DEVOIR DE SCIENCES PHYSIQUES L`utilisation de la calculatrice

Terminale S1.
DEVOIR DE SCIENCES PHYSIQUES
Durée 3 h 30 min
L’utilisation de la calculatrice est autorisée.
Les élèves de spécialité ISN traitent les exercices I , II, III et IV.
Les élèves de spécialité PHYSIQUE-CHIMIE traitent les exercices I , II , III et l’exercice de spécialité ( ce
dernier exercice est à traiter sur une copie à part ).
Exercice I : le monde selon Hubble (7points)
Cet exercice comporte deux parties A et B indépendantes.
Document 1 : Le télescope spatial Hubble
Le télescope spatial Hubble (HST pour Hubble Space Télescope) a été nommé en l'honneur d'Edwin Powell Hubble
(1889-1953), l'un des grands pionniers de l'astronomie moderne.
Lancé dans l'espace le 24 Avril 1990 depuis Cap Canaveral et mis sur orbite par la navette spatiale Discovery (STS-31),
le HST a été placé sur une orbite circulaire de type LEO (Low Earth Orbit) inclinée à 28,5 degrés à l'équateur. Hubble
accomplit ainsi le tour de la Terre en environ 100 minutes (pratiquement 1,5 heure) à 600 km au-dessus de notre
planète (soit environ 42 000 km de circonférence). Cette position dans l'espace permet au télescope d'effectuer des
observations avec une très haute résolution, en infrarouge ou ultraviolet, sans les contraintes dues à l'atmosphère
terrestre.
hubblesite.org
Edwin Powell Hubble
Le HST a révolutionné l'astronomie moderne ; il est non seulement un outil extraordinaire pour explorer notre
univers, mais il est également leader dans la recherche astronomique de précurseurs organiques (acides aminés
dans des météorites, comètes, etc.).
L'œil rivé au plus profond de l'espace, le HST a collecté pour les scientifiques une immense quantité de données
numériques, apportant par exemple la preuve de l'existence des trous noirs, ou validant la théorie de l'expansion de
l'Univers émise en 1929 par Edwin Hubble.
D'après futura-sciences.com
Document 2 : Absorption de l'atmosphère en fonction de la longueur d'onde
Domaine visible
Notations utilisées dans l'exercice :
-rayon de la Terre : RT ;
-constante de gravitation universelle : G ;
-masse de la Terre : M
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PARTIE A : Étude du satellite Hubble
1. Intérêt du satellite
1.1. Indiquer les limites en longueur d'onde de la partie visible du spectre électromagnétique.
1.2. Justifier précisément l'expression «...en infrarouge ou ultraviolet, sans les contraintes dues à l'atmosphère
terrestre. ».
1.3. Citer une source de rayonnement ultraviolet extraterrestre détectable par le HST.
2. Mouvement du satellite
2.1. Représenter sans souci d'échelle sur la figure 1 de l'ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE la force d'interaction
gravitationnelle FT / H exercée par la Terre sur le satellite de masse m, supposé ponctuel et noté H.
2.2. On suppose que les durées de parcours du satellite sur sa trajectoire circulaire entre les points H1 et H'1 puis H2
et H'2 sont égales.
2.2.1. Énoncer la deuxième loi de Kepler et compléter la figure 2 de l'ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE pour
illustrer cette loi.
2.2.2. En déduire que le mouvement du satellite est circulaire uniforme.
2.3. Établir à l'aide des lois de Newton l'expression de la valeur a de l'accélération du satellite dans le référentiel
géocentrique, supposé galiléen, en fonction de G, M, de l'altitude h et de RT.
2.4. Montrer que la vitesse du satellite peut se mettre sous la forme : v 
G.M
.
RT  h
2.5. Le calcul de cette vitesse conduit à une valeur d'environ 7103 m.s1.
Montrer que cette valeur est compatible avec les données du document 1.
PARTIE B : Edwin Hubble et l'expansion de l'Univers
Document 3 : L'effet Doppler
L'effet Doppler (ou Doppler-Fizeau) traduit le décalage de longueur d'onde (ou de fréquence) perçu par un
observateur lorsque une onde est reçue en provenance d'un émetteur en mouvement par rapport à la situation où
ce même corps est immobile.
Il peut être montré que ce décalage est proportionnel à la vitesse du corps et dépend du sens du mouvement. Si le
corps s'éloigne, la longueur d'onde d'une lumière visible émise par ce corps est décalée vers le rouge (la fréquence
diminue), s'il se rapproche, elle est décalée vers le bleu (la fréquence augmente).
