BACCALAURÉAT GENERAL BLANC Centre de METZ. Lycée Robert Schuman

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1 BACCALAURÉAT GENERAL BLANC Centre de METZ. Lycée Robert Schuman SESSION Décembre 2012 PHYSIQUE-CHIMIE Série S DURÉE DE L ÉPREUVE : 3 h 30. L USAGE DE LA CALCULATRICE EST AUTORISE. Ce sujet comporte deux exercices de PHYSIQUE et un exercice de CHIMIE. Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont indépendants les uns des autres. Chaque exercice sera rédigé sur une copie différente. Exercice 1 : PHYSIQUE Analyse du son Exercice 2 : PHYSIQUE Laser au quotidien Exercice 3 : CHIMIE Synthèse de l ammoniac Oxydation d un alcool La note globale est sur 20. 1/12

2 EXERCICE 1 (Physique) 1. Le son : caractéristiques et niveau sonore L objectif de cet exercice est de déterminer la vitesse du son fourni par une flûte et de comparer le comportement acoustique des bouchons en mousse et des bouchons moulés, lorsque l auditeur qui les porte écoute le son émis. 1.1 Déterminer la célérité de l'onde sonore Pour déterminer la célérité de l'onde sonore un élève aligne trois microphones M 1, M 2 et M 3 de telle manière que les distances M 1 M 2 et M 2 M 3 valent respectivement 2,00 m et 3,00 m. Les signaux électriques correspondant aux sons reçus par les microphones sont enregistrés grâce à un ordinateur. Il souffle dans une flûte devant le premier micro M 1, puis lance immédiatement l'enregistrement. 1.1 Définir une onde mécanique. 1.2 Comment peut-on déterminer la célérité de l'onde sonore à l'aide des courbes obtenues? 1.3 Effectuer le calcul de la célérité de l'onde sonore pour la distance M 1 M 2 puis pour la distance M 2 M 3. Faire apparaître vos mesures sur la figure Les résultats obtenus sont-ils cohérents? Figure 1 2/12

3 2. Attention à vos oreilles L'objectif de cette partie est de comparer le comportement acoustique des bouchons en mousse et des bouchons moulés, lorsque l'auditeur qui les porte écoute le son émis par une flûte à bec. Nos oreilles sont fragiles. Une trop grande intensité sonore peut les endommager de façon irréversible. Pour prévenir ce risque, il existe des protections auditives de natures différentes selon leur type d utilisation. On peut distinguer, par exemple, deux catégories de bouchons d'oreilles : Les bouchons en mousse (ou les boules en cire), à usage domestique. Ce sont largement les plus courants. Ils sont généralement jetables, de faible coût et permettent de s'isoler du bruit. Ils restituent un son sourd et fortement atténué. Les bouchons moulés en silicone, utilisés par les musiciens. Ils sont fabriqués sur mesure et nécessitent la prise d'empreinte du conduit auditif. Ils sont lavables à l'eau et se conservent plusieurs années. Ils conservent la qualité du son. Leur prix est relativement élevé. 2.1 Définitions sur les ondes Définir en une phrase la longueur d onde Ecrire la relation entre la longueur d onde, la célérité v et la période T d une onde périodique Définir le timbre et la hauteur d un son 2.2 Analyse de la note la4 d une flûte à bec Le musicien joue la note la 4. À l'aide d'un système d'acquisition, on enregistre le son émis par la flûte. On obtient l'enregistrement du signal électrique correspondant (figure 2) En utilisant la figure 2, on a déterminé la fréquence du son émis : f = 8, Hz. Expliquer la démarche suivie pour obtenir cette valeur avec la plus grande précision possible en complétant la figure 2. Figure Cette fréquence étant celle du mode fondamental, quelles sont les fréquences des harmoniques de rangs 2 et 3? 3/12

4 2.2.3 Le son de la flûte est-il un son pur? Justifier. 2.3 Comparaison de la qualité acoustique d'un bouchon en mousse et d'un bouchon moulé en silicone à partir d un document publicitaire On s'intéresse ici à la qualité du son perçu par un auditeur muni de protections auditives. On donne l expression du niveau sonore L (exprimé en décibels acoustiques dba) associé à une onde sonore d intensité I : L = 10 log( I I 0 ) où I 0 représente l intensité sonore de référence égale à 1, W.m 2 et log la fonction logarithme de votre calculatrice Sur un document publicitaire, un fabricant fournit les courbes d'atténuation correspondant aux deux types de bouchons (figure 3). On représente ainsi la diminution du niveau sonore due au bouchon en fonction de la fréquence de l'onde qui le traverse. On remarquera que plus l atténuation est grande plus l intensité sonore est faible. Figure 3 Une pratique musicale régulière d'instruments tels que la batterie ou la guitare électrique nécessite une atténuation du niveau sonore. Cependant, cette atténuation ne doit pas être trop importante afin que le musicien entende suffisamment ; elle ne doit donc pas dépasser 25 dba. En vous servant de la figure 3, indiquer pour chaque bouchon si le critère précédent a été respecté En utilisant la courbe d atténuation (figure 3), indiquer si un bouchon en mousse atténue davantage les sons aigus ou les sons graves. Commenter la phrase du texte introductif : "Ils (les bouchons en mousse) restituent un son sourd". 2.4 Comparaison de la qualité acoustique d'un bouchon en mousse et d'un bouchon moulé en silicone à partir d une expérience Un dispositif adapté permet d'enregistrer le son émis par la flûte et ceux restitués par les deux types de bouchons lorsqu un musicien joue la note la 4. Les spectres en fréquence de ces sons sont représentés figure 4, figure 5 et figure 6. 4/12

