Sujet

Durée : 3H Mardi 26 janvier 2016 Première S 1
Page 1
Devoir Surveillé n°3
de Physique-Chimie
Toute réponse devra, dans la mesure du possible, être justifiée par un calcul ou un raisonnement
rédigé. Le soin apporté à la copie et aux schémas sera pris en compte dans la notation.
L’usage d’une calculatrice est autorisé.
Ce sujet comporte 5 exercices, qui sont indépendants, présentés sur 7 pages numérotés de 1 à 7,
y compris celle-ci. La notation est sur 40 points.
Il n’y a pas de page d’annexe à rendre.
Données pour tous les exercices :
 Exercice 1 :
 Constante de Planck : h = 6,62.10
-34
USI
 Célérité de la lumière : c = 3,00.10
8
m.s
-1
 Equivalence entre le joule et l’électron-volt : 1 eV = 1,6.10
-19
J
 Longueur moyenne d’une chaussure d’un adulte : L = 30 cm
 Surface d’un disque de diamètre d :
4
d
S
2
×π=
 Exercice 2 :
 Quelques masses molaires (en g.mol
-1
) : M(H) = 1,0 ; M(C) = 12 ;
M(N) = 14 ; M(O) = 16
 Exercice 4 :
 Quelques numéros atomiques : Z(H) = 1 ; Z(C) = 6 ;
Z(O) = 8 ; Z(N) = 7
 Exercice 5 :
 Masse de la Terre : m
T
= 5,98.10
24
kg
 Rayon de la Terre : R
T
= 6 370 km
 Constante de gravitation universelle : G = 6,67.10
-11
USI
 Constante dans la loi de Coulomb : k = 9,0.10
9
USI
 Charge élémentaire : e = 1,6.10
-19
C
 Masse de la tour Eiffel : m
TE
= 10.10
3
t
 Hauteur de la tour Eiffel : h
TE
= 324 m

Durée : 3H
Exercice 1 –
Télémétrie laser
Restituer, s’approprier, analyser, réaliser, valider, communiquer
La
station de télémétrie MéO (pour Métrologie Optique), située dans le sud de la France,
est l’une des 3 stations dans le monde à être capable de déterminer la distance Terre
Lune au centimètre près. La méthode de mesure est basée sur le chronométrage de la
d
urée de l’écho d’impulsions laser envoyées sur un réflecteur déposé à la surface lunaire
Une très petite partie de la lumière émise étant reçue après réflexion, l’envoie de
plusieurs impulsions lumineuses est nécessaire pour réaliser une mesure.
Document 1 :
principe de la mesure (échelles non respectées)
Mardi 26 janvier 2016
Page 2
Télémétrie laser
(10 points –
45 minutes conseillées
Restituer, s’approprier, analyser, réaliser, valider, communiquer
station de télémétrie MéO (pour Métrologie Optique), située dans le sud de la France,
est l’une des 3 stations dans le monde à être capable de déterminer la distance Terre
Lune au centimètre près. La méthode de mesure est basée sur le chronométrage de la
urée de l’écho d’impulsions laser envoyées sur un réflecteur déposé à la surface lunaire
Une très petite partie de la lumière émise étant reçue après réflexion, l’envoie de
plusieurs impulsions lumineuses est nécessaire pour réaliser une mesure.
principe de la mesure (échelles non respectées)
Première S 1
45 minutes conseillées
) :
station de télémétrie MéO (pour Métrologie Optique), située dans le sud de la France,
est l’une des 3 stations dans le monde à être capable de déterminer la distance Terre
-
Lune au centimètre près. La méthode de mesure est basée sur le chronométrage de la
urée de l’écho d’impulsions laser envoyées sur un réflecteur déposé à la surface lunaire
.
Une très petite partie de la lumière émise étant reçue après réflexion, l’envoie de
plusieurs impulsions lumineuses est nécessaire pour réaliser une mesure.

