Epreuve de Physique-Chimie La calculatrice est autorisée.

Février 2016
Lycée Dorian
Terminales S
Epreuve de
Physique-Chimie
La calculatrice est autorisée.
Ce sujet comporte Trois exercices sur 15 pages.
Le candidat traitera les trois exercices chacun sur une copie séparée et joindra obligatoirement
les annexes.
Durée de l’épreuve 3h30
Repère de l’épreuve : PCO-02-2016
1
Exercice 1. Lancé de marteau (10 pts)
Originaire d’anciennes pratiques celtes, le lancer du
marteau est une discipline de l'athlétisme qui consiste à lancer le
plus loin possible un boulet auquel est fixé un câble en acier
muni d’une poignée.
À cette fin, l’athlète fait d'abord prendre de la vitesse à son
marteau en tournant sur lui-même (voir schéma ci-contre) sans
sortir d’un cercle de lancement. Le marteau est ensuite lâché
avant d’atterrir sur le sol.
D’après le site
www.stickeramoi.com
Dans les parties 1 et 2 de cet exercice, on étudie un lancer de marteau réalisé par une athlète
puis, dans la partie 3, le taux de créatinine dans le sang de l’athlète.
1. Étude du mouvement du boulet AVANT le lâcher du marteau par l’athlète
Pour simplifier l’étude, on suppose que l’athlète tourne sur elle-même autour d’un axe immobile
vertical et que son bras est toujours tendu. Dans le référentiel terrestre, le mouvement du boulet
est alors supposé plan et circulaire, accéléré dans un premier temps puis uniforme dans un
deuxième temps.
r
1.1. À partir de la définition du vecteur accélération a , dans un repère adapté que l’on
définira, justifier qualitativement l’existence d’une accélération lors d’un mouvement
circulaire, qu’il soit accéléré ou uniforme.
1.2. En justifiant la réponse, choisir parmi les schémas ci-dessous, celui qui correspond à
un mouvement circulaire accéléré puis celui qui correspond à un mouvement circulaire
uniforme.
r
r
Sur chaque schéma, les vecteurs vitesse v et accélération a sont représentés en un point
de la trajectoire du boulet en vue de dessus.
1.3.
a. Enoncer la seconde loi de Newton.
b. Représenter en ANNEXE sur la photo, le vecteur accélération
dans un mouvement circulaire et uniforme.
subit par le boulet
c. A quelle situation suivante (figure a ou figure b) de bilan de forces cela
correspond-il le mieux ? Justifier.
2
Figure a
Figure b
d. Que peut-on en conclure quant à l’influence du poids dans le bilan de forces ?
Expliquer.
2. Étude du mouvement du boulet après le lâcher du marteau par l’athlète
Données :
- le boulet du marteau est assimilé à un point matériel de masse m = 4,0 kg ;
- on négligera toute action de l’air ;
- intensité de la pesanteur : g = 9,8 m.s-2 ;
- vitesse initiale du boulet : v0 = 26 m.s-1 ;
- angle d’envol : α = 45° ;
- hauteur du boulet au moment du lâcher : h = 3,0 m.
Pour cette étude, on associe au référentiel
terrestre le repère (Ox, Oy), Oy étant dirigé
suivant la verticale ascendante.
On négligera dans cette partie les actions
du câble et de la poignée du marteau.
La trajectoire décrite par le boulet dépend
de la valeur v0 de la vitesse du boulet au
moment de l’envol, de l’angle d’envol α et de la
hauteur h du boulet au moment du lâcher à
l’instant initial (t = 0)
(On se référera au schéma ci-contre).
3
Les Jeux Olympiques de Londres
Les résultats de la finale féminine pour le lancer de marteau aux jeux Olympiques de Londres en
2012 sont regroupés dans le tableau ci-dessous :
Prénom Nom
Tatyana Lysenko
Anita Wlodarczyk
Betty Heidler
Wenxiu Zhang
Kathrin Klaas
Yipsi Moreno
Aksana Miankova
Zalina Marghieva
Stephanie Falzon
Joanna Fiodorow
Mariya Bespalova
Sophie Hitchon
Lancer en m
78,18
77,60
77,12
76,34
76,05
74,60
74,40
74,06
73,06
72,37
71,13
69,33
Classement
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
2.1. Montrer que les équations horaires du mouvement du boulet s’écrivent :
1
x(t) = v0 cos(α) t
et
y(t) = g t² + v0 sin(α) t + h
2
On admet que la trajectoire du boulet s’écrit :
−gx 2
y= 2
+ tan( α ).x + h
2v 0 cos2 ( α )
2.2. En utilisant les données numériques relatives au lancé, déterminer le classement que
l’athlète aurait obtenu aux Jeux Olympiques de Londres de 2012.
