DS commun seconde 2012_finalcor - S. Tatulli

1/7 NOM : Classes de seconde 2012 DEVOIR COMMUN DE SCIENCES PHYSIQUES L'énoncé comporte 6 pages et est à rendre avec la copie.L'usage de la calculatrice est autorisé.Les réponses apportées devront être soigneusement justifiées.Chaque calcul sera précédé de son expression littérale, et accompagné de l'unité adéquate.EXERCICE I : ETUDE D'UN ÉLECTROCARDIOGRAMME (2,5points) Le document de l'annexe 1 représente un électrocardiogramme.(0,5)1. Surligner un motif élémentaire.2. Calculer la période des battements de ce cœur, en précisant le raisonnement.(1+0,5)La période T est représentée par un segment horizontal de 4,0 cmSachant 1cm de l’échelle horizontale correspond à 200 msOn en déduit la périodeT = 4,0×200 = 8,0. 10 ! msT =0,80 s3. Quelle leur fréquence? L'exprimer en Hertz, puis en nombre de battements par minute.(1+1)On sait que T = ! !D’oùf = 1 Tf =!!,!"= 1,3 Hz soit 1,3 battements par secondeSoitf = 1,3×60 = 78 battements par minute4. Quelle est la tension maximale Umax du signal?(1)Umax La tension maximale est représentée par le segment de 2,5 cm sachant que 1,0 cm sur l’échelle verticale correspond à unetension de 10mVU !"# = 2,5×10 = 25 mVU !"# = 25×10 !! VEXERCICE II : INDICE DE RÉFRACTION D'UN ALCOOL (3 points) Pour identifier un liquide transparent, une possibilité est de mesurer son indice de réfraction. C’est en effet un grandeur qui lui est propre(comme la température d’ébullition...).

2/7 NOM : Classes de seconde 2012 Le tableau suivant donne les indices de réfraction de trois alcools, pour une lumière monochromatique de longueur d’onde 580 nm.Alcool méthanol éthanol butanolIndice de réfraction n 1,332 1,362 1,399Une cuve semi-cylindrique est remplie d’un de ces trois alcools ; elle est disposée sur un dispositif de mesure d’angles, comme lemontre le schéma donné en annexe 2.Pour un angle d’incidence i = 27,0° , on mesure un angle de réfraction r = 37,2°.1. Qu’est-ce qu’une lumière monochromatique ?(0,5)Une lumière monochromatique est une lumière qui ne peut être décomposée par un système dispersif, elle est caractérisé parsa fréquence ν ou sa longueur d’onde dans le vide λ2. Compléter le schéma n°1 de l'annexe 2 en indiquant :(5x0,25= 1,25)l’angle i, l’angle r, le point d’incidence I, la normale au point d’incidence, le dioptre air-alcool.Normale au point d’incidence I r Dioptre air-­‐alcool Point d’incidence i 3. En utilisant la loi de Snell-Descartes, déterminer l’indice de réfraction du liquide. (1,5)La loi de snell descartes permet d’écriren ! . sin i ! = n ! sin (i ! )Avec n ! = n (indice du liquide) et n ! = n !"# = 1,0 la relation devient :n. sin i = sin (r)sin (r)n =sin isin (37,2)sin 27°n = 1,33n =4. Lequel des trois alcools la cuve contient-elle ? (0,5)Des trois liquides susceptibles d’être contenu dans la cuve celui qui a un indice de réfraction le plus proche de la valeurtrouvée est le méthanol .La cuve contient donc du méthanol5. Si on augmente la valeur de l’angle i, le rayon réfracté n’existe plus.a. Indiquer sur le schéma n°2 de l'annexe 2 le trajet suivi par la lumière. (1)b. Comment nomme-t-on le phénomène observé ? (0,5)Si on n’observe pas de rayon réfracté, alors toute la lumière incidente est réfléchie ; c’est le phénomène de laréflexion totalec. Citer une application technique de ce phénomène. (0,5)

