Corrigé de l`épreuve commune - Collège Maison Blanche

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Collège Maison Blanche
Clamart
Mercredi 27Avril 2011
Épreuve commune de Physique-Chimie
Durée de l’épreuve : 1 heure.
L’usage de la calculatrice est autorisé.
Tous les résultats numériques devront être donnés en écriture scientifique !
Note
40
Observations
Dans chaque partie, la plupart des questions sont indépendantes : elles peuvent donc être traitées séparément.
LES AVENTURES SCIENTIFIQUES DE TINTIN ET MILOU ...
PARTIE 1 : OBJECTIF LUNE 19,5 points
Dans l'album « Objectif Lune », le professeur Tournesol, scientifique réputé, met en œuvre l'une de ses idées les
moins farfelues : organiser une expédition lunaire. De nombreux travaux préliminaires sont nécessaires pour que ce
voyage, une première mondiale, se passe dans les meilleures conditions possibles.
A l'aide d'un logiciel de simulation informatique, il se lance donc dans de nombreux calculs et cherche à étudier
dans un premier temps les phases de décollage et d'atterrissage. Il se penche également sur le mouvement de la Lune
autour de la Terre afin d'établir l'itinéraire de ce voyage et sur la conception d’un véhicule permettant de rouler sur
la Lune !
1- Le décollage de la fusée
a) Pour que la fusée quitte la Terre, il est nécessaire de lui fournir une très grande poussée à l'aide des réacteurs.
Pourquoi ?
La vitesse de la fusée doit être suffisante pour échapper à l’attraction terrestre
b) Quelle serait la trajectoire de la fusée si les moteurs
tombaient en panne lors de la phase de décollage ?
(Cocher la(les) bonne(s) réponse(s)) Justifier.
La fusée serait attirée par le centre de la Terre ( attraction
gravitationnelle)
2- Le mouvement de la Lune autour de la Terre …
Le document ci-contre est une copie de l'écran de
l'ordinateur du professeur Tournesol. Il représente le
système {Terre – Lune}. Notre professeur
observe donc le mouvement de la Lune autour
de la Terre en fonction des données qu'il a
programmées.
Corrigé
de l’épreuve
La fusée flotte dans l’espace
(Une couleur par cas)
Légende
:
Cas n°1
Cas n°2
Cas n°3

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a) Quel doit être le mouvement de la Lune autour de la Terre lorsque la simulation est correctement
programmée ?
Le mouvement de la Lune autour de la Terre doit être un mouvement (presque) circulaire
b) Ce logiciel permet de « lancer la Lune sur le côté ». On appelle vLune la vitesse réelle de la Lune. Représenter la
trajectoire de la Lune pour chacune des trois vitesses du tableau. Compléter la légende.
c) En utilisant les connaissances ainsi que les réponses aux questions précédentes, expliquer pourquoi la Lune
gravite autour de la Terre.
la Lune gravite autour de la Terre car elle est soumise à l’attraction gravitationnelle et à la force
d’inertie (ou elle a une vitesse)
3- Système {Terre – Lune} et fronde
Pour expliquer à Tintin et Milou ce phénomène, le professeur Tournesol décide de réaliser une
expérience : il prend une petite bille de plomb accrochée à un fil souple et la fait tourner dans l'air.
a) Le fil exerce-t-il une action sur la bille de plomb ? La bille de plomb exerce-t-elle une action sur le
fil ? L’intensité des ces deux actions est-elle identique ? S’agit-il d’actions à distance ou de contact ?
Justifier.
Le fil exerce une action attractive sur la bille et la bille exerce une action attractive sur le fil. Ces deux actions ont la
même intensité et ce sont deux actions de contact.
b) Quelle(s) ressemblance(s) et quelle(s) différence(s) existe-t-il entre le mouvement de la boule de plomb autour
de la main et celui de la Lune autour de la Terre ?
Ressemblances : la trajectoire est circulaire et l’objet tourne autour de quelque chose
Différences : le fil retient la bille alors que la Lune n’est pas retenue par la Terre, les actions fil-bille sont des
actions de contact et les actions Lune-Terre sont des actions à distance
4- Retour sur Terre
L'étape critique de ce voyage est l'atterrissage, au retour sur Terre. En effet, les réserves de
carburant étant calculées au plus juste, nos aventuriers n'auront pas le droit à l'erreur. Le
professeur Tournesol accorde donc beaucoup d'importance à la préparation de cette étape. Il
effectue alors une étude énergétique de la situation.