2.3. Parmi les trois courbes EP1, EP2 et EP3 représentées sur l’ANNEXE À RENDRE AVEC
LA COPIE, choisir en le justifiant celle qui correspond à l’évolution au cours du temps de
l’énergie potentielle de pesanteur EP du boulet pour le lancer effectué par l’athlète entre
l’instant initial (t = 0) et l’instant où le boulet touche le sol.
2.4. En détaillant votre démarche, représenter sur le graphe de l’ANNEXE À RENDRE
AVEC LA COPIE, les courbes donnant les énergies cinétique Ec et mécanique Em du boulet
pour le lancer effectué par l’athlète entre l’instant initial (t = 0) et l’instant où le boulet touche
le sol.
4
3. Créatine et créatinine chez l’athlète
Données :
masses molaires atomiques :
M(H) = 1 g.mol-1 ; M(C) = 12 g.mol-1 ; M(O) = 16 g.mol-1 ; M(N) = 14 g.mol-1.
3.1. Créatine et créatinine
La créatine présente dans le corps peut être d’origine exogène (c’est-à-dire apportée par les
aliments) ou endogène (c'est-à-dire synthétisée dans l’organisme) ; sa synthèse s’effectue alors à
partir de trois acides α-aminés : la glycine, l'arginine et la méthionine.
La créatine contribue à l’apport en énergie aux cellules musculaires. Les besoins en créatine sont
d’environ 2 g par jour pour un adulte ; il faut cependant y ajouter 1 à 2 g par jour pour le sportif de
forte masse musculaire qui s’entraîne de manière très intense.
Lors du fonctionnement du muscle, de la créatine se déshydrate spontanément en créatinine qui
passe dans le sang avant d'être filtrée par les reins et évacuée par voie urinaire.
Bilan de la déshydratation de la créatine :
Le taux de créatinine sanguine est normalement constant dans l’organisme mais sa valeur dépend
de la masse musculaire de l'individu.
Les valeurs attendues dans le sérum sanguin sont chez la femme de 4 à 12 mg.L-1.
3.1.1. Étude des acides α-aminés nécessaires à la synthèse de la créatine
a. Quelles sont les fonctions communes aux acides α-aminés ?
b. Indiquer, parmi les molécules d’acides α-aminés citées dans le texte, celles qui
présentent des énantiomères. Justifier.
c. Utiliser la représentation de Cram pour représenter les deux énantiomères de la
méthionine.
3.1.2. Déterminer la catégorie de la réaction de déshydratation de la créatine.
3.1.3. Déterminer la formule brute de la créatinine.
5
3.2. Dosage du taux de créatinine chez l’athlète.
Pour doser le taux de créatinine dans le sérum sanguin de l’athlète, la méthode de Jaffé, décrite
ci-dessous, est utilisée.
La créatinine réagit en milieu basique avec un excès d’acide picrique pour donner un composé
orangé de picrate de créatinine (réaction de Jaffé). L’intensité de la couleur obtenue est
directement proportionnelle à la concentration de créatinine de l’échantillon.
Dans trois tubes à essais, on réalise les mélanges suivants :
Tube 1 :
1,0 mL d’eau distillée ;
1,0 mL de solution d’hydroxyde de sodium ;
1,0 mL de solution d’acide picrique.
Tube 2 :
1,0 mL de sérum sanguin de l’athlète ;
1,0 mL de solution d’hydroxyde de sodium ;
1,0 mL de solution d’acide picrique.
Tube 3 :
1,0 mL d’une solution de créatinine de concentration C = 100 µmol.L-1
1,0 mL de solution d’hydroxyde de sodium ;
1,0 mL de solution d’acide picrique.
Le contenu de chaque tube est bien agité, puis est laissé au repos pendant 20 minutes.
La mesure de l’absorbance de la solution obtenue dans chacun des tubes est réalisée avec un
spectrophotomètre dont la longueur d’onde est réglée à 500 nm.