Schéma général de l'effet Doppler Extrait du spectre d'émission de la galaxie NGC 3627
Raie d’hydrogène
v
au laboratoire
Wavelength : longueur d’onde
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1 Ångtröm = 0,1 nm
Document 4 : Résultats historiques de Edwin Hubble
Dès 1929, Edwin Hubble a remarqué que la vitesse à laquelle semblaient s'éloigner les galaxies qu'il observait était
proportionnelle à leur distance à la Terre. La constante de proportionnalité a ensuite été appelée "constante de
Hubble". La figure ci-dessus indique les premiers résultats obtenus par Edwin Hubble en 1929, pour des galaxies très
proches (distance inférieure à 2 Mpc*).
* Le mégaparsec noté Mpc est une unité de longueur utilisée couramment en astronomie
Document 5 : La loi de Hubble en 1996 (Vitesse des galaxies en fonction de leur distance à la Terre jusqu'à 500
Mpc).
Vitesse en km.s1
Distance en Mpc
http://media4.obspm.fr/public/AMC/pages_redshift/bb-decalage-rouge.html
Crédit : Riess, Press & Kirshner (1996), Astrophysical Journal 473,88
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3.1. L'effet Doppler est observé dans le cas des ondes sonores (par exemple une sirène d'ambulance en
mouvement).
Indiquer dans le cas d'une source sonore s'éloignant de l'observateur si le son perçu par celui-ci est plus aigu ou plus
grave que le son perçu lorsque la source est immobile. Justifier la réponse.
3.2. La galaxie NGC 3627 s'éloigne-t-elle ou se rapproche-t-elle de la Terre ?
3.3. Commenter la phrase « Edwin Hubble a remarqué que la vitesse à laquelle semblaient s'éloigner les galaxies
qu'il observait était proportionnelle à leur distance à la Terre ».
3.4. La constante de proportionnalité dite « constante de Hubble » est notée en général H0.
3.4.1. À partir du graphique du document 4, estimer la valeur de H0 proposée par Edwin Hubble. On précisera
l'unité associée à cette valeur.
En réalité des mesures plus récentes réalisées en partie par le télescope Hubble ont permis d'obtenir des mesures
plus précises sur des galaxies plus éloignées (voir document 5).
3.4.2. Discuter de la validité de la loi de Hubble et comparer la valeur actuelle de H0 à celle proposée par Edwin
Hubble.
Exercice II : Un catalyseur enzymatique, l’uréase
(5 points)
L’uréase est une enzyme découverte par J-B Summer en 1926. Elle joue un
rôle important au sein des organismes vivants dans la décomposition d’une
molécule organique, l’urée. On trouve l’uréase dans des organismes
végétaux (comme le haricot sabre) mais également dans des bactéries
pathogènes (telles que Helicobacter pylori).
Haricot sabre
Une enzyme est une macromolécule. Les différentes parties de cette
molécule sont liées entre elles notamment par des liaisons hydrogène qui se
forment plus ou moins facilement suivant la température. Ces liaisons
conduisent à la formation d’une structure tridimensionnelle présentant de
nombreux replis (voir image ci-contre). La réaction, que catalyse l’enzyme,
se produit au sein de l’un de ces replis appelé alors site actif.
Structure 3D de l’uréase
L’objectif de cet exercice est l’étude du rôle de l’uréase et de l’influence de certains paramètres sur son activité.
Données :
 couples acide/base : H3O+(aq) / H2O (l) ; NH4+(aq) / NH3(aq)
 pKa du couple NH4+ (aq) / NH3(aq) = 9,2
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Document 1. Influence de la température sur l’activité enzymatique
La cinétique de la réaction catalysée est directement liée à l’activité de l’uréase : plus l’activité est grande,
plus la réaction est rapide. L’activité relative, représentée sur le graphe ci-dessous, est le rapport de
l’activité de l’enzyme sur son activité maximale, dans des conditions fixées de température, de pH et pour
une quantité d'enzyme donnée.
------------------------------------------------------------Condition expérimentale :
pH = 7,0 (solution tampon au phosphate de concentration molaire 20 mmol.L-1)
Activité relative (en pourcentage) de l’uréase en fonction de la température
 en °C
D’après le site http://www.toyobospusa.com/enzyme-URH-201.html
Document 2. Influence du pH sur l’activité enzymatique
Condition expérimentale : température θ = 30°C
Activité relative (en pourcentage) de l’uréase en fonction du pH
pH
D’après le site http://www.toyobospusa.com/enzyme-URH-201.html
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1.
