Exercice n°1 - Lycée Saint
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1. Il remplace les appareils de mesure par un syst me d acquisition informatis qui lui donne les variations de i t obtenues la fermeture de l interrupteur La tension du g n rateur reste fixe et gale 6 00 V 2 1 Quel est alors le ph nom ne observ dans le circuit 2 2 Sur le sch ma 2 du circuit modifi EN ANNEXE 2 RENDRE AVEC LA COPIE indiquer comment brancher le syst me d acquisition voie d entr e et voie de r f rence afin d obtenir une tension proportionnelle l intensit du courant dans le circuit Justifier votre r ponse 2 3 D terminer la valeur de la constante de temps t partir du document obtenu par le syst me d acquisition D tailler clairement la m thode utilis e sur le graphe 3 donn en EN ANNEXE 3 A RENDRE AVEC LA COPIE L 2 4 La valeur de t de ce circuit est gale au rapport R ou R repr sente la r sistance lectrique totale du circuit 2 4 1 Donner l expression litt rale de t en fonction des param tres du circuit et v rifier par une analyse dimensionnelle que t est homog ne un temps 2 4 2 La bobine ayant une inductance L 250 mH d duire la valeur r de sa r sistance Lyc e Saint Sernin BAC BLANC de Sciences Physiques 2008 2009 page 6 10 2 5 On considere que l intensit i t atteint la valeur limite L 240 mA au bout d une dur e 5 fois sup rieure r 2 5 1 Quel est alors le r gime de fonctionnement de la bobine 2 5 2 Exprimer r r sistance de l2. Henri Becquerel Pierre et Marie Curie re urent le prix Nobel de Physique en 1903 pour avoir d couvert la radioactivit 1 1 Parmi les termes suivants provoqu in luctable limit al atoire instantan spontan en cha ne acc l r par une augmentation de la temp rature quels sont ceux qui peuvent qualifier le ph nom ne de radioactivit 1 2 Rappeler les lois de conservation au cours des r actions nucl aires 1 3 Le noyau de polonium Po est la fois metteur a et PP crire les deux quations de d sint gration 1 4 Le radium Ra est metteur a Identifier le noyau fils crire l quation et calculer l nergie lib r e lors de la d sint gration d un noyau de radium Partie 2 Dans les ann es 1931 1934 Ir ne et Fr d ric Joliot Curie tudi rent le rayonnement du polonium Ils fabriqu rent des sources tr s intenses de polonium 210 d activit 7 2 10 becquerels concentr es sur des petites surfaces 20 mm La demi vie de ce radionucl ide est de 138 jours 2 1 Pourquoi devaient ils renouveler souvent ces sources 2 2 Quelle est l activit d une telle source au bout de 3 ans 2 3 Calculer la constante radioactive du polonium 210 2 4 Rappeler la relation liant la date activit A et nombre de noyaux N d une source radioactive 2 5 Calculer la masse initiale de polonium 210 dans une source Lyc e Saint Sernin BAC BLANC de Sciences Physiques 2008 2009 page 4
3. mol Lyc e Saint Sernin BAC BLANC de Sciences Physiques 2008 2009 page 8 10 ANNEXE 2 RENDRE AVEC LA COPIE DE L EXERCICE lll Sch ma 1 E 6 Volts Sch ma 2 E 6 Volts Lyc e Saint Sernin BAC BLANC de Sciences Physiques 2008 2009 page 9 10 ANNEXE 3 A RENDRE AVEC LA COPIE DE L EXERCICE lll Graphe 3 R sultat de l acquisition donn par le syst me informatis i t en mA t en ms em p u qn AAA v CE A A A e i u u CET daur t r r lt ele LE aap CETTE ES Qub AE A damb uu a n tu PS u 6 u j 4 j i gt q h q ju 4 m du f e fe rf gt TAO is e ar t a m p A A A A d a np u p qu ur e e ja 4 nf Ar ame A E aap 40 p lt a j b mf 4 mi TEO du r daou ol r dt d du m l a b dada Ju a e d E gt d anu adu J rub du L n den ln a de ml desh a Juu AS ta e L nl dra adeo dort rondo le des i L w d t i 2 3 1 4 1 2 J 1 1 a d ol 4 4 r n _ d a rl dau nul ed AAA d olo doodle dem AAA AS oder SS a rl A L dus w du a l diu d A ede l desl eje wb diu lL a ie w d wel dan bado A doul tol E ES PA n mi a mb a AS A PA A drr 2 de A emimmhmdmmkhed ent rra