Principe de l'atterrissage de la fusée : étape 1, la fusée se met en position d'atterrissage, comme
représenté sur le dessin de ci-contre. Etape 2, la fusée doit rejoindre la surface de la Terre, sans
dommages (l'atterrissage doit s'effectuer en douceur).
a) Quelles sont les formes d’énergie que possède la fusée à l’étape 1 ?
A l’étape 1, la fusée possède de l’énergie cinétique et de l’énergie de position
b) Quelle doit être la vitesse de la fusée au moment où elle touche le sol ? Pourquoi ?
La vitesse de la fusée doit être nulle au moment où elle touche le sol pour ne pas s’écraser (pas de conversion
d’énergie cinétique en déformation)
c) Au sol, quelle est alors la valeur de l'énergie cinétique ? de l'énergie de position ? Justifier.
Au sol l’énergie cinétique est nulle( vitesse nulle) et l’énergie de position est nulle( hauteur nulle)
. Que se passe-t-il pour l’énergie mécanique au cours de l’atterrissage ?
l’énergie mécanique diminue au cours de l’atterrissage
(frottements)
5- Des simulations qui tournent mal
Lors des simulations, Tournesol renverse son verre
contenant une citronnade sur le clavier de son ordinateur
provoquant un court-circuit.
a) Donner la définition d’isolant électrique.
Un isolant ne laisse pas passer le courant électrique
b) Expliquer le phénomène observé sur le clavier de
l’ordinateur.
La solution est conductrice de l’électricité, ce qui
entraîne un court-cicuit
c) Dans le cadre ci-dessus, schématiser un montage permettant de vérifier cette propriété.
Schéma :
A
citronnade
+ -

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d) Si Tournesol avait renversé de l’eau sucrée, qu’aurait-on observé ? Expliquer en indiquant la différence de
constitution chimique entre ces deux solutions ?
On n’aurait pas observé de court-circuit car l’eau sucrée n’est pas conductrice de l’électricité car elle ne contient pas
d’ions mais des molécules
PARTIE 2 : ON A ROULÉ SUR LA LUNE ! ! ! 20,5 points
Une fois arrivés sur la Lune, l’objectif du professeur Tournesol est que les 2
inspecteurs, Dupont et Dupond, puissent mener leur « enquête » en se
déplaçant à l’aide d’une « jeep » particulière. Il s’agit d’un véhicule
d’apparence simple. Il n’y a ni toit, ni portières, ni pare-brise, ni pare-chocs,
ni capot.
Le châssis est fabriqué de morceaux rectangulaires en alliage soudés. Il est
articulé en trois sections, car la « jeep » doit être entièrement repliée sur elle-
même afin d’être embarquée dans la soute du module lunaire.
Elle est longue de 3 m, possède un empattement de 2,3 m et une hauteur hors tout de 101 cm. Son poids est
ridiculement bas à seulement 20730 dag à vide et peut transporter plus de 490 kg de charge utile à la vitesse
maximale de 14 km/h grâce à quatre moteurs électriques.
Afin de savoir si la « jeep » est appropriée, le professeur Tournesol effectue une série de tests sur celle-ci.
1- Une erreur s’est glissée
Corriger la phrase « Son poids est ridiculement bas à seulement 20730 dag à vide ». Justifier.
« Sa masse est ridiculement basse à seulement 20730dag à vide » car le dag est une unité de masse
2- Un peu de gravité
Tintin voudrait aider le professeur Tournesol à mener ces tests et se pose les questions suivantes :
Choisir la(les) bonne(s) réponse(s) en barrant ce qui est faux
a) La gravitation est une action à distance qui s’exerce entre deux corps :
- qui possèdent une masse.
- qui possèdent une charge électrique.
- qui sont aimantés.
b) La gravitation est une action à distance qui est :
- toujours attractive.
- toujours répulsive.
- parfois attractive et parfois répulsive.
c) Si la distance entre deux objets augmente alors l’interaction gravitationnelle entre ces deux objets :
- augmente.
- diminue.
- ne change pas.
3- Le poids d'un objet
a) Qu'est ce que le poids d'un objet sur Terre ?
Le poids est une action attractive exercée par la Terre sur un objet
b) Quelle relation lie le poids et la masse d'un objet ? Préciser le nom de chaque terme et son unité (nom et
symbole).
