur terrestre (3 points)
1. Représente le champ de pesanteur sans soucis d’échelle aux points A et B sur les deux schémas suivants :
2. Le champ de pesanteur terrestre est-il un champ vectoriel ou scalaire ? Justifie.
3. Le champ de pesanteur terrestre est-il uniforme autour de la Terre ? à l’échelle humaine quotidienne ?
Justifie.
A
B
B
A

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Exercice IV : mesure historique de l’intensité de la pesanteur sur Terre (4 points)
Les premières mesures de la norme du champ de pesanteur ont été effectuées avec des pendules à partir du
XVIIIème siècle. Un pendule est un dispositif constitué d’un fil de longueur variable « L ». L’extrémité haute
du fil est fixe. Une masse ponctuelle est attachée à l’extrémité basse et peut ainsi osciller.
La période « T » des oscillations d’un tel dispositif est donnée par la relation g
L
2πT= où « L » est la
longueur du fil et « g » l’intensité de la pesanteur du lieu.
1. D’après l’expression proposée, la période d’un pendule dépend-elle de la masse suspendue utilisée ?
2. Montre que 2
2
T
L4
g×π =
3. Les premières mesures, prises sans grande précision, donnaient une période T = 2,0 s pour une
longueur de fil de L = 1,0 m. Calcule la valeur de la norme du champ de pesanteur à partir de ces
mesures. Commente la précision de la valeur obtenue ? Justifie.
Des mesures plus précises, prises en différents points du globe terrestre, montrèrent plus tard que pour une
même longueur de fil L = 1,000 m, les périodes étaient légèrement différentes entre l’équateur et les pôles :
Téquateur = 2,009 s et Tpôles = 2,004 s
4. Calcule les valeurs de l’intensité de la pesanteur g à l’équateur puis aux pôles.
5. Qu’a-t-on pu déduire de ces différences ? Justifie ta réponse.
Exercice V : pendule simple et énergies mécaniques (5 points)
Un pendule simple est constitué d’une bille de masse m = 30 g suspendue
à l’extrémité d’un fil inextensible de masse négligeable. L’autre extrémité
du fil est accrochée en un point O fixe dans le référentiel terrestre.
Le repère (G0 ; x ; z) est orienté comme indiqué sur la figure ci-contre.
L’altitude de G0 est prise pour référence des énergies potentielles de
pesanteur.
1. Rappelle l’expression de l’énergie potentielle de pesanteur du
pendule en fonction de l’altitude z. Précise les unités.
2. Pour quel angle θ entre le fil et la verticale l’énergie potentielle du pendule est-elle nulle ? Justifie.
On écarte la bille de sa position d’équilibre d’un angle θmax. Le point G est alors à l’altitude z = 20,0 cm.
3. Calcule l’énergie potentielle de pesanteur du pendule dans cette position, notée A.
On lâche alors la bille, et le pendule se met à faire des oscillations. Si l’on considère que, la vitesse de
déplacement de la bille étant faible, tout type de frottement est négligeable :
4. Calcule la vitesse de la bille lorsqu’elle passe à sa position d’équilibre G
0
. Justifie.
5. A quelle hauteur la bille va-t-elle monter de l’autre côté avant de redescendre ? Justifie.
Dans la cadre d’une séance de TP, on filme ce mouvement du pendule d’une extrémité à l’autre (appelé
« demi-période d’oscillation »), on réalise le pointage de la vidéo et on crée dans un tableur les courbes
d’énergies cinétique, potentielle de pesanteur et mécanique.
6. Représente et nomme les allures des trois courbes d’énergies obtenues sur l’annexe 1 à rendre.
7. Dans la réalité, le frottement de l’air n’est pas vraiment négligeable. Représente à nouveau les allures
des trois courbes d’énergie sur l’annexe 2 à rendre avec la copie.

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Nom et prénom :
Annexes : allures des courbes d’énergies
Cas n°1 : oscillations du pendule sans frottement
Cas n°2 : oscillations du pendule avec frottement
0
E
PP
, E
C
, E
M
x
0
E
PP
, E
C
, E
M
x