4. 10 Partie 3 Les Joliot Curie raterent de peu la d couverte du neutron mais ils d couvrirent la radioactivit artificielle en 1934 Apr s avoir plac quelques minutes une feuille d aluminium de nombre de masse A 27 contre une source de polonium metteur a un compteur Geiger M ller leur indiqua que la feuille d aluminium tait devenue radioactive 30 Les noyaux d aluminium Al bombard s par des particules a donnent naissance des noyaux de phosphore P radioactifs Le phosphore P radionucl ide artificiel c est dire qui n existe pas dans la nature est metteur B En crivant l quation de d sint gration identifier son noyau fils Partie 4 La fission entra brusquement dans le monde de la physique et dans l histoire en 1938 lorsqu elle fut d couverte par Hahn et Strassmann la veille d un conflit mondial qui allait vigoureusement stimuler son tude et lui faire jouer un r le de plus en plus important du moins jusqu son d nouement en 1945 L uranium 235 est fissible sous l impact d un neutron lent qu il capture 4 1 nergie de liaison par nucl on 4 1 1 Calculer le d faut de masse du noyau d uranium 235 4 1 2 En d duire l nergie de liaison du noyau d uranium 235 puis l nergie de liaison par nucl on 4 2 Une des fissions possibles est la suivante gn E U gt Z Sr Xe 2 gn 4 2 1 Compl ter l quation de la r action nucl aire 4 2 2 Expliquer pourquoi la r
5. On peut ainsi repr senter l volution de l avancement de la r action en fonction du temps voir figure 2 EN ANNEXE 1 RENDRE AVEC LA COPIE En d duire le taux d avancement de la r action l instant de date t 110 min dx 2 4 La vitesse volumique de r action est donn e par la relation v t Ar o x est l avancement de la r action l instant de date t et V le volume de la solution D crire en utilisant la courbe pr c dente l volution de cette vitesse 2 5 En poursuivant l exp rience pendant une dur e suffisante on obtient une concentration finale NH 2 0 x 10 molL D terminer le taux d avancement final de cette transformation Cette transformation est elle totale 2 6 D finir puis d terminer graphiquement le temps de demi r action 2 7 Dans l aquarium la valeur de la temp rature est seulement de 27 C Tracer sur la figure 2 EN ANNEXE 1 RENDRE AVEC LA COPIE l allure de la courbe pr c dente cette temp rature 2 8 Les ions ammonium finissent par se transformer en ions nitrate dont l accumulation risque de compromettre la vie des poissons Ces derniers ions constituent un aliment essentiel pour les plantes vertes de l aquarium Expliquer pourquoi dans les livres d aquariophilie on dit que l aquarium doit tre bien plant EXERCICE II UN PEU D HISTOIRE DES SCIENCES 7 points Les parties 1 2 et 3 sont ind pendantes Les donn es se trouvent en fin d exercice Partie 1
6. action de fission s auto entretient Quel qualificatif lui donne t on 4 2 3 Calculer l nergie lib r e par cette r action de fission en Mev et en J en pr sentant un diagramme nerg tique dans lequel on fera figurer l nergie du syst me avant et apr s r action ainsi que l nergie des nucl ons s par s 4 2 4 Un des noyaux form s se d sexcite en mettant un rayonnement y de fr quence v 1 6 10 Hz A quelle longueur d onde dans le vide ce rayonnement correspond il Donn es Z 12 18 14 15 146 82 83 84 85 66 87 88 89 90 91 92 l ment Mg Al Si P S Pb Bi Po At R Fr Ra Ac Th Pa U e m Ra 225 9770 u mCRn 221 9702u m U 234 99351u m Po 210 0482 u m a 4 0015u m n 1 008665 u m p 1 007276u e e 1 602 10 C 4 lu 1 66054 107 kg 1u 931 494 MeV c e 1MeV 1 6022 10 J c l rit de la lumi re c 2 9979 10 m s e constante d Avogadro Na 6 022 10 mol e nergie moyenne de liaison par nucl on uranium U 7 59 MeV nucl on strontium Sr 8 59 MeV nucl on x non n Xe 8 29 MeV nucl on Lyc e Saint Sernin BAC BLANC de Sciences Physiques 2008 2009 page 5 10 EXERCICE Ill V RIFICATION DES CARACT RISTIQUES D UNE BOBINE REELLE 5 points Dans tout l exercice on tiendra compte de la pr cision des donn es afin d exprimer les
7. r sultats num riques en accord avec cette pr cision Un tudiant curieux veut v rifier la valeur de la r sistance r d une bobine r elle d inductance 250 mH mod lis e sous forme d un dip le r L en s rie La tension en fonction du temps dans le cas g n ral d un courant lectrique d intensit i t aux bornes d une telle bobine est donn e par la relation Ub di AL A Up r i L q O r L i Il dispose de tout le mat riel souhaitable et proc de plusieurs essais Partie A V rification de R 1 En r gime permanent Pour mesurer la valeur de r l tudiant r alise un circuit comportant un g n rateur de tension continue de valeur E 6 00 V de r sistance interne n gligeable un amp rem tre num rique un voltm tre num rique des fils de connexion et la bobine tudier 1 1 Compl ter le sch ma 1 EN ANNEXE 2 RENDRE AVEC LA COPIE du circuit en indiquant les positions de l amp rem tre et du voltm tre Faire figurer la tension u E tension aux bornes du g n rateur ainsi que la tension u tension aux bornes de la bobine On n gligera la tension aux bornes de l amp rem tre 1 2 Les mesures des appareils donnent U 5 95 V et I 410 mA En d duire la valeur r de la r sistance de la bobine dans ce cas particulier Justifiez votre d marche 2 En r gime transitoire L tudiant modifie le montage pr c dent auquel il ajoute une r sistance R 10 0 Q en s rie