Activité enzymatique de l’uréase
L’urée (NH2 – CO – NH2) réagit avec l’eau pour former de l’ammoniac NH3 et du dioxyde de carbone.
Au laboratoire, on réalise deux expériences :
 On dissout de l’urée dans de l’eau. Aucune réaction ne semble avoir lieu. Le temps de demi-réaction est
estimé à 60 ans.
 On dissout de l’urée dans de l’eau en présence d’uréase. Il se forme quasi-immédiatement les produits
attendus. Le temps de demi-réaction vaut 210-5 s.
1.1. L’uréase, un catalyseur
1.1.1. Écrire l’équation de la réaction chimique entre l’urée et l’eau.
1.1.2. Rappeler la définition du temps de demi-réaction.
1.1.3. En quoi les résultats des expériences permettent-ils de considérer l’uréase comme un catalyseur ?
1.2.
2.
Effet de la température sur l’activité enzymatique
1.2.1. Quelle est en général l’influence de la température sur la cinétique d’une réaction chimique ?
1.2.2. En utilisant le document 1, décrire l’influence de la température sur la cinétique de la réaction
catalysée.
1.2.3. À l’aide du texte introductif, comment peut-on expliquer la différence entre le cas général
(question 1.2.1) et celui décrit à la question 1.2.2. ?
L’uréase dans le milieu stomacal
La bactérie Helicobacter pylori (H.pylori) est responsable de la
plupart des ulcères de l’estomac chez l’Homme. On souhaite
savoir comment elle réussit à survivre dans un milieu très acide,
comme l’estomac, en attendant de rejoindre la muqueuse
stomacale où elle pourra se développer.
Dans la H.pylori, la réaction de production de l’ammoniac à partir
de l’urée se fait selon le processus présenté dans la première
partie « Activité enzymatique de l’uréase ».
Helicobacter pylori
2.1.
Le contenu de l’estomac est un milieu très acide qui peut être considéré comme une solution d’acide
chlorhydrique de concentration 1,0×10-2 mol.L-1. Sachant que l’acide chlorhydrique est un acide fort,
calculer le pH de ce milieu.
2.2.
À ce pH, quelle espèce chimique du couple NH4+(aq) / NH3(aq) prédomine ? Justifier la réponse.
2.3.
La bactérie utilise son uréase pour catalyser la réaction de l’urée avec l’eau, ainsi elle sécrète de
l’ammoniac dans son environnement proche. Dans l’estomac, l’ammoniac réagit avec les ions H3O+ selon
l’équation chimique : NH3(aq) + H3O+(aq)→ NH4+(aq) + H2O(l).
Quelle est la conséquence de la sécrétion d’ammoniac par la bactérie sur le pH de la solution autour
d’elle ?
2.4.
L’enzyme sécrétée par la bactérie H.pylori n’est pas l’uréase seule mais une association de l’uréase avec
d’autres entités chimiques. En quoi le document 2 illustre-t-il le fait que l’uréase seule ne peut pas agir
dans l’estomac ?
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Nom et prénom :
Exercice III
QCM (3 points).
Dans ce QCM , chaque question comporte plusieurs affirmations parmi lesquelles une, plusieurs ou aucune peut être
exacte. Il faut donc indiquer, sans justification, si l’affirmation est vrai ou fausse.
On répondra directement sur l’énoncé.
Chaque réponse juste donne 1/4 point. L’absence de réponse est comptée pour 0 point.
Chaque réponse fausse retire 1/4 point. (Il vaut donc mieux être sûr de ses réponses.)
Le traitement correct en entier d’une question, rapporte 1/4 point de bonification.
Question A.
La molécule ci-contre :
a) contient un groupe carboxyle
_____________
b) contient un groupe carbonyle.
_____________
c) contient un groupe hydroxyle.
_____________
Question B. Onde progressive plane circulaire.
A la surface d’un lac, on dépose deux bouchons A et B distants de 1 m. On lance une pierre qui tombe verticalement
au voisinage de A ; des rides se propagent à la surface de l’eau. On déclenche le chronomètre quand la première ride
atteint le bouchon A, puis on arrête le chronomètre quand cette ride arrive en B. Le chronomètre indique un temps
de 2,0 s.
a) L’onde qui se propage à la surface de l’eau est une onde longitudinale.
____________
b) L’onde transporte de l’énergie mécanique.
