eval02-ts-ch01-02-03-04

Devoir TS 02
Exercice 1 : Activité sismique en France
1. Dans le document 1, on parle « d’ondes transversales » et « d’ondes longitudinales ».
Définir ce qu’est une onde progressive, puis distinguer chaque terme entre guillemets.
2. En utilisant des informations du Document 1, associer à chaque train d’ondes observé sur le
sismographe du Document 3, le type d'ondes détectées (ondes S ou ondes P). Justifier.
3. Relever sur ce document les dates d'arrivée des ondes S et P à la station d'enregistrement
notées respectivement ts et tp.
4. Soit d la distance qui sépare la station d'enregistrement du lieu où le séisme s'est produit.
Exprimer la célérité notée vS des ondes S en fonction de la distance d parcourue et des dates
ts et t0. Faire de même pour les ondes P avec les dates tp et t0.
5. Retrouver l'expression de la distance d :
𝑣 .𝑣
𝑑 = 𝑣 𝑆−𝑣𝑃 (𝑡𝑆 − 𝑡𝑃 )
𝑃
𝑆
6. En déduire la valeur numérique de cette distance d.
7. La magnitude sur l’échelle de Richter du séisme qui a touché le Japon en mars 2011 a été
évaluée à 9,0. Quel est le rapport des énergies libérées entre le séisme qui a touché le Japon
et celui de Roulans ?
Donnée : 𝑦 = 𝑙𝑜𝑔 𝑥 ⟺ 𝑥 = 10𝑦
8. Lors de certains séismes, on peut même enregistrer le son provoqué par les vibrations de la
croûte. Durant le séisme de magnitude 9 qui a frappé le Japon, des chercheurs espagnols ont
pu enregistrer des niveaux sonores allant de 100 à 140 dB. Quel est l’écart d’intensité entre
les sons plus faibles et les sons les plus forts ?
Exercice 2 : Passage de la lumière par une fente.
Une lumière monochromatique est émise par un laser de
longueur d’onde d’émission λ = 560 nm. Cette lumière
pénètre dans une fente d’ouverture a située à une distance D
d’un écran blanc. On observe alors sur l’écran une tache
centrale de largeur L, et d’autres tâches secondaires moins
lumineuses de part et d’autre de cette tâche centrale.
Nature de la lumière :
1. Comment se nomme le phénomène mis en évidence ici ? Justifier.
2. Quel doit être l’ordre de grandeur de l’ouverture a pour pouvoir observer ce phénomène ?
3. Que prouve ce phénomène quant à la nature de la lumière ? Où rencontre-t-on ce genre de
phénomène physique ?
4. Définir précisément le terme monochromatique.
Mesure de l’ouverture a :
5. Exprimer la demi-ouverture angulaire θ du faisceau en fonction des grandeurs L et D.
Rappel : tan(θ) = θ si θ est petit
6. Donner la relation liant θ, a et λ.
7. En déduire l’expression de la taille de l’ouverture a, puis calculer sa valeur.
Conditions : l’écran se trouve à 1,6 m de l’ouverture.
La taille de la tache centrale est de 1,4 cm.
Etude graphique :
8. On modifie l’ouverture a de la fente et on trace alors la
courbe donnant θ = f (1/a). Montrer que la courbe obtenue
est en accord avec la formule donnée à la question 6.
9. Retrouver grâce à ce graphe la longueur d’onde du laser.
Système à deux fentes :
10. On remplace l’écran par un obstacle dans lequel se trouvent
placées deux fentes parallèles. Quel phénomène observe-t-on
alors ?
11. Expliquer qualitativement pourquoi l’intensité de la lumière est
maximale pour y = 0 sur l’écran placé derrière les deux fentes.
Exercice 3 : spectres UV-visible et IR
Spectre et formule de l’éosine.
Voici le spectre UV-visible de la molécule d’éosine (désinfectant coloré), en solution dans l’éthanol à
une concentration molaire inconnue. L’épaisseur traversée est de 1,0 cm.