Durée : 3H
Document 2 :
photo d’un tir laser
YAG depuis MéO
1.
Montrer que la surface du réflecteur de la photo
0,09 m² (0,5 point).
2. a) Déterminer la fréquence
ν
b) En déduire l’énergie ∆E
d’un photon émis par le laser Nd
c)
Sur le spectre du laser Nd
scientifique adéquat (0,5 point)
3.
Déterminer le nombre de photons émis
(0,75 point).
On souhaite déterminer le nombre minimal d’impulsions
Lune pour effectuer une mesure exploitable de la distance Terre
les photons sont répartis uniformément dans les faisceaux évoqués par le schéma du
document 1.
4.
Déterminer le nombre de photons réfléchis
impulsion du laser de la station Méo (1
5.
Déterminer le nombre de photons reçus
de la station Méo (1,5
point).
On admet que le traitement du sign
dans le télescope d’atteindre le détecteur.
6. a)
Déterminer le nombre de photons reçus
laser de la station Méo (1 point).
b)
En déduire le nombre d’impulsio
réfléchi, permettant d’obtenir une mesure exploitable (1 point).
c)
Commenter le résultat obtenu avec le nombre d’impulsions lumineuses réellement envoyées
(0,75 point).
d)
Donner une source d’atténuation
Mardi 26 janvier 2016
Page 3
photo d’un tir laser
Nd- Document 3 :
réflecteur posé sur la
Lune en 1969 par Armstrong & Aldrin
Montrer que la surface du réflecteur de la photo
graphie du
document 3
ν
d’un photon émis par le laser Nd-
YAG (0,5 point).
d’un photon émis par le laser Nd
-YAG
en J, puis en eV
Sur le spectre du laser Nd
-YAG, que verrait-on
? Détailler la réponse avec le vocabulaire
scientifique adéquat (0,5 point)
.
Déterminer le nombre de photons émis
N
émis
par une impulsi
on du laser de la station Méo
On souhaite déterminer le nombre minimal d’impulsions
lumineuses à envoyer vers la
Lune pour effectuer une mesure exploitable de la distance Terre
-
Lune. On supposera que
les photons sont répartis uniformément dans les faisceaux évoqués par le schéma du
Déterminer le nombre de photons réfléchis
N
réfléchis
par le réflecteur lunaire suite à une
impulsion du laser de la station Méo (1
,5 point).
Déterminer le nombre de photons reçus
N
reçus
par le télescope suite à une impulsion du laser
point).
On admet que le traitement du sign
al reçu ne permet qu’à 0,1 % des photons entrant
dans le télescope d’atteindre le détecteur.
Déterminer le nombre de photons reçus
N
détectés
par le détecteur suite à une impulsion du
laser de la station Méo (1 point).
En déduire le nombre d’impulsio
ns lumineuses nécessaire afin de détecter un photon
réfléchi, permettant d’obtenir une mesure exploitable (1 point).
Commenter le résultat obtenu avec le nombre d’impulsions lumineuses réellement envoyées
Donner une source d’atténuation
du signal expliquant un tel écart (0,75 point).
Première S 1
réflecteur posé sur la
Lune en 1969 par Armstrong & Aldrin
document 3
vaut S
réflecteur
=
YAG (0,5 point).
en J, puis en eV
(1,25 point).
? Détailler la réponse avec le vocabulaire
on du laser de la station Méo
lumineuses à envoyer vers la
Lune. On supposera que
les photons sont répartis uniformément dans les faisceaux évoqués par le schéma du
par le réflecteur lunaire suite à une
par le télescope suite à une impulsion du laser
al reçu ne permet qu’à 0,1 % des photons entrant
par le détecteur suite à une impulsion du
ns lumineuses nécessaire afin de détecter un photon
Commenter le résultat obtenu avec le nombre d’impulsions lumineuses réellement envoyées
du signal expliquant un tel écart (0,75 point).

