Examen Blanc N° 2

ÉCOLE, COLLÈGE ET LYCÉE PRIVÉS
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PREMIÈRE S
EXAMEN BLANC N° 2
Physique - Chimie
Avril 2013
Durée : 3 h 00
TOUT DOCUMENT INTERDIT.
L’usage de calculatrices scientifiques à mémoire est autorisé.
Les résultats numériques doivent être précédés d’un calcul littéral.
La présentation et la rédaction font partie du sujet et interviennent dans la notation.
L’épreuve est notée sur 16 points auxquels s’ajouteront les points d’épreuve pratique sur 4 points.
I ] À travers champs…. (sur 2,75 points)
A] Une exo-planète « habitable ».
« Une planète de « type terrestre habitable », capable d'abriter une vie extra-terrestre, a été détectée pour la
première fois hors de notre système solaire par une équipe d'astronomes européens, dont plusieurs Genevois.
Cette exo-planète, nommée Gliese c, qui orbite autour de l'étoile Gliese 581, à 20,5 années de lumière de la Terre,
est la première et la plus légère des quelque 200 connues à ce jour à « posséder à la fois une surface solide ou liquide et
une température proche de celle de la Terre », selon ses découvreurs.
La température moyenne de cette « super Terre est comprise entre 0,00 et 40,0 °C, ce qui autorise la présence d'eau
liquide à sa surface », selon le principal auteur de l'étude, Stéphane Udry (Genève). ».
D'après dépêche AFP / Communiqué de presse du CNRS, avril 2007.
Pour savoir si Gliese c est réellement une planète du « type terrestre habitable », on cherche à déterminer la valeur
de l'intensité du champ de pesanteur local à sa surface.
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Données : Caractéristiques de la planète Gliese c : Masse estimée : MC = 3,00.10 kg. Rayon estimé : RC = 9,60.10 m.
–11
uSI.
Constante de gravitation universelle : G = 6,67.10
1. Donner l'expression littérale de l'intensité F de l'action gravitationnelle F , exercée par la planète Gliese c sur un objet
A, de masse m, situé à l'altitude h, en fonction de MC, m, RC, h et de la constante de gravitation universelle G.
F
2. La valeur g du champ de gravitation g est définie par la relation : g =
.
m
2.1. Donner l'expression littérale de la valeur g0 c du champ de gravitation g 0 c à la surface de la planète Gliese c, en
fonction de MC, RC et de la constante de gravitation universelle G.
2.2. Calculer la valeur numérique de g0 c.
-2
2.3. Comparer g0 c à l'intensité du champ de pesanteur local terrestre : g0 = 9,81 m.s .
2.4. Gliese c peut-elle être effectivement considérée comme une planète du « type terrestre habitable » ?
B] Champ magnétique à Paris.
L'étude du champ magnétique terrestre à Paris fait apparaître une composante horizontale, dont la valeur est :
–5
–5
Bh = 2,00.10 T, dirigée vers le pôle Nord magnétique, et une composante verticale, de valeur : Bv = 4,20. 10 T, dirigée
vers le centre de la Terre.
1. Comment peut être modélisé le champ magnétique terrestre ?
2. Représenter les composantes du vecteur champ magnétique terrestre à Paris, noté B P, ainsi que le vecteur B P
correspondant.
3. En déduire la valeur BP du vecteur B P et celle de son angle α avec la verticale locale.
II ] De l’énergie. (sur 3,75 points)
A] Service gagnant.
Au service, un joueur de tennis frappe, à l'instant de date t0 = 0,00 s, une balle de masse m = 58,0 g, supposée à
-1
une hauteur h = 2,40 m au-dessus du sol, et lui communique alors une vitesse de valeur : v0 = 116 km.h .
On modélise la situation en représentant la balle par un corps ponctuel B en mouvement de chute libre, c'est-à-dire
dès que la balle n'est plus en contact avec la raquette.
... / ...
1. Calculer les valeurs de l'énergie cinétique Ec (t0) et de l'énergie potentielle de pesanteur Epp (t0) de la balle à l'instant
de date t0, en choisissant Epp(B) = 0,00 J à l'altitude du terrain.
2. Déterminer les valeurs de l'énergie cinétique Ec (t1) et de l'énergie potentielle de pesanteur Epp (t1) de la balle à
l'instant de date t1 quand elle touche le terrain en I.
3. En déduire la valeur v1 de la vitesse de la balle lors de l'impact sur le sol en I.
4. En réalité, la vitesse d'impact v’1 est-elle inférieure, supérieure ou égale à la valeur v1 ? Justifier.
B] Étude d’une fusée expérimentale.
Une simulation a permis de tracer les courbes d'évolution au cours du temps de l'énergie mécanique Em,de l'énergie
cinétique Ec et de l'énergie potentielle de pesanteur Epp d’une fusée expérimentale. On modélise la fusée par un solide
ponctuel F de masse mF = 50 kg en chute libre. Son mouvement est supposé rectiligne.
On prend Epp = 0,00 J au niveau de la surface du sol.