Le coefficient d’extinction molaire vaut 𝜀 = 1,2. 105 𝐿. 𝑚𝑜𝑙 −1 . 𝑐𝑚−1
1. Pourquoi parle-t-on de spectre UV-visible ?
2. Quelle est la couleur de la solution d’éosine ? Justifier.
3. Quelle est la concentration molaire de la solution d’éosine ?
La formule de l’éosine Y est la suivante :
4. Entourer la fonction carbonyle présente dans la molécule.
5. L’éosine Y peut être synthétisée à partir de l’acide 2-méthyl-butanoïque et de la 2,4dibromopentan-3-one. Donner la formule semi-développée, puis topologique de ces deux
molécules.
Spectres du paracétamol.
On fournit les spectres UV-visible et IR de la molécule de paracétamol.
6.
7.
8.
9.
Entourer et nommer les groupes caractéristiques dans la molécule de paracétamol.
Le paracétamol est-il une espèce colorée ? Justifier.
Attribuer aux bandes a, b, c, d, et e, du spectre IR les liaisons correspondantes. Justifier.
Comment se spectre sera-t-il modifié en phase condensée ? Justifier.
Tableau de quelques bandes d'absorption avec l'intensité correspondante de l'absorption (F: forte,
M: moyen)
Exercice 4 : Spectres de RMN 1H
Spectre d’une molécule connue.
On considère la molécule ci-contre :
1. Donner sa formule topologique.
2. Nommer cette molécule.
3. Comment se nomme le groupe fonctionnel de cette molécule ?
4. Indiquer grâce à leur numéro les protons considérés comme équivalents pour un spectre
RMN.
5. Parmi les spectres RMN suivants, indiquer celui qui correspond à cette molécule. Justifier.
6. Comment se nomme la grandeur δ ? Que représente-t-elle ?
7. Donner la formule semi-développée d’un isomère de cette molécule et le nommer.
Spectre d’une molécule inconnue.
A l’issue d’une réaction chimique de synthèse, on récupère un
mélange non identifié. Après analyse, on obtient le spectre
RMN du proton de la molécule majoritaire dans le mélange (cicontre). Parmi les molécules possiblement présentes (réactifs
et produits) on a : la butan-2-one, l’acide propanoïque, le
propan-1-ol.
8. Ecrire la formule semi-développée de chacune des trois
molécules citées.
9. En analysant le nombre de signaux que présente le spectre, peut-on « éliminer » des
molécules. Lesquelles et pourquoi ?
10. En analysant la multiplicité des protons équivalents de chaque molécule, peut-on
« éliminer » des molécules. Lesquelles et pourquoi ?
11. La courbe d’intégration reliée au singulet du spectre informe que ce signal est envoyé par un
seul proton. En quoi cette information nous permet-elle de conclure avec certitude.
Exercice 5 : Etude d’un sondeur
Les sondeurs sont des appareils de détection sous-marine utilisés au quotidien par les plaisanciers et
les pêcheurs. Ils permettent par exemple de localiser un poisson en représentant sur un écran sa
profondeur sous l’eau.
L’appareil est relié à une sonde supposée placée à la surface de l’eau qui envoie des impulsions
ultrasonores dans l’eau en forme de cône avec une intensité maximale à la verticale de la sonde. Le
signal réfléchi par le poisson appelé écho est capté par la sonde puis analysé par l’appareil en mesurant
par exemple la durée entre l’émission et la réception ainsi que l’intensité de l’écho.
Le sondeur étudié dans cet exercice est embarqué dans un bateau immobile par rapport au fond marin.
Données :
- salinité de l’eau : S = 35 ‰ (pour mille) ;
- température de l’eau : θ = 10°C ;
- fréquence de l’onde ultrasonore du sondeur : f = 83 kHz ;
- ordre de grandeur de la taille d’une sardine adulte : 10 cm ;
- ordre de grandeur de la taille d’un thon adulte : 1 m.
Le candidat est invité à se référer aux informations données à la fin de l’exercice.
