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BACCALAURÉAT GÉNÉRAL
SESSION 2005
PHYSIQUE-CHIMIE
Série S enseignement de Spécialité
DURÉE DE L’ÉPREUVE : 3 h 30. – COEFFICIENT : 8
L’usage des calculatrices est interdit
Chaque exercice sera traité sur une copie séparée. Une
feuille blanche portant le nom du candidat et le numéro
de l’exercice devra être rendue pour tout exercice non
traité.
Ce sujet comporte un exercice de CHIMIE et deux exercices de PHYSIQUE présentés sur pages
numérotées de 1 à 6, y compris celle-ci.
Le candidat doit traiter les trois exercices, qui sont indépendants les uns des autres :
Chimie
Mouvements plans d’un pot de confiture
Cordes et lunette astronomique
1/6
/6
/6
/6
CHIMIE
Partie A : « Autour de l’acide lactique »
Données :
Zones de virage des indicateurs colorés :
Indicateur coloré
Teinte acide
Rouge de méthyle
rouge
hélianthine
rouge
Vert de bromocrésol
jaune
Zone de virage
4,2-6,2
3,1-4,4
3,8-5,4
Teinte basique
jaune
jaune
bleu
pKe = 14,0 à 25°C ; 10-0,1 = 0,79 ; 10-0,8= 0,16
I) Réaction de l’acide lactique avec l’eau
L’acide lactique a pour formule CH3CHOHCO2H .
Ecrire l’équation de la réaction de l’acide lactique avec l’eau . La base conjuguée de l’acide lactique est
l’ion lactate , quelle est sa formule ?
II) Détermination du pKa du couple acide lactique/ion lactate
Une étude expérimentale a permis de tracer le diagramme de distribution des formes acide et basique du
couple acide lactique/ion lactate en fonction du pH à 25°C.
%
(1)
(2)
100
1°) Identifier la courbe correspondant à la forme acide et à la
forme basique du couple .
2°) En utilisant le diagramme ci-contre, justifier que le pKA du
couple acide lactique/ion lactate est 4,0 à 25°C. .
80
60
40
20
0
2
4
6
8
10 12 14
pH
III) L’acide lactique dans le lait .
L’acide lactique peut se former par fermentation du lactose contenu dans le lait .
1°) A partir de l’équation de la réaction de l’acide lactique sur l’eau (écrite en I) , exprimer la constante
d’acidité KA du couple acide lactique/ ion lactate en fonction des concentrations des espèces présentes à
l’équilibre .(On notera AH pour l’acide lactique et A- pour l’ion lactate )
2°) Un lait a un pH de 6,0 à 25°C .
a) D’après la question II) 1), en déduire l’espèce prédominante dans ce lait .
b) Calculer, en utilisant l’expression de la constante d’acidité Ka, le rapport des
concentrations [A-] éq/[AH] éq dans le lait .Le résultat trouvé est-il en accord avec la
réponse à la question précédente ?
IV) L’acide lactique responsable des crampes !
La formation d’acide lactique , lors des efforts musculaires , est responsable des crampes ; sa base
conjuguée est au contraire sans effet .Pour lutter contre les crampes , on conseille de boire de l’eau
« basique ».Pour comprendre cette affirmation , on mélange de l’acide lactique et des ions hydroxyde.
1°) Ecrire l’équation de la réaction qui se produit .
2°) Calculer sa constante d’équilibre .Conclure .
3°) Justifier alors l’usage d’une boisson basique pour éviter les crampes dues à l’acide lactique .
V) Préparation d’une solution d’acide lactique au laboratoire
On prépare une solution aqueuse S0 d’acide lactique de concentration apportée C0 = 1,0.10-2 mol.L-1 et de
volume V .La mesure de son pH donne 3,0 .
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1°) Dresser un tableau d’avancement ( avec des expressions littérales) correspondant à l’équation écrite
en IV I°) .
2°) Déterminer le taux d’avancement final de la réaction de l’acide lactique avec l’eau .Cette réaction
est-elle totale ?
3°) On prélève 10,0 mL de la solution S0 que l’on verse dans une fiole jaugée de 100,0 mL .Après avoir
complété la fiole jusqu’au trait de jauge avec de l’eau distillée , on obtient une solution S1 .
a) Calculer la concentration de la solution S1.
b) Pour déterminer un encadrement du pH de la solution S1 , on utilise 3 indicateurs colorés
.Les couleurs observées sont les suivantes :
hélianthine
Vert de bromocrésol
Rouge de méthyle
orange
jaune
rouge
En déduire l’encadrement de la valeur finale du pH de la solution S1 , puis du taux
d’avancement final de la réaction de l’acide lactique avec l’eau dans cette solution .
c) Quel est l’effet de la dilution sur la dissociation de cet acide dans l’eau ?
