DEVOIR COMMUN DE SCIENCES PHYSIQUES

Transcription

1 Classes de seconde 2014 DEVOIR COMMUN DE SCIENCES PHYSIQUES 35 points L'énoncé comporte 8 pages, l annexe et le QCM sont 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 1 : Etude des rayons lumineux issus d une étoile. (6pts) L astronome danois Tycho Brahé ( ), insatisfait de la précision des tables astronomiques d avant 1563, a voué une grande partie de sa vie à refaire les mesures des positions des étoiles avec une précision exceptionnelle pour l époque. Par exemple, il a corrigé ses valeurs pour tenir compte de la réfraction atmosphérique. L air, en effet, n a pas le même indice que le vide interstellaire. Les rayons lumineux provenant des étoiles sont donc déviés à l entrée dans l atmosphère. La simplification suivante permet d évaluer ce phénomène : la portion de la Terre où se trouve l astronome est considérée comme plate, l atmosphère est assimilée à une couche d air homogène d indice n a = 1,0003. L indice du vide noté: n vide est exactement égal à 1. Partie A 1. Compléter le schéma sur l annexe en traçant un rayon lumineux issu de l étoile, qui permet à l observateur de voir l étoile. Faire apparaître sur ce même schéma l angle d incidence i de ce rayon à l entrée de l atmosphère, ainsi que l angle de réfraction r. (1pt) (Document à compléter en annexe 1) 2. En rappelant et en nommant la loi utilisée, calculer la valeur de r si i = 85,0. (1pt) 3. Ajouter sur votre schéma des pointillés matérialisant la direction dans laquelle l observateur voit l étoile. (0.5pt) 4. Reprendre le calcul de la question 2. avec i = 0,0. Que remarque-t-on? (1pt) 5. Conclure : dans quelle situation le phénomène de réfraction atmosphérique doit-il être pris en compte? (0.5pt) Partie B Notre observateur dispose d un spectroscope à prisme lui permettant d obtenir le spectre de l étoile qu il étudie. 6. Pourquoi le prisme permet-il d obtenir le spectre de la lumière de l étoile? (0.5pt) 7. En observant le spectre de l étoile de plus près on voit de fines raies sombres sur le fond continu, Comment nomme-t-on ce type de spectre? Quelle est l origine de ces raies sombres? (1,5pts)

2 Exercice 2 : Les atomes au service de la médecine. (5pts) «Au cours du XX siècle, d énormes progrès ont été réalisés en médecine grâce à la radioactivité. La scintigraphie consiste à introduire dans l organisme des substances radioactives appelées traceurs pour diagnostiquer (identifier la maladie) et soigner. Parmi les traceurs utilisés, citons l «iode», le «carbone 11», l «azote 13», l «oxygène 15». Les traceurs se fixent sur les organes ou les tissus que l on cherche à explorer. Ils émettent un rayonnement gamma qui traverse les tissus et qui peut être détecté à l extérieur de l organisme par une gamma caméra. Cette caméra permet de construire une image appelée la scintigraphie. Celle-ci pourra apporter des renseignements comme par exemple le degré de consolidation d une fracture. La radioactivité est aussi utilisée dans le traitement des tumeurs : c est la radiothérapie. Le principe consiste à bombarder une tumeur pour la détruire avec un rayonnement pouvant être émis par le «cobalt». La découverte de la radioactivité a donné aux sciences, à la médecine et à l industrie un élan qui, après un siècle, ne s est pas ralenti.» Partie A : Scintigraphie 1. Un atome d iode, de symbole I, comporte 131 nucléons dont 53 protons. Donner la notation du noyau d un atome d iode. (0.5pt) 2. Le noyau de l atome d «oxygène 15» a pour représentation symbolique :. Quelle est la composition complète de l atome d «oxygène 15»? Se justifier. (1pt) 3. Dans le texte, on parle du «carbone 11». Pour l élément carbone, le numéro atomique est Z=6. a. Donner les représentations symboliques des noyaux de «carbone 11» et de «carbone 12». (0.75pt) b. Le «carbone 11» et le «carbone 12» sont deux isotopes. (0.75pt) Qu est-ce qui différencie les noyaux de ces deux isotopes? Partie B : Radiothérapie La masse d un atome de cobalt Co utilisé en radiothérapie est m Co = 1, kg. La charge du noyau d un atome de cobalt est q noyau = 4, C. Données : Charge d un proton : e = 1, C ; masse d un nucléon : m nucléon = 1, kg ; La masse d un électron est négligeable devant celle d un nucléon. 4. Déterminer le nombre de nucléons A contenus dans un atome Co. On prendra la valeur entière la plus proche du résultat. (1pt) 5. Déterminer le numéro atomique Z du cobalt. (1pt) 2/8

