SCIENCES PHYSIQUES BAC BLANC N 1 DUREE : 3H30

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1 DECEMBRE 2015 MM. ABBOU ET ZAJAC SCIENCES PHYSIQUES BAC BLANC N 1 DUREE : 3H30 17 PAGES CALCULATRICE AUTORISEE ELEVES DE SPECIALITE SVT OU MATHS : EXERCICE 1 : UN PREMIER EXERCICE BRUYANT OU PAS 8 POINTS EXERCICE 2 : C EST DE SAISON 1 ANNEXE A RENDRE 7 POINTS EXERCICE 3 : BIOLOGIE OU PHYSIQUE-CHIMIE IL FAUDRAIT SAVOIR CE QU ON VEUT 5 POINTS ELEVES DE SPECIALITE PC : EXERCICE 1 : UN PREMIER EXERCICE BRUYANT OU PAS 8 POINTS EXERCICE 2 : C EST DE SAISON 1 ANNEXE A RENDRE 7 POINTS EXERCICE 3 : DE QUOI S ECLATER LES TYMPANS 5 POINTS 1 ANNEXE A RENDRE Bac Blanc décembre /17

2 EXERCICE 1 : (8 POINTS) UN PREMIER EXERCICE BRUYANT OU PAS Une enquête réalisée en 2010 a révélé que les jeunes de 12 à 25 ans passent en moyenne 1h38 par jour à écouter leur baladeur numérique. Dans les transports en commun notamment, nombreux sont ceux qui s isolent de l environnement sonore extérieur en écoutant de la musique. Les casques audio offrent tous une réduction dite «passive» des bruits ambiants en isolant le système auditif par la seule application des oreillettes. Mais il existe aujourd hui des casques audio qui présentent, en plus de la réduction passive, un dispositif dit «actif» qui tend à supprimer les bruits résiduels à l intérieur des oreillettes. L exercice traite de ces dispositifs. Document 1. Extrait de la notice d un casque audio à réduction de bruit La technologie consiste à placer un micro miniature dans chaque oreillette, destiné à capter le bruit ambiant (trafic, installations de ventilation, climatiseur, etc.) et à la supprimer par un signal anti-bruit adapté. Caractéristiques techniques * Un interrupteur disposé sur l oreillette gauche permet d allumer ou d éteindre le dispositif actif. 1. Caractéristiques du casque et oreille humaine La «réponse en fréquence» du casque est-elle adaptée à l audition humaine? 2. Efficacité du dispositif de réduction de bruit Le dispositif expérimental représenté ci-contre est mis en place. Une enceinte acoustique émet un signal sonore de fréquence f et d intensité I toutes deux réglables. Le capteur d un premier sonomètre est placé entre les deux oreillettes du casque. Les oreillettes sont en outre maintenues plaquées l une contre l autre de manière à enfermer le mieux possible le capteur. Ce sonomètre mesure ainsi le niveau d intensité sonore L entre les oreillettes. Casque et sonomètre sont placés face à l enceinte. Un deuxième sonomètre mesure le niveau d intensité sonore à proximité immédiate du casque. Bac Blanc décembre /17

3 Les niveaux d intensité sonore mesurés en fonction de la fréquence sont représentés ci-dessous : - niveau d intensité sonore ambiant à proximité immédiate du casque (cas n 1) ; - niveau d intensité sonore entre les oreillettes lorsque le dispositif actif est éteint et que les oreillettes interviennent seules (cas n 2) ; - niveau d intensité sonore entre les oreillettes lorsque le dispositif actif fonctionne (cas n 3) Identifier approximativement les domaines de fréquence pour lesquels : - seules les oreillettes sont efficaces pour la réduction de bruit ambiant ; - seul le dispositif actif est efficace pour la réduction du bruit ambiant ; - les deux dispositifs participent à la réduction du bruit ambiant Concernant la réduction de bruit, les mesures ayant permis la construction graphique ci-dessus sont-elles conformes à la performance annoncée dans l extrait de la notice présente dans le document n 1? Justifier. Le casque à réduction de bruit est ensuite testé dans deux environnements sonores différents ; à l intérieur d un train Corail et dans une pièce où deux personnes discutent. Les deux environnements sonores ont par ailleurs été enregistrés et les documents 2 et 3 présentent les spectres associés. Ces sons n étant pas périodiques mais particulièrement complexes, leurs spectres ne sont pas des spectres de raies comme celui d une note jouée par un instrument de musique mais des spectres continus. L amplitude relative en ordonnée montre la contribution de chaque fréquence émise au niveau d intensité sonore global. Bac Blanc décembre /17