Les résultats sont regroupés dans le tableau ci-dessous :
Absorbance
Tube 1
0,00
Tube 2
0,71
Tube 3
0,62
3.2.1. Déduire des résultats du dosage, si le taux de créatinine dans le sang de l’athlète est
dans l’encadrement attendu ou non.
3.2.2. Proposer une cause possible d’un taux anormalement élevé de créatinine dans le
sang de l’athlète.
6
Exercice 2: Quelques dangers de l’alcool (5pts)
Document 1
On trouve dans un document publié par l'Institut suisse de prévention de l'alcoolisme (ISPA) les
informations suivantes :
Quand une personne consomme de l'alcool, celui-ci commence immédiatement à passer dans le
sang. Plus le passage de l'alcool dans le sang est rapide, plus le taux d'alcool dans le sang
augmentera rapidement, et plus vite on sera ivre. L'alcool est éliminé en majeure partie par le foie.
Dans le foie, l'alcool est éliminé en deux étapes grâce à des enzymes. Dans un premier temps,
l'alcool est transformé en éthanal par l'enzyme alcool déshydrogénase (ADH). L'éthanal est une
substance très toxique, qui provoque des dégâts dans l'ensemble de l'organisme. Il attaque les
membranes cellulaires et cause des dommages indirects en inhibant le système des enzymes.
Dans un deuxième temps, l'éthanal est métabolisé par l'enzyme acétaldéhyde déshydrogénase
(ALDH).
Alcool pur : Ethanol : C2H6O
Enzyme ADH
Ethanal C2H4O
Dégradation
ultérieure...
Synthèse du cholestérol
1.
Spectroscopie
On se propose d'étudier la structure et les fonctions organiques de ces molécules par spectroscopie.
http://www.sciences-edu.net
Document 2a : Spectroscopie Infrarouge en phase liquide. Spectre IR1
7
http://www.sciences-edu.net
Document 2b : Spectroscopie Infrarouge en phase liquide. Spectre IR2
Liaison
C-C
C-O
C = O (carbonyle)
C-H
O-H
Nombre d'onde
(cm-1)
1000-1250
1050-1450
1650-1740
2800-3000
3200-3700
Document 2c : Table de données pour la spectroscopie IR
Document 3 : Spectre de RMN de l'éthanol
8
1.1.
Le document 1 évoque les molécules d'éthanol et d'éthanal : représenter en formule semidéveloppée ces deux molécules et encadrer leurs fonctions caractéristiques.
1.2.
Quel est le nom du groupe fonctionnel porté par l'éthanol ? À quelle famille appartient cette
molécule ?
1.3.
Quel est le nom du groupe fonctionnel porté par l'éthanal ? À quelle famille appartient cette
molécule ?
1.4.
En utilisant les données spectroscopiques du document 2, associer chaque spectre infrarouge (IR)
à la molécule correspondante en justifiant.
1.5.
Le document 3 présente le spectre RMN de l'éthanol. En utilisant la courbe d'intégration, calculer
les rapports h1 / h2 et h3 / h2.
1.6.
Utiliser les rapports calculés pour associer aux trois massifs du spectre, les groupes de protons
équivalents de l'éthanol.
1.7.
Le massif de pics situé au déplacement chimique 1,25 ppm se présente sous la forme d'un triplet.
En utilisant la règle des (n+1)-uplets, justifier cette multiplicité en évoquant le nombre d'atomes
d'hydrogène voisins.
2.
Mécanisme de métabolisation des alcools.
Après étude de la structure de ces molécules, nous allons étudier le mécanisme biochimique expliquant
leur transformation dans l'organisme.
La métabolisation des alcools implique leur oxydation en composés carbonylés. Dans les systèmes
biologiques, l'éthanol est transformé en éthanal grâce à un oxydant noté NAD+. La réaction est catalysée
par une enzyme appelée alcool-déshydrogènase.
En substituant un atome d'hydrogène par un atome de deutérium D, on peut mettre en évidence le
rôle énantiosélectif de cette enzyme.
En soumettant les deux énantiomères du 1-deutérioéthanol à l'action de l'enzyme, on a pu établir que
l'oxydation biochimique était stéréospécifique, le NAD+ arrachant uniquement l'hydrogène marqué cidessous par une pointe de flèche noire.