Partie B : Bilan de fonctionnement d’une pile
On considère une pile fer- cuivre dans laquelle interviennent les couples oxydo- réducteurs Fe2+/Fe et
Cu2+/Cu. Chaque demi pile contient 100 mL de solution de sulfate de l’ion métallique correspondant, de
concentration 0,1 mol/L. La lame de fer a une masse de 11,2 g, et celle de cuivre a une masse de 6,4g. La
pont salin est constitué d’ions ammonium NH4+ et d’ions nitrate NO3- On fait débiter cette pile dans un
conducteur ohmique, et on constate que l’électrode de fer est peu à peu rongée.
On donne: M (Fe ) = 56 g /mol. M (Cu) = 64 g / mol
1°) Faire un schéma de cette pile
2°) A partir des renseignements de l’énoncé, écrire les équations des réactions aux électrodes. Préciser où
ont lieu l’oxydation et la réduction. Identifier l’anode et la cathode. Quelle est la polarité des électrodes ?
3°) En déduire l’équation d’oxydo réduction spontanée qui se produit dans la pile.
4°) Indiquer, sur le schéma de la question 1°) : le pôle + et le pôle – de la pile, l’anode et la cathode, le
mouvement des différents porteurs de charge, et le sens conventionnel du courant, lorsque la pile débite.
5°) Quelle est la valeur du quotient de réaction initial Qri du système constituant la pile ? Soit K la
constante d’équilibre associée à cette réaction. Situer K par rapport à Qri.
6°) La pile débite un courant d’intensité constante I = 100 mA pendant t1 = 2 heures et 40 minutes.
a) Quelle est la quantité d’électricité mise en jeu ?
b) Sachant qu’une mole d’électrons transporte environ 96000 C, combien de moles d’électrons ont
transporté cette quantité d’électricité ?
c) En vous aidant d’une des demi équations, en déduire l’avancement de la réaction au bout des
2 h 40 minutes.
d) A l’aide d’un tableau d’avancement, déterminer la quantité de matière de chaque électrode, et la
concentration des ions cuivre II et fer II dans chaque bécher au bout des 2h 40 minutes.
7°) Comment peut on mesurer la force électromotrice de cette pile ?
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Mouvements plans d’un pot de confiture
Cet exercice comporte 12 affirmations. A chaque affirmation vous répondrez par VRAI ou FAUX en
justifiant votre choix à l’aide de démonstrations et de définitions, de calculs, de schémas ou
d’analyses dimensionnelles. Toute réponse non justifiée ne rapportera aucun point.
1. On considère un pot de confiture évoluant dans le champ de
z
pesanteur terrestre supposé uniforme. Le projectile de masse m est
0
lancé à la date t=0s d’un point O d’altitude H, origine du repère
x
(O,x,z). Le vecteur vitesse initiale 0 fait un angle α avec
α
O
l’horizontale. Le mouvement s’effectue dans le plan vertical
contenant les axes Ox et Oz, tel que le champ de pesanteur  est
H
parallèle à Oz. On se place dans le référentiel terrestre supposé
galiléen. On néglige toute résistance de l’air.
sol
1.1 AFFIRMATION : le vecteur accélération G du centre d’inertie
G du pot de confiture ne dépend pas des conditions initiales.
1.2 AFFIRMATION : le projeté du centre d’inertie G du pot de confiture sur l’axe vertical Oz est animé
d’un mouvement rectiligne et uniforme.
1.3 AFFIRMATION : la trajectoire du centre d’inertie G du pot de confiture est parabolique quelque soit
α.
1.4 AFFIRMATION : Dans le cas où le pot de confiture est lancé d’une auteur H au dessus du sol avec
2H
une vitesse 0 horizontale, l’abscisse de son point de chute est x=V 0×
g
2. On considère un satellite artifi ciel soumis uniquem ent à la force gravitationnell e de
la Terre. Le s atellit e de m asse m , situé à l ’altitude h par rapport au sol t errest re est
animé d’un mouvem ent ci rculaire et uni forme à l a vitesse V. On se place dans le
référenti el géocentri que supposé galil éen.
Satellite
données:
Le ra yon de la Terre R T=6380km
La masse de l a Terre M T=6.10 24kg
La constante de gravit ation universelle
G=7.10 -11S I
h
RT
2.1 AFFIRMATION : La const ante de
gravit ation universel le G s ’exprime en
m/s².