1. Après avoir justifié l’importance d’un capteur de température dans un sondeur, déterminer la
valeur de la vitesse de propagation du son dans l’eau pour le sondeur parmi les valeurs
suivantes :
1470 m.s-1
1525 m.s-1
1490 m.s-1
2. En utilisant le document relatif à la réflexion des ondes acoustiques, déduire, en justifiant la
réponse, si le sondeur étudié sera plus performant pour détecter un thon ou pour détecter
une sardine, tous deux supposés à la même distance et perpendiculaires à la verticale de la
sonde.
3. Déterminer la valeur de la profondeur d à laquelle est situé le poisson si la durée ∆t mesurée
par le sondeur entre l’émission du signal et la réception de l’écho après réflexion sur un
poisson est égale à 32 ms.
4. Justifier la forme en « accent circonflexe » du signal observé sur l’écran du sondeur quand le
poisson traverse horizontalement à vitesse constante le cône de détection du sondeur.
5. Quelle plage de mesure permet de déterminer la position du poisson avec la meilleure
précision ? Justifier la réponse.
6. À quel(s) instant(s) une mesure basée sur l’effet Doppler permettra-t-elle d’évaluer la vitesse
de déplacement du poisson ? Justifier la réponse.
Vitesse de propagation du son dans l’eau :
La vitesse de propagation vson du son dans l’eau varie en fonction de plusieurs paramètres du milieu :
température, salinité S (masse de sels dissous dans un kilogramme d’eau, exprimée ici en ‰) et
pression c'est-à-dire la profondeur.
Pour de faibles profondeurs, nous pouvons utiliser le modèle de Lovett suivant :
Réflexion des ondes acoustiques :
L’écho reçu après la réflexion d’une onde acoustique sur un poisson nécessite un traitement spécifique
pour être interprété. En effet de nombreux facteurs influent sur l’intensité et la direction de
propagation du signal.
Avant tout, la géométrie du système influe sur le signal, aussi bien celui émis par le sondeur que celui
réfléchi par le poisson. Le poisson qui sert de réflecteur modifie l’onde de différentes façons. Si
l’organisme marin est petit par rapport à la longueur d’onde, l’onde est réfléchie de façon très peu
directionnelle, il se comporte comme un point diffusant et sa forme réelle a peu d’influence. Si sa taille
est plus grande que la longueur d’onde alors la réflexion est directionnelle. Selon l’orientation du
poisson, son anatomie et sa position par rapport à l’axe du signal émis, l’écho est plus ou moins
déformé.
Pour la science, n°436, Février 2014
Image donnée par le sondeur :
Plage de mesure verticale du sondeur (profondeur) : de 0 à pmax = - 50 m ou de 0 à
pmax = -100 m.
Définition de l’image : 160 pixels verticaux.
Incertitude sur la définition de l’image : 1 pixel.
Le schéma ci-dessous transcrit l’image donnée à l’écran du sondeur pour trois dates successives
lorsque le poisson étudié traverse à vitesse horizontale constante le cône de détection.
Chaque fois qu’une nouvelle mesure est effectuée par le sondeur, les anciennes se déplacent
horizontalement vers la gauche sur l’écran, ce qui donne une impression de défilement.
Les dimensions mesurées verticalement sur l’écran sont proportionnelles aux distances réelles. Le
niveau 0 (surface de l’eau) correspond au haut de l’écran.
On considèrera que la taille du poisson est négligeable devant la profondeur mesurée.
Effet Doppler lors d’une réflexion sur une cible mobile :
Lors de la réflexion sur un obstacle en mouvement, la fréquence de l’onde réfléchie est différente de
celle de l’onde incidente de fréquence f.
La valeur absolue de la variation de fréquence |∆f| est donnée par : |∆f| =
avec :
2v cos 
×f
c
- v, la vitesse de déplacement de l’obstacle par rapport à la source ;
- c, la vitesse de propagation de l’onde ;
- α, angle entre la direction de déplacement de l’obstacle et celle de propagation de
l’onde entre l’obstacle et l’observateur.