_____________
c) Le bouchon A se rapprochera du bouchon B.
_____________
Question C.
Rock and Roll
Un groupe de rock amateur comprend une guitare basse, une guitare, un clavier, une batterie et un chanteur. A dix
mètres de la scène, le niveau d’intensité acoustique L exprimé en décibels est de :
- 60 dB pour le chanteur seul
- 57 dB pour la guitare basse seule.
- 60 dB pour la guitare seule.
- 60 dB pour la batterie seule.
- 63 dB pour le clavier seul.
Donnée : l’intensité minimale de référence est I0 = 1,0 x 10-12 W/m2 .
a) Lors du solo de guitare, l’intensité sonore est I = 1,0 x 10-6 W/m2 .
_____________
Lorsque seuls le chanteur et le guitariste sont en action :
b) L’intensité sonore est de 1,0 x 10-3 W/m2.
c) Le niveau sonore est de 63 dB.
______________
______________
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Exercice IV: Détermination du rapport e/m pour l’électron (exercice à faire par les élèves faisant
spécialité ISN uniquement) (5 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. Ceuxci 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 :
Cathode émettrice
d’électrons
Peinture phosphorescente
Anodes de collimation
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 : Force électrostatique subie par une particule chargée dans champ électrique E
Champ électrostatique
F  q.E
Force subie par la
particule chargée
Charge de la particule
Pour un électron : q = - e ; e étant la charge élémentaire.
Joseph John
Thomson
(1856 -1940),
Document 4 : Interactions entre particules chargées
Deux particules de charges de même signe se repoussent ; deux particules de charges
opposées s'attirent.
Document
5 : Expérience de laboratoire ; détermination du rapport e/m pour l'électron
physicien anglais
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 valeur du rapport
e/m.
Données de l'expérience :
Les électrons sortent du canon à électrons avec une
vitesse v0 = 2,27  107 m.s1.
Le faisceau d'électrons passe entre les deux
plaques chargées et est dévié d'une hauteur h
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.
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On fait l'hypothèse que le poids des électrons est négligeable par rapport à la force électrostatique F .
1. Détermination du caractère négatif de la charge de l'électron par J.J. Thomson.
1.1. À l'aide des documents 2 et 5, représenter sur L'ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE le vecteur
correspondant au champ électrostatique E .
On prendra l'échelle suivante : 1,0 cm pour 5,0 kV.m1.
1.2. J.J. Thomson a observé une déviation du faisceau d'électrons vers la plaque métallique chargée positivement
(voir document 1).
Expliquer comment J.J. Thomson en a déduit que les électrons sont chargés négativement.
1.3. À l'aide du document 3, donner la relation entre la force électrostatique F subie par un électron,
la charge élémentaire e et le champ électrostatique E . Montrer que le sens de déviation du
faisceau d'électrons est cohérent avec le sens de F .
2. Détermination du rapport e/m pour l'électron.
2.1. En appliquant la deuxième loi de Newton à l'électron, montrer que les relations donnant les
coordonnées de son vecteur accélération sont :
eE
ax = 0 et ay =
m
2.2. On montre que la courbe décrite par les électrons entre les plaques admet pour
équation :
eE 2
y
x
2mv 02
À la sortie des plaques, en x = L, la déviation verticale du faisceau d'électrons par rapport à l'axe
(Ox) a une valeur h = 1,85 cm.
e
2.2.1. En déduire l'expression du rapport
en fonction de E, L, h et v0.
m
e
2.2.2. Donner la valeur du rapport
.
m
2.2.3. On donne ci-dessous les valeurs des grandeurs utilisées, avec les incertitudes associées :
v0 = (2,27 ± 0,02)  107 m.s1 ;
E = (15,0 ± 0,1) kV.m1 ;
L = (8,50 ± 0,05) cm ;
h = (1,85 ± 0,05) cm ;
L'incertitude du rapport
e
e
, notée U   , s'exprime par la formule suivante :
m
m
e e
U  
m m
2
2
 U(h) 2  U(E) 2
 U(v 0 ) 
 U(L)  



4

4


 

 L  

 
 h   E 
 v0 
e
e
Calculer l'incertitude U   , puis exprimer le résultat de   avec cette incertitude.
m
m
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Nom et prénom :
ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE
Annexe de l’exercice I :
Annexe de l’exercice IV: (pour les élèves faisant spécialité ISN uniquement)
L’intensité du champ électrique entre les deux plaques est E = 15,0 kV.m1.
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