3/7 NOM : Classes de seconde 2012 Ce phénomène est mis en œuvre dans les fibres optiques utilisées un examen d’exploration pour un diagnosticmédical : la fibroscopieEXERCICE III : SYNTHESE DE L'ASPIRINE (3,75 points) 1 ère étape : préparation.Dans un montage de chauffage à reflux (schéma du montage en annexe 3), on introduit :• 3,5 g d’acide salicylique en poudre ;• 5,0 mL d’anhydride acétique ;• quelques gouttes d’acide sulfurique pour accélérer la réaction.Le mélange réactionnel est alors maintenu à 60°C environ pendant une vingtaine de minutes.1. Quels sont les réactifs utilisés pour cette synthèse ?(0,5)Le mélange réactionnel est constitué de deux réactifs l’acide salicylique et l’anhydride acétique, l’acide quant à lui n’est pasconsommé il intervient uniquement comme accélérateur de la transformation chimique2. Compléter le schéma du montage en nommant les parties repérées par des flèches.(5x0,25= 1,25)1 : réfrigérant à eau2 : ballon à fond rond3 : Milieu réactionnel (acide acétique + anhydride acétique + acidesulfurique)4 : chauffe ballon5 : support élévateur3. Pourquoi chauffe-t-on le mélange ?(0,5)Le mélange est chauffé afin d’accélérer la transformation chimique.4. Quel est le rôle de la partie (1) du montage ? Justifier le sens decirculation de l’eau.(1+0,5)Le réfrigérant à eau permet de condenser les vapeurs produites par lechauffage du mélange et leur permet de rejoindre le milieu réactionneldont elles sont issues. Il permet ainsi le reflux des espèces chimiques versle milieu réactionnel .Il évite ainsi toute perte de matière.Le réfrigérant à eau doit être alimenté par le bas afin qu’il soit remplitotalement en permanence pour assurer une réfrigération optimale desvapeurs qui y pénètrent.2 ème étape : purification du produit synthétisé.Après refroidissement, on ajoute de l’eau froide dans le contenu duballon : un solide apparaît.Ce solide subit une purification puis il est récupéré par filtration.3 ème étape : identification.Pour identifier le produit formé on réalise une chromatographie surcouche mince (CCM) avec trois dépôts :dépôt A : une solution d’aspirine pure ;dépôt B : une solution obtenue à partir des cristaux ;dépôt C : une solution d’acide salicylique pur.Après révélation, on obtient le chromatogramme représenté en annexe 3.Que représentent les deux traits horizontaux sur le chromatogramme ?(2x0,25)H B 2 B 1 sortie d’eauhC 1arrivée d’eau froide2345- le trait horizontal inférieur représente la ligne des dépôts, c’est à dire la ligne sur laquellesont déposés les échantillons des différentes substances analysées.- Le trait horizontal supérieur représente le front du solvant, il indique le niveau atteint par lesolvant à la fin de l’élution.Calculer le rapport frontal R C de la tache laissée par l’espèce C(0,5+0,5+0,5)R ! = h !H- h C = 3,0 cm distance parcourue par la tache issue de C depuis la ligne de dépôts- H = 4,5 cm: distance parcourue par le front du solvant depuis la ligne de dépôtsR ! = 3,04,5R ! = 0,675. Pourquoi a-t-il fallu révéler le chromatogramme ? (0,5)Il est nécessaire de révéler le chromatogramme pour faire apparaître les taches incolores quine sont pas visibles sous la lumière ambiante6. Que pouvez-vous conclure du résultat ? Faudra-t-il reprendre l’étape de purification ?(1+0,25)Le dépôt B donne naissance à deux taches distinctes B 1 et B 2 : On peut affirmer que le dépôt C est un mélange de deux espèceschimiques.La tache B 1 a migré comme la l’unique tache issue de A : B 1 est constituée d ‘aspirineLa tache B 2 de petite taille a migré comme la l’unique tache issue de C : B 2 est constituée d ‘acide salicylique en faiblequantitéLes cristaux provenant de la première purification sont constitués d’aspirine et d’acide acétylsalicylique, une nouvellepurification est nécessaire si l’on souhaite augmenter la pureté de ces cristaux d’aspirine

