BAC BLANC N°1

i BACCALAURÉAT BLANCi
Lycée Massignon
25/02/2015
___________
PHYSİQUE-CHİMİE
Série S
___________
DUREE DE L’EPREUVE : 3h30 – coefficient : 6
L’usage des calculatrices EST autorisé
Ce sujet comporte trois exercices présentés sur 13 pages numérotées de 1 à 13, y compris
celle-ci. LES ANNEXES 1 et 2SONT À RENDRE AVEC LA COPIE.
Le candidat doit traiter les trois exercices, qui sont indépendants les uns des autres :
I. La chimie au service de la protection des plantes (9 pts)
II. La deuxième expérience de J.J Thomson (6 pts)
III. La communication chez les baleines (5 pts)
Page 1/ 13
EXERCİCE 1 : La chimie au service de la protection des plantes
(9pts)
Les plantes sont à la base de l'alimentation sur Terre.
Aujourd'hui, une des missions du chimiste est de
proposer des produits naturels ou de synthèse
permettant de protéger les plantes des insectes et
des maladies tout en associant efficacité et respect de
l'environnement.
Au-delà de leur mode d'obtention, il s'agit également d'utiliser ces produits de façon
raisonnée en respectant les doses conseillées pour inscrire les pratiques agricoles
dans une démarche de développement durable.
1. Chimie et lutte contre les insectes nuisibles pour certaines plantes
Document 1. Les produits phytosanitaires
Les pesticides sont des substances chimiques destinées à repousser ou à combattre les espèces
indésirables de plantes ou d'animaux causant des dommages aux denrées alimentaires, aux produits
agricoles, au bois et aux produits ligneux.
Un pesticide est une substance répandue sur une culture pour lutter contre des organismes considérés
comme nuisibles. C'est un terme générique qui rassemble les insecticides, les fongicides, les herbicides,
les parasiticides. Ils s'attaquent respectivement aux insectes ravageurs, aux champignons, aux
« mauvaises herbes » et aux vers parasites.
Sont également inclus les régulateurs de croissance des plantes, les défoliants, les dessicants, les agents
réduisant le nombre de fruits ou évitant leur chute précoce, et les substances appliquées avant ou après
récolte pour empêcher la détérioration des produits pendant leur stockage ou leur transport.
Mal utilisés (en termes de quantités) et en raison de leur faible pouvoir de dégradation, les pesticides
peuvent s'accumuler dans la chaîne alimentaire et/ou contaminer les milieux naturels.
www.actu-environnement.com/ae/dictionnaire environnement.
Document 2. Les insecticides
Au début de la Seconde Guerre mondiale, le DDT (ou dichlorodiphényltrichloroéthane) est rapidement
devenu l'insecticide le plus utilisé.
Dans les années 60, des études accusent le DDT d'être cancérigène et reprotoxique (il empêche la bonne
reproduction des oiseaux en amincissant la coquille de leurs œufs). Son usage pour l'agriculture est
désormais interdit dans la plupart des pays développés, et remplacé par des produits naturels ou de
synthèse moins persistants mais plus chers tels que l'acide benzylique de formule chimique très proche du
DDT ou des phéromones.
D'après wikipedia
Page 2/ 13
Les phéromones, espèces chimiques ayant des propriétés odorantes agissant à grande distance et à dose
infime, sont un moyen de communication chez les insectes.
Les phéromones sexuelles sont les premières qui ont été les mieux étudiées, conduisant à des
applications pratiques en agriculture comme l'emploi de «pièges à phéromones » pour lutter contre les
insectes. Ces pièges sont composés d'un attractif, un analogue de synthèse de la phéromone naturelle de
la femelle de l'insecte à éliminer, et d'un système assurant la capture des mâles. Ils sont actuellement
utilisés dans la lutte contre certains lépidoptères.
Par exemple, l'acide 9-hydroxydec-2-éneoïque est une phéromone secrétée par des insectes et utilisée
dans certains« pièges à phéromones ». Sa formule topologique est la suivante:
Document 3. Mécanisme modélisant, à l'échelle microscopique, la réaction de synthèse de l'acide
benzylique
Document 4. Mécanisme de reconnaissance biologique
Tous les mécanismes de reconnaissance entre molécules biologiques se font selon le modèle «cléserrure» : pour qu'une molécule ait un effet biologique, elle doit interagir avec un site récepteur particulier
de l'organisme.
Données: Comparaison des électronégativités de quelques éléments : χ(H) ≈ χ(C) et χ(C) <χ(O)
Autour de l'acide benzylique :
Page 3/ 13
1.1.Donner la formule semi-développée de la molécule d'acide benzylique, entourer les deux groupes
caractéristiques, les nommer et indiquer le nom des fonctions organiques associées.