3 Exercice 3 : Les Sucres présents dans le miel. (4.5pts) On réalise la chromatographie sur couche mince de trois substances : Le caramel, le sucre et le miel. Voici le résultat : 1. Légender la chromatographie. (1pt) 2. Que peut-on déduire à propos de la composition du caramel? (1pt) 3. Sachant que le miel est composé de fructose et de glucose, peut-on situer la tâche correspondant au glucose? Expliquer. (1pt) 4. Définir et calculer le rapport frontal correspondant au saccharose, seul composant du sucre. (1,5pts) 3/8

4 Exercice 4 : Etude de la concentration d une boisson de récupération. (5.5pts) Document 1 La sueur est un mélange d eau et d électrolytes, notamment de sodium, que libère le corps lorsque celui-ci a besoin de se refroidir. Idéalement, les apports en liquide doivent être équivalents aux pertes en sueur pour minimiser les effets nocifs pour la santé. Les athlètes qui fournissent un effort très intense exsudent environ 1 litre à 2,5 litres par heure. Mais si la température ambiante est élevée, ces pertes dépassent facilement 2,5 litres par heure. L eau, les jus de fruit dilués et les boissons pour sportifs sont couramment employés pour se réhydrater. Comme le sodium est le principal sel présent dans la sueur, certaines boissons sont enrichies en sodium et parfois en glucides. Cela va dans le sens des recommandations du Comité scientifique chargé de l évaluation des risques liés aux aliments destinés à l alimentation humaine qui préconisent d inclure du sodium ( mg/l) et des glucides (20-80g/L) dans les boissons pour une réhydratation optimale en cas d effort physique prolongé (effort de plus de 2 heures ou en cas de sudation abondante). Le sodium est connu pour stimuler le mécanisme de la soif et il améliore également la vitesse d absorption de l eau et des glucides dans l intestin grêle cette vitesse d absorption contribue efficacement à la réhydratation et retarde la fatigue musculaire. Le sodium aide le corps à conserver l eau absorbée en augmentant le niveau de liquide retenu et en ralentissant le débit urinaire pour permettre la conservation de l eau corporelle. D après 27/11/2011 EUFIC = European Food Information Council (Conseil Européen de l'information sur l'alimentation) Document 2 ETIQUETTE DUNE BOISSON POUR SPORTIF Information nutritionnelle pour 100 ml : Valeur énergétique : 20.3 kcal Protéines : 0 g Glucides : 4,7 g dont sucres : 3,7 g Lipides : 0 g Fibres alimentaires : 0 g Sodium : 0,05 g 1. Qu appelle-t-on un effort prolongé? (0.5pt) 2. Pourquoi doit-on boire de l eau pendant un effort prolongé? (0.5pt) 3. Pourquoi ajouter un peu de sodium dans l eau optimise t-il la réhydratation? (0.5pt) Etude de la boisson pour sportif 4. Quelle est la valeur (en g/l) de la concentration massique en sodium de cette boisson? (1pt) 5. Quelle est la valeur (en g/l) de la concentration massique en glucides de cette boisson? (0.5pt) 6. Cette boisson répond-elle aux recommandations de l EUFIC? (0.5pt) 7. Quelle masse de sodium un sportif ingère t-il s il boit 500 ml de la boisson étudiée? (1pt) 8. Si le sportif ajoute 200mL d eau dans les 500mL de boisson, calculer la nouvelle valeur de la concentration massique en sodium de la solution obtenue? Comment s appelle l opération que le sportif a réalisée? (1pt) 4/8