4/7 NOM : Classes de seconde 2012 EXERCICE IV : ETUDE DE DEUX FORMULATIONS (2,5 points) L'acétylcystéine est le principe actif de médicaments utilisés comme fluidifiants des sécrétions bronchiques. Ces dernières sont alorsplus facilement évacuées. On la trouve sous deux formulations différentes sous forme de solution buvable (sirop) ou sous forme desachet.Sur la notice de la solution buvable il est indiqué : " Un volume V 0 = 100mL de solution contient une massem 0 = 2,00 g d'acétylcystéine".Le laboratoire pharmaceutique fabriquant ce médicament fournit une cuillère-mesure V = 5,0mL.1. Calculer la concentration massique Cm de la solution commerciale en g.L -1 (0,5+0,5=1)mC ! =V !"#$%&"'A.N :m= 2,0 g : masse d’acide acétylcystéine dissoutV solution = 100 mL =0,100 L : volume de la solution buvableC ! = 2,00,100C ! = 20 g. L !!2. Donner l'expression littérale de la masse m d'acétylcystéine prélevée par une cuillère-mesure en fonction de V et Cm, puis lacalculer. (0,5+0,5=1)m': masse d’acide acétylcystéine dissout dans la solution d’une cuillère-mesureV’ : Volume de la solution que contient une cuillère-mesureA.N :C ! = 20 g. L !!V′ !"#$%&"' = 5,0 mL = 5,0. 10 !! Lm′C ! =V′ !"#$%&"'d′oùm ! = C ! ×V′ !"#$%&"'m ! = 20×5,0. 10 !!m ! = 1,0. 10 !! g3. Pour effectuer des mesures sur ce sirop, un chimiste réalise une dilution de ce sirop : il prépare alors une solution diluée devolume V' = 25,0mL en prélevant un volume Vp = 2,0mL du sirop commercial.a) Écrire le protocole permettant de réaliser cette dilution en précisant la verrerie à utiliser. (1+0,25+0,25=1,5)- il prélève un volume Vp= 2,0 mL de la solution mère de concentration Cm à l’aide d’une pipette graduée qu’il transvasedans une fiole jaugée de volume V’ = 25,0 mL.- Complète le niveau jusqu’au trait de jauge en ajoutant de l’eau distillée- il agite le mélange pour l’homogénéiser vérifie le niveau et le complète toujours avec de l’eau distillée si nécessaireb) Calculer la concentration massique C'm en acétylcystéine de la solution diluée obtenue. (1+0,25+0,25=1,5)Au cours de la dilution les volumes et les concentrations massiques des solutions mères et filles sont liés par la « relationde la dilution »On en déduit :A.N :Vp= 2,0 mL= 2,0. 10 !! LC ! = 20 g. L !!V’= 25,0 mL = 25,0. 10 !! LC ! ×V ! = C′ ! ×V′C ! ! = C !×V !V′C ! 20×2,0. 10!!! =25,0. 10 !! ′C ! ! = 1,6 g. L !!EXERCICE V : QCM UNIVERS (8,25 points) 0,25 pour chaque réponse V ou F+ 12*0,5 (justifications) A chaque question peut correspondre une seule ou plusieurs propositions correctes. Vous répondrez au QCM dans le tableau de réponsesjoint, en justifiant, le cas échéant votre réponseQuestion VRAI FAUX JUSTIFICATIONQuestion 1 : La vitesse de la lumière dans le vide est égale à :3,00.10 8 m.s -1 Pas de justification340 m.s -1 Pas de justification1 al Pas de justification

5/7 NOM : Classes de seconde 2012 Question 2 : Notre galaxies'appelle la Voie Lactées'étend jusqu'aux confins de l'universest de la même taille que le système solaireQuestion 3 : L'année de lumière estla distance de la Terre au Soleilla distance parcourue par la lumière en unan dans le videla durée que met la lumière pour parcourir300 000 kilomètres dans le videQuestion 4 : L'année de lumière est égale àPas de justificationPas de justificationPas de justificationPas de justificationPas de justificationPas de justification9,5.10 15 m Calcul détaillé :9,5.10 15 km9,5.10 15 sc = D ∆tD = c×∆tUne année de lumière est la distance D parcourue par lalumière dans le vide pendant la durée ∆t = 1 anA.N :∆t = 1 an = 365,25 j = 365,25×24 h∆t = 1 an = 365,25×24×3600 sc = 3,00. 10 ! m. s !!D = 3,00. 10 ! ×365,25×24×3600D = 9,47. 10 !" mQuestion 5 : Au cours de l'année 2009, des astronomes français ont réussi à photographier une exoplanète gravitant autour del'étoile Bêta Pictoris. Cette dernière, située dans la Voie Lactée à 60.10 16 m, est la deuxième étoile la plus brillante de laconstellation du Peintre.Exprimée en notation scientifique, cettedistance est égale à 6,0.10 20 kmIndiquez la bonne réponse si vous jugez la réponse fausse :D= 6,0.10 17 mD= 6,0.10 14 kmL'ordre de grandeur de cette distance estégale à 10 15 mIndiquez la bonne réponse si vous jugez la réponse fausseD≈10 18 mLes astronomes ont observé l'exoplanètetelle qu'elle était réellement en 2009Justification :En raison de la distance qui sépare les astronomes del’exoplanète ils ne la voient telle qu’elle est au moment del’observation mais bien plus tôt car il faut à la lumière unecertaine durée pour parvenir au télescope de l’astronome depuiscette exoplanèteEn exprimant la distance en année de lumière6,0. 