1.2.1. Identifier les sites donneurs et accepteurs de doublet d’électrons des réactifs de l’étape (a) en faisant
apparaître les charges partielles sur l’annexe 1. Justifier.
1.2.2. Sur l’annexe 1 (à rendre avec la copie) Représenter par une flèche courbe le mouvement des
doublets d’électrons expliquant la formation et la rupture des liaisons observées.
1.3.Dans l'étape (b) du mécanisme réactionnel de la synthèse de l'acide benzylique, identifier le réactif A.
Autour d'une phéromone:
1.4.Sans les représenter, montrer, en argumentant, que l'exemple de phéromone utilisée dans les pièges
comporte des énantiomères et des diastéréoisomères.
1.5.Parmi les énantiomères possibles de cette phéromone, un seul est efficace et utilisé dans la
constitution des « pièges à phéromones ». Proposer une explication.
Comparaison des modes de protection:
1.6.Quels sont les critères à prendre en compte pour choisir un mode de protection des plantes contre les
insectes ? Lequel pourrait être le mieux adapté parmi ceux proposés. Justifier votre réponse.
2. Chimie et lutte contre les maladies de certaines plantations agricoles
Document 5. La chlorose des végétaux
La chlorose des végétaux est une décoloration plus ou moins prononcée des
feuilles, due à un manque de chlorophylle. La chlorophylle permet la
photosynthèse et donne aux feuilles leur couleur verte.
Le manque de chlorophylle peut provenir d'une insuffisance en magnésium, en
fer, en azote, en manganèse ou en zinc, autant d'éléments chimiques
indispensables à la synthèse de la chlorophylle.
Dans le commerce, on trouve des solutions dites « anti-chlorose » riches en ions fer (lI) qu'il convient de
pulvériser directement sur les plantes et les sols.
Quelques noms commerciaux et caractéristiques des produits « anti-chlorose »
Nom du produit commercial
Teneur en fer (g.L−1)
Utilisation référencée
Fer A 400 LiquidoFer 400
40
Dépôt sur les sols
Fer Cler
25
Dépôt sur les sols
Dépôt sur les sols et
FerSoniH39F
20
pulvérisation sur les feuilles
FerroTonus
40
Dépôt sur les sols
PlantoFer 30
30
Dépôt sur les sols
Dépôt sur les sols et
FerMi H31
10
pulvérisation sur les feuilles
Une solution inconnue « anti-chlorose » est à disposition d'un jardinier. Afin d'utiliser le plus efficacement
possible ce produit, il doit retrouver le fournisseur du produit et ainsi consulter sur son site commercial la
dose d'application nécessaire et suffisante pour traiter les rosiers.
Pour cela, il doit déterminer a concentration en ions fer (lI) que la solution contient en suivant le protocole
décrit dans le document 6.
Page 4/ 13
Document 6. Protocole de détermination de la concentration en ions fer (lI) dans une solution «
anti-chlorose »
On cherche par une méthode spectrophotométrique à déterminer la teneur en ion fer(II) de la solution
inconnue « anti-chlorose » appelée S1.
Pour cela, on utilise une méthode par spectrophotométrie (en présence d'orthophénanthroline) :
on transfère 1mLde la solution S1 dans une fiole jaugée de 100 mL, on ajoute 10mL
d'orthophénanthrolinepuis on complète la fiole jaugée avec de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge. On
obtient une solution S2dont l’absorbance à 510 nm est mesurée, elle vaut 0,302.
2.1.En quoi l'usage d'une telle solution (S1) peut permettre de lutter contre la chlorose des végétaux ?
Document 7. Spectres d’absorption des ions fer (II) en présence d'orthophénanthroline.
On donne ci-dessous le spectre d’absorption d’une solution d’ions fer (II)en présence
d'orthophénanthroline, ainsi qu’un tableau reliant longueur d’onde d’absorption et couleur complémentaire.
Le « blanc » a été fait avec de l’eau pure.
Solution aqueuse d’ions fer (III) Fe2+ de concentration 1,0×10-2mol.L-1 en présence
d'orthophénanthroline
Absorbance
λ (nm)
couleur absorbée
longueur d’onde
d’absorption (nm)
couleur
complémentaire
violet
bleu
vert
jaune
orange
Rouge
400-424
424-491
491-575
575-585
585-647
647-850
jaune-vert
jaune
pourpre
bleu
vert-bleu
bleu-vert
2.2. Étalonnage
2.2.1. Déterminer, en argumentant votre réponse, la couleur attendu pour une solution d’ions fer(II) en
présence d'orthophénanthroline. Pour quelle raison choisit-on de travailler à une longueur d’onde de
510nm ?