8. Bac blanc Lyc e Saint Sernin 2008 2009 PHYSIQUE CHIMIE S rie S DUR E DE L PREUVE 3h30 COEFFICIENT 6 L usage des calculatrices est autoris Ce sujet comporte un exercice de CHIMIE et deux exercices de PHYSIQUE pr sent s sur 10 pages num rot es de 1 10 y compris celle ci et les feuilles annexes relatives aux exercices I et III rendre avec la copie num rot es 8 10 10 10 Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont ind pendants les uns des autres Exercice n I CHIMIE Comme un poisson dans l eau 8 points Exercice n Il PHYSIQUE Un peu d histoire des sciences 7 points Exercice n IIl PHYSIQUE V rification des caract ristiques d une bobine r elle 5 points ATTENTION Le candidat devra utiliser une copie diff rente pour chacun des trois exercices Les annexes relatives aux exercices I et ITI seront plac es dans les copies correspondantes Lyc e Saint Sernin BAC BLANC de Sciences Physiques 2008 2009 page 1 10 EXERCICE I COMME UN POISSON DANS L EAU 8 points L aquariophilie est une passion qui touche de plus en plus d amateurs mais aussi de n ophytes De nombreux facteurs peuvent contribuer un d s quilibre dangereux pour la vie et la sant des poissons Il est donc n cessaire de contr ler r guli rement la qualit de l eau Le pH de l eau est la premi re grandeur qu il faut mesurer au moins une fois par semaine et ajuster ventuelle
9. CO aq dont il faut tenir compte Les ions H3O introduits vont en effet r agir avec ces ions L quation associ e la r action consid r e est la suivante HCO aq H30 CO aq 2H 20 r action 1 1 4 1 Donner l expression de la constante d quilibre K associ e l quation de la r action 1 en fonction des concentrations des diff rentes esp ces chimiques pr sentes 1 4 2 Exprimer cette constante d quilibre en fonction de la constante d acidit Ka du couple CO aq H20 HCO ag D terminer sa valeur num rique Donn e pK 6 4 1 5 L eau utilis e pour l aquarium est tr s calcaire Dans cette eau les concentrations molaires initiales des esp ces mises en jeu dans la r action 1 sont telles que le quotient de r action initial de cette r action vaut Q 5 0 1 5 1 En utilisant le crit re d volution spontan e montrer que des ions H O sont consomm s si l eau est calcaire 1 5 2 Le pH final sera t il sup rieur gal ou inf rieur au pH calcul la question 1 3 1 5 3 Dans la notice du fabricant on trouve la phrase suivante Assurez vous par des tests r guliers que votre eau est suffisamment calcaire car sinon il pourrait y avoir des risques de chutes acides Expliquer 2 tude de la formation des ions ammonium L ur e de formule NH CO est un polluant de l aquarium Elle est contenue dans les d jections de certains poissons et conduit au cours d une r action
10. a bobine en fonction de E I et R Calculer sa valeur r3 2 6 Les trois valeurs r obtenues dans les parties A et B sont elles coh rentes entre elles Partie B V rification de L 3 En r gime oscillatoire Cette bobine est branch e aux bornes d un condensateur de capacit FN C 4 0 uF pr alablement charg par un circuit annexe non repr sent selon le sch ma ci contre On tudie les variations de la tension aux bornes du condensateur en fonction du temps on obtient la courbe graphe 4 3 1 P riode des oscillations 3 1 1 Rappeler l expression litt rale de la p riode propre To d un oscillateur LC 3 1 2 D terminer graphiquement la valeur de cette p riode en pr cisant la m thode utilis e sur le graphe 4 EN ANNEXE 3 A RENDRE AVEC LA COPIE i 3 2 En d duire la valeur de l inductance de la bobine Cette valeur correspond elle la valeur attendue 3 3 Pourquoi les oscillations sont elles amorties Lyc e Saint Sernin BAC BLANC de Sciences Physiques 2008 2009 page 7 10 ANNEXE 1 RENDRE AVEC LA COPIE DE CHIMIE Tableau d volution du syst me chimique NH2 2CO aq NH4 aq OCN aq dansent Quantit s de mati re mol Etat mol NH2 2CO aq NH aq OCN aq tat initial x 0 tat en cours 3 d volution tat final en supposant gt la transformation totale Mo Figure 2 Cin tique de la d composition de l ur e x