O
CH3
C
OH
H
+
NAD +
enzyme
C
NADH
+
NADH
D
CH3
D
+
ou
CH3
O
C
D
H
OH
+
NAD
+
enzyme
C
CH3
H
D'après C. Vollhardt, N. Schore : Traité de chimie organique.
D désigne l'isotope 2 de l'hydrogène 21H appelé deutérium.
9
2.1.
Quel est le nom de la représentation chimique utilisée dans le mécanisme ci-dessus pour l'alcool ?
2.2.
Que représentent les traits pointillés et les traits épais ?
2.3.
En vous basant sur cette représentation, développer complètement la molécule d'éthanol en faisant
apparaitre toutes les liaisons.
2.4.
Quelle particularité stéréochimique possède le carbone porteur du deutérium dans la molécule de
deutérioéthanol ? Comment nomme-t-on ce type de molécules ?
2.5.
L'éthanal obtenu par oxydation se présente-t-il sous la forme d'un mélange d'énantiomères ?
Justifier.
2.6.
La dégradation de l'alcool dans l'organisme est une réaction catalysée. Donner la définition d'un
catalyseur. Quel type de catalyse est présenté ici ?
10
Exercice 3: Le principe de l’écholocalisation chez les chauves-souris (5pts)
Donnée : Vitesse du son (ou des ultrasons) dans l’air : vson = 340 m.s-1
11
1. Questions sur le document 1.
1.1. Comment pourrait-on qualifier scientifiquement le terme « cris ultrasonores » ?
1.2. Quel adjectif (longitudinal ou transversal) peut-on employer pour qualifier ces « cris » ?
Justifier.
2. Questions sur le document 2.
2.1. Déterminer, le plus précisément possible, la période T des signaux émis par les chauvessouris.
2.2. En déduire la fréquence fondamentale f des signaux émis par les chauves-souris. Conclure en
justifiant l’appellation « cris ultrasonores » du document 1.
2.3. Quelle est la fréquence de ses deux harmoniques les plus proches ?
3.
3.1. Nommer, d’après les documents, le phénomène qui perturbe la détection d’un écho pour que la
proie soit détectable.
3.2. Calculer la dimension minimale d’une proie pour qu’elle soit détectable.
4.
4.1. On souhaite modéliser la détection des distances d’une chauve-souris qui se rapproche d’un
obstacle fixe. Faire apparaitre, sur le schéma de l’annexe, le parcours du signal émis se
rapprochant de l’obstacle, puis expliquer comment la chauve-souris peut ainsi estimer les distances.
4.2. En utilisant le Document 3, calculer la distance séparant la chauve-souris du mur.
5.
5.1. Expliquer pourquoi « Les battements d’aile d’un insecte produisent un décalage des fréquences
par effet Doppler oscillant ».
5.2. Donner un exemple d’utilisation de l’effet Doppler dans le domaine des ondes
électromagnétiques.
5.3. Lorsque la chauve-souris se rapproche d’un mur, l’écho perçu a-t-il une fréquence plus grande,
identique ou plus faible que celle du signal émis ? Justifier simplement.
6. On propose deux relations pour l’expression de la fréquence perçue fR par une chauve-souris se
dirigeant vers un mur à la vitesse de v = 20 km.h-1. On note f0 la fréquence du signal émis.
1
2
3
∆
6.1. Laquelle des relations (1) ou (2) est utilisable dans le cas décrit ? Justifier.
6.2. Calculer la fréquence fR de l’écho reçu lorsque le signal émis a pour fréquence 62 kHz.
6.3. En utilisant une des expressions précédentes, calculer la vitesse v d’une proie par rapport à la
chauve-souris, lorsque celle-ci perçoit un décalage de fréquence ∆f = 880 Hz pour un ultrason émis
à la fréquence f0 = 93 kHz.
6.4. Combien de temps va mettre la chauve-souris pour rattraper sa proie, supposée située à 8,5 m
d’elle en ligne droite ?
12
ANNEXE DE L’EXERCICE 1 À RENDRE AVEC LA COPIE
n° d’anonymat :…………………………………
Question 3b.
Questions 2.3 et 2.4
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ANNEXE DE L’EXERCICE 3 À RENDRE AVEC LA COPIE
N° d’anonymat : ……………………………
15