2.2.2. On fait subir à différentes solutions étalons de Fer (II) le même traitement que celui décrit ci-dessus
pour S1. On obtient alors des solutions diluées d’ions fer (II) dont on mesure l’absorbance à 510 nm.
Montrer, en utilisant le document 8 et en complétant l’ANNEXE 1 À RENDRE AVEC LA COPIE, que la loi
de Beer-Lambert est vérifiée pour ces solutions d’ions fer (II).
Page 5/ 13
Document 8. Courbe d’étalonnage.
Tableau donnant l’absorbance A à 510 nm de solutions aqueuses étalons contenant des ions fer (II) :
Concentration des
-1
solutions diluées (mol.L )
0
1,00×10
Absorbance
0
0,081
-3
3,00×10
-3
0,252
5,00×10
-3
0,424
7,00×10
-3
0,602
10,0×10
-3
0,840
3. Détermination de la teneur en ion fer(II) de la solution
Donnée: Masse molaire atomique du fer : M(Fe) = 56 g.rnol−1
2.3.1. À partir de cette méthode, le jardinier détermine le nom du produit commercial mis à sa disposition.
Expliquer sa démarche, détailler ses calculs et donner le nom du produit commercial.
4. Incertitude
10 groupes d’élèves ont déterminé expérimentalement la concentration en ion fer (II) de la solution S1.
Leurs résultats sont les suivants :
Groupe
1
2
3
4
5
Concentration de la solution
S1(mol.L-1)
3,62.10-3
3,83.10-3
3,49.10-3
3,52.10-3
3,60.10-3
Groupe
6
7
8
9
10
Concentration de la solution
S1(mol.L-1)
3,54.10-3
3,68.10-3
3,63.10-3
3,74.10-3
3,77.10-3
2.4.1. Déterminer, grâce aux valeurs trouvées par les élèves, l’incertitude élargie (pour un niveau de
confiance de 95 %) sur la mesure de la concentration en ion fer (II) dans la solution S1.
2.4.2. En déduire l’intervalle dans lequel devrait se situer le résultat du mesurage de la concentration avec
un niveau de confiance de 95 %.
Document 9. Incertitude sur un mesurage.
On rappelle les différentes formules intervenant dans la détermination de l‘incertitude sur le résultat du
mesurage d’un ensemble de n valeurs {x1, x2 … xn} :
Écart-type :  n 1 
ni1( xi  x )2
n 1
Incertitude-type sur la moyenne : u( x ) 
 n 1
n
Incertitude élargie sur la moyenne : U ( x )  k.u( x ) ,
avec : k = 1 pour un niveau de confiance de 68% ;
k = 2 pour un niveau de confiance de 95% ;
k = 3 pour un niveau de confiance de 98% ;
Page 6/ 13
EXERCİCE 2 : La deuxième expérience de J.J Thomson (6 points)
Document 1. La deuxième expérience de Thomson
Le physicien anglais Joseph John Thomson utilisa un tube à vide, dans lequel une cathode émet des
électrons. Ceux-ci sont accélérés dans un champ électrostatique créé par des anodes de collimation. À la
sortie de ces anodes, les électrons forment un faisceau très étroit. Ce faisceau passe ensuite entre deux
plaques métalliques de charges opposées. Les électrons, soumis à un nouveau champ électrostatique,
sont alors déviés de leur trajectoire et viennent frapper un écran constitué d'une couche de peinture
phosphorescente.
Tube utilisé par Thomson pour montrer la déviation de particules chargées par un champ électrostatique :
Anodes de collimation
Peinture phosphorescente
Cathode émettrice
d’électrons
Faisceau d’électrons
Plaques de déviation
Document 2. Création d'un champ électrostatique
Deux plaques métalliques horizontales portant des
charges opposées possèdent entre elles un champ
électrostatique uniforme E caractérisé par :
 sa direction : perpendiculaire aux plaques
 son sens : de la plaque chargée positivement vers
la plaque chargée négativement.
Document 3. Interactions entre particules chargées
Deux particules de charges de même signe se repoussent ;
deux particules de charges opposées s'attirent.