Durée : 3H
Exercice 2 –
Révélation des empreintes digitales
conseillées) :
Analyser, réaliser, valider
Pour révéler des empreintes digitales, les experts peuvent utiliser différentes poudres.
L’une de ces poudres, la ninhydrine,
poreuses sèches.
En présence d’acide α-
aminé, la ninhydrine
présents dans les empreintes et forme un produit de couleur pourpre. L’équation de la
réaction est représentée ci-
dessous
+
Ninhydrine
Acide
α
-
aminés
1. La ninhydrine est-
elle une molécule organique
2. La ninhydrine est-
elle un colorant ou un pigment
3. a)
Quelle écriture est utilisée pour la ninhydrine
b) Ecrire la formule
développée de la ninhydrine (0,5 point).
4. Ecrire la formule semi-
développée de l’acide
5. a) Réécrire
l’équation de la réaction en
b)
Ajuster les nombres stœchiométriques (
c)
Quelle volume de solution de ni
réagir entièrement m
a
=
1 mg
points)
6. a)
La molécule de ninhydrine est
point).
b) Même question pour le
produit formé. Bien justifier (0,75
Mardi 26 janvier 2016
Page 4
Révélation des empreintes digitales
(8
points
Pour révéler des empreintes digitales, les experts peuvent utiliser différentes poudres.
L’une de ces poudres, la ninhydrine,
soluble dans l’eau,
est utilisée sur des surfaces
aminé, la ninhydrine
(en solution)
réagit avec les acides
présents dans les empreintes et forme un produit de couleur pourpre. L’équation de la
dessous
:
+
CH
aminés
Produit de couleur pourpre
elle une molécule organique
? Justifier (0,5 point).
elle un colorant ou un pigment
? Justifier (0,5 point).
Quelle écriture est utilisée pour la ninhydrine
? En quoi cela consiste
développée de la ninhydrine (0,5 point).
développée de l’acide
α-aminés
, le second réactif (0,5 point).
l’équation de la réaction en
utilisant uniquement des formules brutes (0,5 point).
Ajuster les nombres stœchiométriques (
0,5 point).
Quelle volume de solution de ni
nhydrine à C
m
(n) = 0,5 g.L
-1
est
-
1 mg
d’acide α-aminés présent
dans une empreinte digitale
La molécule de ninhydrine est
-elle susceptible de col
orier un matériau
produit formé. Bien justifier (0,75
point).
Première S 1
points
– 30 minutes
Pour révéler des empreintes digitales, les experts peuvent utiliser différentes poudres.
est utilisée sur des surfaces
réagit avec les acides
α-aminés
présents dans les empreintes et forme un produit de couleur pourpre. L’équation de la
CH
2
O + H
2
O + CO
2
? En quoi cela consiste
-t-il ? (0,5 point)
, le second réactif (0,5 point).
utilisant uniquement des formules brutes (0,5 point).
-
il nécessaire pour faire
dans une empreinte digitale
? (3
orier un matériau
? Justifier (0,75

Durée : 3H Mardi 26 janvier 2016 Première S 1
Page 5
Exercice 3 – Des molécules odorantes (9 points – 40 minutes conseillées) :
Restituer, s’approprier, analyser, valider
Le citronellal, le nérol et le géraniol sont des molécules isomères de formule brute C
10
H
18
O
appartenant à la famille des terpènes. On les trouve dans des huiles essentielles comme
l’huile essentielle de citronnelle ou de rose.
Doc 1 : terpènes Doc 4 : stéréoisomérie
Le nérol et le géraniol sont des
isomères Z/E.
Le citronellal ne présente pas
d’isomérie Z/E.
(E)-géranial Linalol
Doc 2 : la réaction d’hydrogénation
 En présence d’un catalyseur à base de
palladium et de charbon, le dihydrogène
réagit sur les liaisons doubles C=C et C=O
selon l’équation de réaction ci-dessous.
 A pression atmosphérique et température
ambiante, seules les liaisons C=C sont
hydrogénées. A haute température et haute
pression, les liaisons C=O le sont également.
Doc 5 : transformation de quelques
terpènes
 Soumis à une hydrogénation dans
des conditions dures (haute
pression et température), un
mélange de citronellal, nérol,
géraniol et géranial conduit à un
unique produit.
 La réaction du géranial avec le
NaBH
4
produit du géraniol.
 A pression atmosphérique et
température ambiante,
l’hydrogénation du citronellal
conduit à une molécule de formule
brute C
10
H
20
O.
Doc 3 : réaction chimiosélective
Le traitement d’une molécule présentant un groupe
carbonyle C=O par le tétrahydroborate de sodium
NaBH
4
dans l’éthanol permet de réaliser une réaction
analogue à l’hydrogénation de la liaison C=O décrite
dans le document 2.
Cette réaction est dite chimiosélective car elle n’affecte
pas les liaisons C=C.
Doc 6 : données spectroscopiques
La spectroscopie de résonance
magnétique nucléaire montre que ni le
gétraniol, ni le citronellal ou le nérol ne
possèdent de groupe alcène primaire
(ci-dessous) contrairement au linalol
qui en possède un.
1. a) Dans la molécule de (E)-géraniol (doc 1), identifier la double liaison responsable de
l’isomérie Z/E en justifiant (0,5 point).
b) Justifier l’isomérie E en utilisant le terme « substituant le plus léger » (1 point).
2. a) A l’aide des documents 1, 2, 3 et 5, déterminer la formule semi-développée du géraniol en
justifiant (1 point).
b) Indiquer l’isomérie Z/E de la molécule de géraniol en justifiant (0,5 point).