4 Document 2. Spectre de l environnement sonore dans un train Corail Document 3. Spectre de l environnement sonore créé par une discussion dans une pièce 2.3. Exploiter l ensemble des trois graphes afin de prévoir dans lequel des deux environnements sonores le dispositif actif est susceptible d intervenir le plus efficacement. Justifier. 3. Simulation du dispositif actif D après la notice, la réduction active du bruit consiste à émettre un signal dit «anti-bruit». Le dispositif expérimental représenté ci-contre est mis en place. Le bruit est modélisé par une onde sonore sinusoïdale de fréquence f B = 132 Hz émise par l enceinte acoustique B. Le signal anti-bruit est modélisé par une onde sonore sinusoïdales de fréquence f A émise par une deuxième enceinte acoustique A accolée à la première. Un logiciel contrôle la fréquence et l intensité de chaque signal ainsi que le déphasage entre les signaux. À une distance de deux mètres face aux enceintes, le niveau d intensité sonore du son émis par chaque enceinte, seule, est systématiquement ajusté à L A = L B = 45 db. Ce dispositif permet ainsi de mesurer l influence de la fréquence de chaque signal et du déphasage entre les signaux sur le niveau d intensité sonore L face aux deux enceintes à une distance de deux mètres. Les résultats de trois expériences sont regroupés dans le document 4 ci-après. Bac Blanc décembre /17

5 Document 4. Résultats des expériences Expérience Fréquence f B (Hz) Fréquence f A (Hz) Déphasage à l émission des signaux produits par les en opposition de phase en phase enceintes A et B L (db) 48±1 39±1 51±1 Remarque : Les incertitudes affichées dans ce document sont associées à des niveaux de confiance de 95% Les intervalles de confiance associés aux mesures des niveaux d intensité sonores lors des expériences 1, 2 et 3 permettent-ils de conclure que les valeurs mesurées sont significativement différentes? Justifier On note I l intensité sonore associée au niveau d intensité sonore L. Pour quelle expérience l intensité I du son est-elle la somme des intensités des sons issus de chaque enceinte prise séparément? On justifiera la réponse par un calcul Comme les ondes électromagnétiques, les ondes sonores peuvent donner lieu aux phénomènes de réflexion, réfraction, diffraction, interférences, etc Par comparaison avec les propriétés des ondes électromagnétiques monochromatiques, indiquer quel phénomène physique est responsable de la variation du niveau d intensité sonore observée d une expérience à l autre dans le document 4. On apportera les précisions nécessaires permettant de justifier l évolution du niveau d intensité sonore Quelle expérience modélise le dispositif actif de réduction de bruit? Justifier votre réponse. Bac Blanc décembre /17

6 EXERCICE 2 : C EST DE SAISON (7 POINTS) L ibuprofène est une molécule de formule brute C 13 H 18 O 2. Son nom en nomenclature officielle est acide 2-(4-isobutylphényl)propanoïque. De par ses propriétés anti-inflammatoire, antalgique et antipyrétique, elle constitue le principe actif de divers médicaments. Cet exercice comporte trois parties indépendantes conduisant à étudier la structure de la molécule d ibuprofène, sa synthèse dans le cadre de la chimie verte et le dosage d un médicament. 1. Sur la formule semi-développée de l ibuprofène de la figure 1 de l annexe à rendre avec la copie, entourer le groupe caractéristique associé à la fonction acide carboxylique. 2. La molécule d ibuprofène est chirale Expliquer la cause de cette chiralité en la nommant et en la repérant sur la figure 2 de l annexe Cette chiralité entraîne l existence de deux énantiomères de l ibuprofène. Comment reconnaître si des molécules sont énantiomères? Aucun schéma n est attendu Sur la figure 3 de l annexe, la représentation de Cram de l un des deux énantiomères de l ibuprofène est fournie, mais elle est inachevée. Compléter cette représentation et schématiser le deuxième énantiomère. Bac Blanc décembre /17

7 3. Diverses techniques d analyse ont permis de connaître la structure de la molécule d ibuprofène. Les spectroscopies IR (infrarouge) et de RMN (résonance magnétique nucléaire) en sont deux exemples. Document 1 Spectre infrarouge de l ibuprofène Document 2 Bandes d absorption IR de quelques types de liaisons chimiques Bac Blanc décembre /17

8 Document 3 Spectre RMN de l ibuprofène L aire du doublet (a) est environ six fois supérieure à celle du singulet (g), c est-à-dire que le saut de la courbe d intégration est six fois plus grand pour (a) que pour (g). Document 4 Déplacements chimiques en ppm (partie par million) Bac Blanc décembre /17