Document 4. Travail et variation de l’énergie potentielle d’une force électrique :

Le travail de la force électrique ⃗⃗⃗⃗⃗
Fe s’exerçant sur une particule de charge q parcourant un
déplacement quelconque entre deux points A et B dans un champ électrostatique uniforme
⃗⃗⃗⃗⃗ = q E
⃗⃗⃗⃗⃗
⃗ s’écrit : W AB(F
⃗⃗⃗⃗e ) =F
⃗⃗⃗⃗e .AB
⃗ .AB
E

La variation de l’énergie potentielle Ep él d’un électron soumis à une force électrique⃗⃗⃗⃗⃗
Fe et le
⃗⃗⃗⃗e ), de cette force parcourant un déplacement entre deux points A et B sont liés par la
travail WAB ( F
relation : Ep él = −WAB (⃗⃗⃗⃗⃗
Fe )
Page 7/ 13
Document 5. Rappel mathématiques : Expression du produit scalaire dans un repère orthonormal
𝑥
𝑥′
Si, dans le repère orthonormal(𝑂; 𝑖 ; 𝑗) on a : 𝑢
⃗ (𝑦)et ⃗⃗⃗
𝑢′ ( ), alors 𝑢
⃗ . ⃗⃗⃗
𝑢′ = 𝑥𝑥 ′ + 𝑦𝑦′
𝑦′
Document 6. Expérience de laboratoire ; mesure de la vitesse de sortie de l'électron
Le montage ci-dessous reprend le principe de la deuxième expérience de Thomson. Il comporte un tube à vide dans
lequel un faisceau d'électrons est dévié entre deux plaques de charges opposées. On mesure la déviation verticale
du faisceau d'électrons lors de la traversée des plaques sur une longueur L, afin de déterminer la vitesse en sortie
des plaques de l’électron.
Plaque positive
y
+++++++++++++
A
Canon à électrons
v0
H
d
x
O
–––––––––––––
Données de l'expérience :
L
Plaque négative
Les électrons sortent du canon à électrons avec une vitesse v0 = 2,27  107m.s1.
Le faisceau d'électrons passe entre les deux plaques chargées et est dévié d'une hauteur
h = AH = 1,85 cm, quand il sort des plaques.
L'intensité du champ électrostatique entre les deux plaques est : E = 15,0 kV.m1.
La longueur des plaques est : L = 8,50 cm et la distance entre les deux plaques est 2d.
La charge d’un électron est q = e avec la charge élémentaire e = 1,60.10-19 C.
La masse m d’un électron vaut 9,11.10-31 kg.
⃗ des électrons est négligeable par rapport à la force électrostatique ⃗⃗⃗⃗⃗
On fait l'hypothèse que le poids P
Fe
On donne g = 9,80 m.s-2.
1.
Détermination du caractère négatif de la charge de l'électron par J.J. Thomson.
⃗ en fonction de E, dans le repère
1.1. À l'aide du document 2, donner les coordonnées du vecteur E
)
orthonormal(𝑂; 𝑖 ; 𝑗 puis le représenter sur L'ANNEXE DE L’EXERCICE 2 À RENDRE AVEC LA
COPIE
On prendra l'échelle suivante : 1,0 cm pour 5,0 kV.m1.
J.J. Thomson a observé une déviation du faisceau d'électrons vers la plaque métallique chargée
positivement (voir document 1).
1.2. Expliquer comment J.J. Thomson en a déduit que les électrons sont chargés négativement.
1.3. Donner la relation entre la force électrostatique ⃗⃗⃗⃗⃗
Fe subie par un électron, la charge élémentaire e
⃗ .
et le champ électrostatique E
1.4. Donner les coordonnées du vecteur de cette force dans le repère orthonormal(𝑂; 𝑖 ; 𝑗) puis la
représenter au point A, sur L'ANNEXE DE L’EXERCICE 2 À RENDRE AVEC LA COPIE
On prendra l'échelle suivante : 1,0 cm pour 1,0.10-15 N.
Page 8/ 13
⃗ des électrons est négligeable par rapport à la force
1.5. D’après le document 6, « le poids P
électrostatique ⃗⃗⃗⃗⃗
Fe » et on sait qu’une force peut être négligée si son intensité est au moins mille
fois inférieure à une autre. Montrer que le poids de l’électron peut être négligé lors de l’étude du
son mouvement.
1.6. Déduire des questions précédente que le sens de déviation du faisceau d'électrons est cohérent
avec le sens de⃗⃗⃗⃗⃗
Fe .
2.
Quelle condition sur E, pour que l'électron puisse ressortir sans toucher la plaque ?