P = m x g
P : poids en newton(N)
m : masse en kilogramme(kg)
g : intensité de la pesanteur en newton par kilogramme(N/kg)
c) Avec quel instrument mesure-t-on le poids d'un objet ? Cocher la ou les bonne(s) réponse(s).
□ Un dynamomètre □ Une balance □ Une calculatrice □ Un tachymètre
d) Calculer le poids de la « jeep » sur la Lune. Justifier le calcul et donner le résultat à 0,1 près .
m = 20730dag = 207,3kg
P = m x g = 207,3 x 1,6 = 331,7N
e) La valeur du poids serait-elle la même sur la Terre ? plus petite ? plus grande ? Pourquoi ?
La valeur du poids serait plus grande car l’intensité de la pesanteur sur la Terre est plus grande : gTerre=6 x gLune
Données : gTerre= 10 N/kg gLune = 1,6 N/kg

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4- Mettons de la distance
Tintin et le professeur Tournesol souhaitent connaître la distance d’arrêt de la « jeep » lorsque celle-ci a atteint sa
vitesse maximale et en considérant que les inspecteurs ont un temps de réaction tR=1,2 s.
La distance de freinage d’un véhicule sur route sèche se calcule par la relation DF=k×v2 avec DF exprimée en m et v
en m/s, k étant un coefficient qui dépend du contact entre les pneus et la route.
On note DR la distance parcourue par le véhicule pendant le temps de réaction tR du conducteur.
a) Calculer la vitesse maximale v en m/s.
V(m/s) = v(km/h) : 3,6 = 14 : 3,6 = 3,9 m/s
b) Exprimer la distance d’arrêt DA en fonction de DF et Dr.
DA= DF + DR
c) Calculer la distance d’arrêt pour la « jeep » sur route sèche pour laquelle k=0,07. (en m à 0,1 près)
DF = k x v2 = 0,07 x 3,92 = 1,1m
Dr = v x tr = 3,9 x 1,2 = 4,7m
DA = 1,1 + 4,7 = 5,8m (5,7 m est la « vraie réponse si on ne fait pas de calculs intermédiaires)
La distance d’arrêt de la « jeep » sur route sèche vaut 5,8m
d) Calculer cette distance sur le sol lunaire, k valant alors 0,035. Justifier et conclure.
DF = k x v2 = 0,035 x 42 = 0,53m
Dr = 4,7m
DA = 0,53 + 4,7 = 5,23m = 5,2m
La distance d’arrêt sur la Lune est plus faible que sur la Terre car la distance de freinage sur la Lune est plus faible.
5- Et le châssis dans tout ça
Le capitaine Haddock est surpris par les caractéristiques de la « jeep » et se demande quel est cet alliage qui rend ce
véhicule si léger.
a) Donner la définition d’un alliage. Donner un exemple.
C’est un mélange d’au moins un métal avec un ou plusieurs autres éléments
Exemple : acier, bronze….
b) Le capitaine voudrait vérifier si le châssis de la « jeep » contient du fer. Quelle expérience peut-il
réaliser ?que se passe-t-il s’il en contient ?
Il utilise un aimant, si l’aimant est attiré alors la carrosserie contient du fer
c) Le fer est un bon conducteur électrique. Quel autre métal est utilisé pour sa propriété conductrice et dans la
plomberie ? Donner un autre exemple d’utilisation pour ce métal.
Le cuivre est conducteur de l’électricité et il est utilisé dans les fils électriques, les casseroles …
6- Et pourtant, elle bouge !
Le capitaine est très inquiet en voyant la « jeep » se déplacer.
a) Calculer l’énergie cinétique de la « jeep » lorsqu’elle atteint sa vitesse
maximale. Justifier le calcul arrondir à l’unité.
v = 4m/s
Ec = ½ x m x v2 ; m en kg et v en m/s
Ec = ½ x 207,3 x 3,92 = 1576J = 1,576 x 103J
b) Tintin explique au capitaine que la « jeep », même à l’arrêt sur la Terre,
parcourt une grande distance. Aider Tintin à convaincre le capitaine.
La Terre est en mouvement par rapport au Soleil( 1 tour en 365 jours) donc elle parcourt une grande distance autour
du Soleil et la « jeep » qui est sur son sol aussi.
Mille milliards de tonnerre de
Brest cette « jeep » manque
d’énergie, ma parole !
Elle n’avance à rien !