9 3.1. Donner l origine des bandes d absorption 1 et 2 du spectre infrarouge IR (document 1) en exploitant les données du document Sur la formule semi-développée de l ibuprofène de la figure 4 de l annexe, entourer le ou les atomes d hydrogène associés au signal (g) du spectre RMN. Justifier votre réponse à l aide du document Le signal (a) est un doublet. Justifier cette multiplicité Sur la formule semi-développée de l ibuprofène de la figure 5 de l annexe, entourer le ou les atomes d hydrogène associés au signal (a) du spectre RMN. Justifier votre réponse Le signal (g) est un signal singulet. Expliquer pourquoi. Bac Blanc décembre /17

10 Annexe de l exercice II à rendre avec la copie Figure 1 (question 1.1.) Figure 2 (question ) H 3 C Énantiomère 1 Énantiomère 2 Figure 3 (question ) Figure 4 (question ) Figure 5 (question ) NOM : PRENOM : Bac Blanc décembre /17

11 EXERCICE 3 : BIOLOGIE OU PHYSIQUE-CHIMIE IL FAUDRAIT SAVOIR CE QU ON VEUT (5 POINTS) Jeux, ruts, combats ou fuites, les baleines communiquent par leurs "chants". Sans cordes vocales, elles émettent des sons par leur larynx et leur évent. Ces messages peuvent pour les grandes espèces, être perçus à plusieurs centaines de kilomètres. Pour communiquer entre elles, deux baleines doivent non seulement se trouver à une certaine profondeur dans un couloir d'une hauteur de quelques centaines de mètres, mais aussi à une certaine distance l'une de l'autre. À partir des documents et de vos connaissances, évaluer : 1. la profondeur du couloir de communication ; 2. la distance maximale entre deux baleines pour qu'elles puissent communiquer. L'ensemble de l'argumentation et des calculs doivent apparaitre de manière détaillée. Document 1. LE SOFAR (SOund Fixing And Ranging), un guide d'ondes sonores Dans les océans et dans certaines conditions, une onde sonore qui se dirige vers le haut est ramenée vers le bas dès qu'elle parvient dans les couches supérieures où la vitesse du son est plus grande ; à l'inverse, elle est ramenée vers le haut quand elle se dirige vers le bas dès qu'elle y rencontre des couches inférieures où la vitesse du son est supérieure. Quand une zone respecte ces critères, on parle de SOFAR. Ce couloir SOFAR agit comme un guide d'ondes sonores comme illustré ci dessous. Bac Blanc décembre /17

12 Document 2. Cartographie de la vitesse du son en fonction de la profondeur dans l'océan Document 3. "La voix et l'oreille" des mammifères marins Les cétacés produisent des émissions sonores dans une très large bande de fréquence, entre 10 Hz et 150 khz environ. Les sons produits peuvent être de type bref (clics, tics, bourdons,...) ou continu (sifflements, chants, mugissements). Quelques émissions sonores de cétacés : Fréquence moyenne Niveau d'intensité sonore d'émission moyen à l'émission Seuil d'audibilité* Baleine (chant) 4000 Hz 172 db 50 db Grand dauphin (clics) 120 khz 222 db 40 db *Le seuil d'audibilité correspond au niveau d'intensité sonore minimal perceptible par l'animal. D'après un extrait de Richardson et al, 1995, Marine mammals and noise. Document 4. Absorption acoustique de l'eau de mer Bac Blanc décembre /17

13 EXERCICE SPE : DE QUOI S ECLATER LES TYMPANS (5 POINTS) Depuis les années 70, l écoute de la musique à un niveau sonore élevé est devenue un véritable phénomène de mode et le risque de perte d acuité auditive est aujourd hui un véritable problème de santé publique. En général les personnes atteintes se plaignent de sifflements dans l oreille (d acouphènes) ou de troubles de l audition qui disparaissent le plus souvent après quelques jours de repos auditif. À long terme ces effets peuvent devenir permanents et l audition dégradée de manière irréversible. C est pour cela que le niveau sonore pour les établissements diffusant de la musique est réglementé à 105 db (décret dit «lieux musicaux»). Le niveau des baladeurs est limité à 100 db mais ce niveau peut être facilement amplifié par les écouteurs. Il est donc important d éduquer, d informer et d amener la population à réfléchir sur le handicap que peut engendrer l exposition prolongée à des niveaux sonores trop élevés. D après Le pharmacien et l oreille : conseil à l officine, thèse soutenue par Adeline Zannoni Cet exercice porte sur les risques auditifs liés à I'écoute prolongée de musique. Vous devez, pour cela, lire attentivement l'ensemble des documents proposés, répondre à la fin de I'exercice à des questions à choix multiples puis résoudre le problème posé à l'aide d'une rédaction d'au minimum 20 lignes. «Comment varie le niveau sonore en fonction de la distance? Si le son n'est pas réfléchi ou diffracté, le niveau sonore perd 6 db à chaque fois que l'on double la distance. Si le niveau sonore est de 90 db à 3 mètres de l'instrument, il sera de 84 db à six mètres.» Niveau sonore de divers instruments à trois mètres, en plein air : Clarinette Contrebasse Piano Trombone Grosse caisse 86 db 92 db 94 db 107 db 113 db D après Le son musical de John Pierce Document 1 Bac Blanc décembre /17