Terre
2.2 AFFIRMATION : le vect eur accélération  G du centre d ’ inerti e du satellit e est
diri gé vers le centre de la terre.
2.3 AFFIRMATION : la vitess e du sat elli te est donnée par la rel ation
G.M T
V=
R T +h
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2.4 AFFIRMATION : à l ' altitude h=413620km, la vitesse du satellit e est 1500m/ s
3. Un pot de confiture de masse m est lâché sans vitesse initiale d’une
hauteur .
O

3.1 AFFIRMATION : Si on néglige les frottements, l’accélération du
solide est verticale descendante et égale à 9,81 m/s².
3.2 AFFIRMATION : Les frottements appliqués sur le solide sont de la
forme =-kv² Si  est assez grand, la solide atteindra une vitesse
mg
limite égale à v lim=
k

x
3.3 AFFIRMATION : L'accélération initiale du solide n’est pas la
même si les forces de frottement sont proportionnelles à v ou à v².
3.4 AFFIRMATION : Si on néglige les frottements, la durée de la chute est t=
5/6
2g  .
Cordes et lunette astronomique
Partie A : A propos de la lunette astronomique ....
1°) Quel élément d’optique constitue l’objectif d’une lunette astronomique ? d’un télescope ?
2°) Quel rôle joue l’oculaire d’une lunette ?
3°) a) Lunette et télescope peuvent être qualifiés d’instrument d’observation « afocal ». Quelle condition
doivent satisfaire les foyers de leur objectif et oculaire ?
b) Lors de l’observation d’un objet très éloigné, où se situe l’image définitive qu’en donne une lunette
afocale ?
4°) On dispose de deux lentilles minces convergentes de vergence respectives 10  et 2 .
a) Déterminer les distances focales respectives de ces deux lentilles.
b) Si l’on veut s’en servir pour construire une lunette astronomique, laquelle doit jouer le rôle d’objectif ?
Laquelle doit jouer le rôle d’oculaire ?
c) Schématiser à l’échelle 1/10 la lunette en configuration afocale.
d) On vise un objet AB très éloigné, perpendiculaire en A à l’axe optique et vu sous un angle  petit (
environ 10°)
Construire l’image intermédiaire A1B1 donnée par l’objectif et l’image définitive A’B’ donnée par
l’oculaire.
Sur le schéma, noter l’angle ’, l’angle sous lequel on voit l’image définitive.
'
e) Le grossissement de la lunette G est donné par la relation G =
. Exprimer ce grossissement en

fonction de f’obj et f’oc ( distance focale de l’objectif et de l’oculaire).
Partie B : Vibration d’une corde métallique
On réalise au laboratoire le dispositif schématisé cicontre: Un fil métallique, de longueur L=60cm,
appelé "corde" dans le reste de l'énoncé, est tendu
entre les points A et B. Entre A et B, on applique une
tension sinusoïdale uAB de fréquence f. Un courant
de même fréquence circule alors dans la corde. Un
aimant droit fixe est placé derrière la corde. Celle-ci
est localement soumise à une force magnétique
verticale due à la circulation du courant et à la
présence de l'aimant. On admettra que les vibrations
transversales ainsi imposées à la corde sont de nature sinusoïdale et qu'elles ont la même fréquence que la
tension uAB. et que les fréquences des vibrations, du courant et de la tension uAB sont les mêmes.
1°) La tension uAB a une fréquence f1 égale à 100Hz et la corde est éclairée par la lumière du jour. On voit
deux fuseaux comme le montre la figure cicontre:
a) Quel est l'état vibratoire du point C ? Quel
nom donne-t-on à ce point de la corde dans
cette expérience ?
b) Décrire qualitativement le mouvement du point M de la corde situé à égale distance de A et de C
(trajectoire…). Comment nomme-t-on son état vibratoire ?
c) Déterminer la longueur d'onde  de l'onde stationnaire ainsi générée.
d) Déterminer sa célérité v.
e) Parmi les positions de l'aimant définies par les valeurs de d ci-après, laquelle paraît-il souhaitable
d'adopter pour obtenir ces deux fuseaux de manière bien visible ? La réponse doit être justifiée. Valeurs
de d proposées : 15 cm, 30 cm ou 45 cm.
2°) Déterminer la fréquence f0 de la tension uAB qui permettrait d'obtenir un système d'ondes stationnaires
ne présentant qu'un seul fuseau, la longueur et la tension de la corde restant inchangées. Quel nom
particulier donne-t-on à ce mode de vibration ?
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