5 NOM, prénom : Classes de seconde LE QCM EST A RENDRE AVEC LA COPIE Exercice 5 : QCM univers et chimie de synthèse. (14pts) A chaque question peuvent correspondre une seule ou plusieurs propositions correctes. Vous répondrez au QCM dans le tableau de réponses, en justifiant votre réponse le cas échéant. PARTIE A : L UNIVERS. Questions VRAI FAUX JUSTIFICATION Question 1. La vitesse de la lumière dans le vide est égale à : (0.5pt) 3,00 x 10 8 m.s m.s -1 3,00 x 10 8 km.h -1 Question 2. Une galaxie est : (0.5pt) un regroupement d'étoiles dont certaines sont entourées de planètes. un regroupement de plusieurs planètes autour d'une étoile. possède une structure lacunaire. Question 3. Une année de lumière est : (0.5pt) la distance entre le Soleil et l'étoile la plus proche du Soleil. la durée mise par la lumière pour parcourir la distance entre la Terre et la galaxie la plus proche de la Terre. la distance que parcourt la lumière dans le vide pendant un an. Question 4. L'année de lumière est égale à : (1pt) 9,5 x m 365 j 9,5 x s Question 5. Regarder loin c'est regarder tôt parce que : (0.5pt) tôt le matin, l'atmosphère est plus pure et permet une meilleure vision des objets lointains. la lumière émise par les objets lointains a voyagé pendant longtemps. en observant des objets lointains, on les voit comme ils étaient il y a longtemps. 5/8

6 Question 6. La distance Terre-Soleil est 150 millions de km. La notation scientifique, en mètres, de cette distance est : (1pt) 1,50 x m 1,50 x m 1,50 x 10 9 m 1,50 x 10 8 m Question 7. Une cellule a pour diamètre 114 µm. L'ordre de grandeur de ce diamètre est : (0.5pt) 10-8 m 10-6 m 10-4 m Question8. Une montagne s'élève à 5200 m d'altitude. L'ordre de grandeur de cette hauteur est (0.5pt) 10 2 m 10 3 m 10 4 m Question 9. Quand la planète Mars est au plus loin de la Terre, la lumière met environ 20 min pour parcourir la distance Mars-Terre. La distance entre Mars et la Terre est alors : (1.5pts) 360 millions de km millions de km 180 millions de km Question 10. Le rayon d'un atome est et celui de son noyau. Si on voulait représenter le noyau par un ballon de handball (rayon 9 cm), il faudrait construire une sphère de rayon R pour représenter l atome. La valeur de R serait : (1.5pts) 11 km 22 km 1,1 km 2,2 km PARTIE B : LA CHIMIE DE SYNTHESE. Question 11. Le montage du chauffage à reflux permet : (1pt) d'augmenter la température d'ébullition du milieu réactionnel. de purifier les espèces formées. de ne pas répandre les vapeurs formées dans l'atmosphère. que la réaction soit plus rapide. 6/8

7 Question 12. Dans un réfrigérant à eau : (0.5pt) l'eau circule de bas en haut pour bien remplir le réfrigérant. l'eau froide circule de haut en bas pour aller plus vite et mieux refroidir. le sens de circulation de l'eau n'a pas d'importance. Question 13. Dans le montage à reflux, le réfrigérant permet : (0.5pt) d'éliminer les impuretés. d'abaisser la température du mélange à l'intérieur du ballon. de condenser les vapeurs formées pour qu'elles retombent dans le ballon. Question 14. Après une synthèse, on réalise une chromatographie sur couche mince. Cette technique permet de : (0.5pt) vérifier la présence et la pureté de l'espèce synthétisée. isoler l'espèce synthétisée. purifier l'espèce synthétisée. Question 15. L'acétate de benzyle est une espèce chimique odorante, utilisée en parfumerie que l'on trouve dans les fleurs de jasmin. Au laboratoire, on réalise la synthèse de l'acétate de benzyle en faisant réagir de l'alcool benzylique avec le l'acide acétique. On peut dire que l'acétate de benzyle est : (1.5pts) une espèce synthétique. une espèce naturelle. un produit de la réaction. un réactif de la réaction. Question 16 Pour isoler l'espèce chimique synthétisée, on effectue : (0.5pt) une décantation. une séparation. une chromatographie sur couche mince. Question 17. Pour récupérer une espèce chimique solide, on effectue : (0.5pt) une filtration. une décantation. une hydrodistillation. 7/8

8 Question 18. Compléter le schéma de la filtration sous vide. (1pts) ANNEXE Exercice 1 : Annexe 1 8/8