2.1. En appliquant la deuxième loi de Newton à l'électron, montrer que les coordonnées de son vecteur
0
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ (𝑒𝐸 )
accélération dans le repère (𝑂; 𝑖 ; 𝑗) peut s’écrire : 𝑎(𝑡)
𝑚
𝑥(𝑡) = 𝑣0 × 𝑡
2.2. Montrer que les équations horaires du mouvement de l’électron sont : {
𝑒𝐸
𝑦(𝑡) =
× 𝑡2
2𝑚
2.3. En déterminant l’équation de la trajectoire des électrons, montrer que la courbe décrite par les
électrons entre les plaques admet pour équation : y 
eE 2
x
2mv 02
2.4. Montrer que pour que l’électron puisse ressortir du canon sans toucher la plaque il faut que :
2𝑚𝑣02 𝑑
𝐸<
𝑒𝐿²
3.
Comment varie la vitesse de l’électron entre les deux plaques ?
L’électron sort en A sans toucher la plaque positive
3.1. Donner les coordonnées du vecteur ⃗⃗⃗⃗⃗
𝑂𝐴 dans le repère (𝑂; 𝑖 ; 𝑗) en fonction de h et L.
3.2.D’après les documents4 et 5, montrer que le travail de la force électrique⃗⃗⃗⃗⃗
Fe s’exerçant sur un
électron suivant son déplacement entre 0 et A dans le champ électrostatique uniforme ⃗E , a pour
⃗⃗⃗𝑒 ) = 𝑒𝐸ℎ.
l’expression𝑊𝑂𝐴 (𝐹
3.3. Ce travail est-il moteur ou résistant ? Justifier.
3.4. Donner, en utilisant le document 4, l’expression de la variation de l’énergie mécanique Emde
l’électron entre l’entrée et la sortie des plaques.
3.5. Nous considèrerons que l’énergie mécanique de l’électron est constante entre l’entrée et la sortie
des plaques, vérifier alors que la vitesse de l’électron en A peut s’écrire : 𝑣𝐴 = √𝑣02 +
2𝑒𝐸ℎ
𝑚
3.6. En déduire si la vitesse de l’électron va-t-elle augmenter ou diminuer entre les plaques ?
Page 9/ 13
EXERCİCE 3 : La communication chez les baleines (5pts)
Jeux, ruts, combats ou fuites, les baleines communiquent par leurs "chants". Sans cordes vocales, elles
émettent des sons par leur larynx et leur évent. Ces messages peuvent pour les grandes espèces, être
perçus à plusieurs centaines de kilomètres.
Pour communiquer entre elles, deux baleines doivent non seulement se trouver à une certaine profondeur
dans un couloir d'une hauteur de quelques centaines de mètres, mais aussi à une certaine distance l'une
de l'autre.
À partir des documents et de vos connaissances, évaluer :
1. la profondeur du couloir de communication ;
2. la distance maximale entre deux baleines pour qu'elles puissent communiquer.
L'ensemble de l'argumentation et des calculs doivent apparaitre de manière détaillée.
Document 1. LE SOFAR (SOund Fixing And Ranging), un guide d'ondes sonores
Dans les océans et dans certaines conditions, une onde sonore qui se dirige vers le haut est ramenée vers
le bas dès qu'elle parvient dans les couches supérieures où la vitesse du son est plus grande ; à l'inverse,
elle est ramenée vers le haut quand elle se dirige vers le bas dès qu'elle y rencontre des couches
inférieures où la vitesse du son est supérieure. Quand une zone respecte ces critères, on parle de
SOFAR.
Ce couloir SOFAR agit comme un guide d'ondes sonores comme illustré ci dessous.
Document 2. Cartographie de la vitesse du son en fonction de la profondeur dans l'océan
Page 10/ 13
Document 3. "La voix et l'oreille" des mammifères marins
Les cétacés produisent des émissions sonores dans une très large bande de fréquence, entre 10 Hz et
150 kHz environ. Les sons produits peuvent être de type bref (clics, tics, bourdons,...) ou continu
(sifflements, chants, mugissements).
Quelques émissions sonores de cétacés :
Baleine (chant)
Grand dauphin (clics)
Fréquence moyenne
d'émission
4000 Hz
120 kHz
Niveau d'intensité sonore
moyen à l'émission
170 dB
222 dB
Seuil d'audibilité*
50 dB
40 dB
*Le seuil d'audibilité correspond au niveau d'intensité sonore minimal perceptible par l'animal.
D'après un extrait de Richardson et al, 1995, Marine mammals and noise.
Document 4. Absorption acoustique de l'eau de mer
Page 11/ 13
ANNEXE EXERCICE 1 :
À RENDRE AVEC LA COPIE
Q1.1.
Q2.2.2.
Page 12/ 13
ANNEXE EXERCICE 2 :
À RENDRE AVEC LA COPIE
L’intensité du champ électrique entre les deux plaques est E = 15,0 kV.m1.
y
++++++++++++++
A
Canon à
électrons
x
H
O
– – – – – – – – – – – –
L
Page 13/ 13