1. Attribuer à chaque courbe de la modélisation ci-dessous l'énergie dont elle traduit les variations. Justifier.
2. Décrire le mouvement de F.
3. Déterminer l'altitude de départ h0 de F ainsi que l'altitude maximale hmax atteinte par F par rapport à la surface du sol.
4. Quelle est la vitesse de F lorsque la fusée arrive au sol ?
III ] Économies d’énergie. (sur 4,00 points)
A] Énergie d’un lave-vaisselle.
Dans les directives de l'Union européenne établissant les normes en vigueur, on définit pour chaque lave-vaisselle
une puissance de référence Préf dont la valeur se calcule, en kW, selon la règle suivante :
Soit S le nombre de couverts à laver : si S ≤ 9, alors : Préf = 0,450 + 0,0900.S ; si S ≥ 10, alors : Préf = 1,35 + 0,0250.S.
P
,où P est la puissance électrique du lave-vaisselle :
On classe ensuite chaque lave-vaisselle en se référant au rapport : k =
Préf
Classes
A
B
C
Valeurs de k
k < 0,640
0,640 ≤ k < 0,760
0,760 ≤ k < 0,880
1. Quelles sont les formes d'énergie utile fournies par le lave-vaisselle ?
2. 2.1. Calculer la puissance de référence d'un lave-vaisselle de 10 couverts.
2.2. Calculer la puissance de référence d'un lave-vaisselle de 9 couverts.
3. 3.1. Le rapport k est-il un rendement ? Justifier.
3.2 Les lave-vaisselle qui ont le meilleur rendement énergétique sont-ils ceux dont la valeur de k est la plus petite ? Justifier.
4. 4.1. Un lave-vaisselle de 10 couverts utilise une puissance de 1,00 kW. À quelle classe appartient-il ?
4.2. Quelle est la puissance maximale tolérée pour qu'un lave-vaisselle de 10 couverts appartienne à la classe A ?
B] Transport de l’électricité.
Le transport de l’électricité nécessite l'utilisation de câbles possédant une résistance électrique. En raison de l'effet Joule, une
certaine quantité d'énergie est dégradée. La tension est élevée, avant son transport, grâce à un transformateur.
1. Sous quelle forme est convertie l’électricité dégradée par effet Joule ?
2. Rappeler l'expression de la puissance dissipée par effet Joule en
fonction de l'intensité du courant électrique qui circule dans les câbles.
3. La résistance électrique totale d'un câble de haute tension de 100 km est
de 5,00 Ω. La tension électrique aux bornes du transformateur est de 400 kV et
le courant électrique délivré a pour intensité 50,0 A.
3.1. Calculer la puissance électrique délivrée par le transformateur.
3.2. Calculer la puissance dissipée par effet Joule.
3.3. Quelle puissance électrique est récupérée en bout de ligne ?
3.4. En déduire le rendement du transport sur 100 km.
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IV ] Véhicule au GPL. (sur 3,25 points)
Un véhicule au GPL (gaz de pétrole liquéfié) a une consommation de carburant liquide de 8,50 L aux 100 km, soit un
volume plus grand que celui d'un véhicule à essence SP98. Toutefois, la combustion du GPL, composé en volumes de
liquides à 50 % de propane et de butane, est moins productrice de CO2 que l'essence, contenant de l'heptane et de
l'octane.
1. Calculer les quantités de matière de propane et de butane liquides consommées pour parcourir 100 km.
2. Écrire les équations de combustion du propane et du butane gazeux.
3. En déduire la quantité de matière de CO2 gazeux produite pour parcourir 100 km.
4. Calculer, en grammes, la production de CO2 gazeux lors du trajet.
5. Conclure en comparant la production de CO2 gazeux des véhicules à essence SP98 et à GPL pour un même trajet.
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Données : Masse volumique du propane liquide : ρpropane = 0,515 kg.L .
-1
Masse volumique du butane liquide : ρbutane = 0,585 kg.L .
-1
4
Production de CO2 gazeux lors de la combustion du SP98 : 2,20 kg.L soit : 1,30.10 g aux 100 km.
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Masses molaires atomiques : H = 1,00 ; O = 16,0 ; C = 12,0 g.mol .
V ] Chaîne énergétique d’un groupe électrogène. (sur 2,25 points)
Un groupe électrogène, actionné par un moteur thermique, fournit une puissance électrique de 5,00 kW. Il consomme
25,0 L d'essence en 14 h.
1. Rappeler la propriété énergétique d'un convertisseur au sein d'une chaîne énergétique.
2. Établir la chaîne énergétique d'un groupe électrogène en considérant simplement un réservoir initial, un seul
convertisseur et deux réservoirs finaux : l'utilisateur de l'électricité fournie et l'environnement.
3. Calculer l'énergie libérée lors de la combustion des 25,0 L d'essence.
Sur quelle flèche de la chaîne énergétique du 2. se trouve cette énergie transférée ?
4. Calculer l'énergie fournie par transfert électrique en 14 h.
5. Définir et calculer le rendement de conversion du convertisseur.
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Données : Énergie de combustion de l'essence : 47,3 MJ.kg ; Masse volumique de l'essence : 0,730 kg.L .