14 Même si nous ne sommes pas tous égaux face au son, voici la dose moyenne de son tolérable par semaine. Au-delà de cette dose, vous risquez de léser progressivement et définitivement votre audition. Des oreilles dans la moyenne peuvent tolérer l'écoute d'un baladeur au niveau maximum (100 db) pendant deux heures par semaine. Elles peuvent tolérer l'écoute d'un concert à 105 db pendant 45 min. Les doses de son s'additionnent. II ne faut pas dépasser une dose de son par semaine. Deux heures de baladeur au niveau maximum plus un concert à 105 db c'est trois fois la dose de son tolérée par semaine... il y a DANGER! On estime que le risque existe à partir d'un niveau sonore de 90 db. Cependant, la douleur n'apparaît qu'à partir de 120 db, soit à une intensité sonore 1000 fois plus élevée que le seuil de risque. Les lésions peuvent survenir sans que l'on s'en aperçoive sur le moment. Mais le véritable danger n'est pas uniquement dans le niveau sonore : il se situe aussi dans la dose de son, c'est-à-dire le temps d'exposition à un niveau sonore donné. D après Document 2 Bac Blanc décembre /17

15 De plus en plus, à l entrée des festivals de musique, des discothèques..., on voit des distributions gratuites de bouchons d oreille en mousse. Les courbes ci-dessous présentent l enregistrement au laboratoire du son émis par une flûte et des enregistrements du son restitué par un bouchon d oreille en mousse et un bouchon d oreille moulé en silicone (très utilisé par les musiciens, mais de prix assez élevé) lorsque la note jouée est un la 4. amplitude relative 0,8 Son émis par la flûte 0,6 0,4 0, f (khz) amplitude relative 0,8 Son restitué après le passage par un bouchon en mousse 0,6 0,4 0, f (khz) amplitude relative 0,8 Son restitué après le passage par un bouchon moulé en silicone 0,6 0,4 0, f (khz) D après Bac métropole 09/ Document 3 Bac Blanc décembre /17

16 Document 4 1. QCM : Cocher les bonnes réponses Sur le tableau de l annexe à rendre avec la copie, cocher les bonnes réponses en précisant à chaque fois le numéro du document utilisé pour répondre à la question. Chaque bonne réponse amène des points. Une mauvaise réponse ne conduit pas à un retrait de points. 2. Question de synthèse : À partir des documents proposés et de vos connaissances personnelles, indiquez, en le justifiant, vos recommandations pour profiter d un concert en plein air sans risques auditifs et tout en gardant intacte la qualité du son. Vous prendrez soin, pour cela, d utiliser la totalité des documents proposés, d utiliser au moins une application numérique pertinente, d apporter une solution au problème posé en veillant à structurer les informations recueillies, d adopter un jugement critique argumenté et de rédiger un document d au minimum 20 lignes dans un français correct. Bac Blanc décembre /17

17 ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE Questions Réponses Documents 1. L analyse spectrale du son émis par la flute, dans le document 3, montre que c est un son complexe. Oui Non 2. Les bouchons en silicone sont utilisés par les musiciens car ils conservent la hauteur et le timbre du son. Oui Non 3. Un lycéen se rend à un concert sans protection auditive. Il a déjà écouté son baladeur à 100 db pendant une heure dans la semaine. Il peut rester une heure à ce concert de niveau sonore 105 db sans prendre de risques pour son audition. Oui Non 4. La hauteur du son est modifiée par le bouchon en mousse. Oui Non 5. Si le niveau sonore est de 90 db à trois mètres de l instrument, il sera de 83 db à six mètres et de 76 db à neuf mètres. Oui Non NOM : PRENOM : Bac Blanc décembre /17