11. dr I mL C A A A A A AR a l da ulu t ms Graphe 4 uc en V page 10 10 BAC BLANC de Sciences Physiques 2008 2009 Lyc e Saint Sernin
12. entration molaire en solut apport cg 4 0 x 10 2 mol L On obtient la courbe de la figure 1 On a galement fait appara tre la courbe repr sentant la d riv e du pH en fonction du volume de soude vers dpH db f Vb pH f Vb dpH dVb V VA L i de Pi 5 F L TUS UNES RE 2 0957 a a Vb mL Figure 1 Titrage de la solution commerciale dilu e par la soude 1 1 crire l quation de la r action support du titrage 1 2 quivalence 1 2 1 D finir l quivalence 1 2 2 En d duire la valeur de la concentration des ions oxonium dans la solution dilu e Sa 1 2 3 Montrer que dans la solution commerciale la concentration des ions oxonium H3O est voisine de 2 5 mol L Cette valeur sera utilis e pour la suite de l exercice Lyc e Saint Sernin BAC BLANC de Sciences Physiques 2008 2009 page 2 10 1 3 On d sire diminuer le pH de l eau de l aquarium et l amener une valeur proche de 6 alors qu il tait initialement gal 7 Sur le mode d emploi du fabricant on peut lire qu il faut verser en une fois 20 mL de la solution commerciale dans 100 L d eau Pour simplifier le calcul on consid rera que le volume final reste gal 100 L Quelle serait la valeur du pH final de l eau de l aquarium s il n y avait qu une simple dilution des ions H3O 1 4 L eau tant toujours plus ou moins calcaire elle contient des ions hydrog nocarbonate H
13. lente la formation d ions ammonium NH et d ions cyanate OCN selon l quation NH2 2CO aq NH aq OCN aq r action 2 L tude de la cin tique de cette r action 2 peut tre r alis e par conductim trie Pour cela on pr pare un volume V 100 0 mL d une solution d ur e de concentration molaire en solut apport gale c 0 020 mol L et on suit sa d composition en la maintenant dans un bain marie 45 C diff rentes dates on mesure la conductivit de la solution La conductivit o de cette solution peut s exprimer en fonction des concentrations des esp ces ioniques en solution et des conductivit s molaires ioniques les ions H30 et HO aq sont en tr s faible quantit et pourront ne pas tre pris en compte On a donc la relation suivante o Ann INH4 la AOCN OCN Te 2 1 Montrer que la concentration de la solution en ions NH aq peut tre d termin e partir de la mesure de la conductivit de la solution les conductivit s molaires ioniques tant connues 2 2 volution du syst me chimique 2 2 1 Compl ter litt ralement le tableau descriptif de l volution du syst me figurant EN ANNEXE 1 RENDRE AVEC LA COPIE 2 2 2 En d duire la relation chaque instant entre la concentration en ions NH aq en solution et l avancement de la r action 2 2 3 Calculer l avancement maximal X max Lyc e Saint Sernin BAC BLANC de Sciences Physiques 2008 2009 page 3 10 2 3
14. ment En effet certains poissons ne peuvent voluer que dans un milieu acide c est le cas des poissons d Amazonie comme les N ons ou les T tras d autres dans un milieu basique c est le cas des poissons d Am rique Centrale comme les Platy et les Molly Aucun de ces poissons ne tol re une trop forte teneur en ions ammonium NH ou en ions nitrite NO le cycle de l azote doit donc tre surveill en vitant soigneusement la surpopulation de l aquarium et l exc s de nourriture D apr s Poissons et aquariums Edition Larousse L exercice suivant est destin pr ciser certains points de ce texte On tudie d abord un produit commercial utilis pour diminuer le pH de l eau de l aquarium on s int resse ensuite la formation des ions ammonium 1 tude d une solution commerciale destin e diminuer le pH de l aquarium Sur l tiquette du produit on peut lire que la solution commerciale Sy est constitu e d acide chlorhydrique H30 CI aq mais aucune concentration n est indiqu e La transformation conduisant l acide chlorhydrique tant totale la concentration cy de la solution commerciale est gale la concentration en ions H 0 On cherche d terminer cette concentration en faisant un titrage pH m trique Pour cela on dilue 50 fois la solution commerciale et on proc de au titrage d un volume VA 20 0 mL de la solution dilu e S l aide d une solution d hydroxyde de sodium Sg Na ag HO aq de conc
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