10!"D = ≈ 63a. l9,47. 10!"Les astronomes l’ont observé telle qu’elle était 63 années plustôtQuestion 6 : Sur la Lune se trouvent plusieurs réflecteurs (miroirs) déposés lors de missions spatiales. Un Laser situé à lasurface de la Terre émet des impulsions vers ces réflecteurs. L'un d'eux renvoie la lumière vers le Laser. On mesure ∆t la duréeentre l'émission et la réception du signal lumineux. Cette mesure permet de calculer la distance D entre le Laser et leréflecteur. On note c la vitesse moyenne de propagation de l'impulsion lumineuse sur le parcours.La relation liant ces trois grandeurs est D =c.∆tLa relation liant ces trois grandeurs est D =(c.∆t)/2La relation liant ces trois grandeurs est D =2.c.∆tIl est possible de réaliser la mêmeexpérience en utilisant des ondesultrasonoresJustification :La distance que parcourue par le faisceau laser entre l’émissionla réflexion et la réception du signal lumineux correspond à ladistance aller retour qui sépare la Terre à la Lune Soit 2DCette distance est parcourue à la vitesse c pendant la durée Δt2.D =c.ΔtD= c.Δt/2Justification :Les ondes ultrasonores sont des ondes sonores de hautefréquence elles ne peuvent se propager dans le vide car ellesnécessitent la présence d’un milieu matériel pour ce propager

6/7 NOM : Classes de seconde 2012 Question 7 : Le noyau d'un atome de silicium3115Siest composé de 15 protons et 31 électrons Corrigez la phrase si vous la jugez fausse :est composé de 15 protons et 31 Nucléonsest composé de 46 nucléons Corrigez la phrase si vous la jugez fausse :est composé de 46 particules élémentairesest entouré de 15 électrons Justification :L’atome est électriquement neutre la charge positive d’un protonest compensée par la charge négative d’un électronDans un atome il y a autant de protons dans le noyau qued’électrons qui gravitent autourcontient 31 neutrons Corrigez la phrase si vous la jugez fausse :Il contient 31-15 = 16 neutronsQuestion 8 : On considère deux atomes dont le noyau contient 10 protonsils sont forcément entourés de 10 électronsils contiennent forcément 10 neutronsils sont forcément isotopesQuestion 9 : Dans un atomeles neutrons et les électrons ontpratiquement la même masseles neutrons et les protons ont pratiquementla même masseles protons et les électrons portent lamême chargePas de justificationPas de justificationPas de justificationPas de justificationPas de justificationPas de justification31Question 10 : On considère l'atome 15Si. On appelle e la charge élémentaire portée par un proton et m n la masse d'unnucléon. On donne m n = 1,67.10 -27 kg.La masse du noyau de cet atome est égale à2,5.10 -26 kgLa masse du noyau de cet atome est égale à5,2.10 -26 kgLa charge du noyau est égale à 15eLa masse de l'atome est, en premièreapproximation, égale à la masse du noyauatomiqueQuestion 11 : Le spectre d'absorption d'une étoile renseigne surLa taille de cette étoileLe nombre de planètes qui gravitent autourd'ellesLa composition chimique de son enveloppegazeuseCalcul détaillé :Pas de justificationPas de justificationPas de justificationPas de justificationPas de justificationm !"#$% = A. m !m !"#$% = 31×1, 67. 10 !27m !"#$% = 5,2. 10 !26 kgQuestion 12 : Traversé par un courant d'intensité maximale le filament d'une ampoule brille fortement. Lorsque l'intensité estplus faible, la température du filament diminue et il brille un peu moins. Le spectre de la lumière qu'il émet :est un spectre de raies d'émissionest un spectre d'émission continule spectre s'enrichit plus en radiationsviolettes qu'en rougesle spectre s'enrichit plus en radiations decourtes longueurs d'onde que de grandeslongueurs d'ondePas de justificationPas de justificationPas de justificationPas de justification