5 2.4.1 En justifiant, indiquer si le port de bouchon en mousse modifie : - la hauteur du son? - le timbre du son? Même question pour le bouchon moulé en silicone Commenter la phrase du texte introductif : "Ils (les bouchons moulés) conservent la qualité du son" Une exposition prolongée à 85 dba est nocive pour l'oreille humaine. Durant un concert de rock, un batteur est soumis en moyenne à une intensité sonore I = 1, W.m Calculer le niveau sonore auquel correspond l'intensité sonore I Le batteur est porteur de bouchons moulés en silicone correspondant au document publicitaire. En vous aidant de la figure 3 et de la question , préciser si ses facultés auditives peuvent être altérées au cours du concert? 5/12

6 EXERCICE 2 (Physique) Le laser au quotidien Saviez-vous que si vous regardez des DVD, naviguez sur le web, scannez les codes barre et si certains peuvent se passer de leurs lunettes, c'est grâce à l'invention du laser, il y a 50 ans! Intéressons-nous aux lecteurs CD et DVD qui ont envahi notre quotidien. La nouvelle génération de lecteurs comporte un laser bleu (le blu-ray) dont la technologie utilise une diode laser fonctionnant à une longueur d'onde B = 405 nm dans le vide, d une couleur bleue (en fait violacée) pour lire et écrire les données. Les CD et les DVD conventionnels utilisent respectivement des lasers infrarouges et rouges. Les disques Blu-ray fonctionnent d'une manière similaire à celle des CD et des DVD. Figure 1 : caractéristiques des disques CD, DVD et Blu-ray. Donnée : On prendra ici pour la célérité de la lumière dans le vide et dans l'air : c = 3, m.s -1 6/12

7 1. A propos du texte 1.1 Quel est le nom du phénomène physique responsable de l'irisation d'un CD ou d'un DVD éclairé en lumière blanche? 1.2 Calculer la valeur de la fréquence de la radiation utilisée dans la technologie blu-ray. 1.3 Comparer la longueur d'onde du laser blu-ray à celle des systèmes CD ou DVD. 2. Diffraction On veut retrouver expérimentalement la longueur d'onde λ D de la radiation monochromatique d'un lecteur DVD. On utilise pour cela le montage de la figure 1 page suivante, d étant la dimension de l ouverture, le demi- écart angulaire. 2.1 Les ondes Donner le domaine des longueurs d'onde dans le vide associé aux radiations visibles Une onde lumineuse est-elle une onde mécanique? Justifier Donner la relation entre la longueur d'onde dans le vide, c et T. Préciser les unités En déduire la période T d'une onde électromagnétique de longueur onde = 405nm. 2.2 Intérêt d un blu-ray? On modélise le laser projeté sur un «trou» de DVD par le montage de la figure 1 donnée page suivante, d étant le diamètre d un fil, le demi- écart angulaire Etablir la relation entre, L (largeur de la tache centrale de diffraction) et D (distance entre le fil et l'écran). On supposera suffisamment petit pour considérer tan avec en radian Donner la relation entre, et d en indiquant l'unité de chaque grandeur En déduire la relation L = 2 D d Indiquer comment varie L lorsqu on remplace la lumière émise par un lecteur DVD conventionnel par un laser Blu-Ray? Expliquer alors en quelques mots l intérêt que présente le changement de longueur d'onde d un lecteur DVD conventionnel par un lecteur Blu-ray? Pour stocker davantage d informations sur un disque, les scientifiques travaillent sur la mise au point d un autre laser. Dans quel domaine des ondes lumineuses se situera la longueur d onde de ce nouveau laser? 7/12

8 EXERCICE 3 (CHIMIE) Partie 1 L ammoniac NH 3 est l un des précurseurs fondamentaux de la chimie industrielle. Il est synthétisé à partir de diazote N 2 et de dihydrogène H 2, selon la réaction d équation N 2(g) + 3 H 2(g) 2NH 3(g) On cherche à choisir les meilleures conditions expérimentales pour favoriser cette réaction. Si un abaissement de la température favorise la formation de l ammoniac, il augmente cependant significativement la durée de la réaction chimique. L utilisation d un catalyseur est donc envisagée : en effet, celui-ci permet d abaisser la durée d évolution d une réaction. Par ailleurs, l injection des gaz à haute pression dans le réacteur favorise la formation de l ammoniac. Considérant tous ces facteurs, la synthèse industrielle de l ammoniac s effectue en phase gazeuse. Les réactifs sont introduits dans les proportions stœchiométriques et leur réaction a lieu à la surface d un catalyseur très divisé, sous une pression comprise entre 100 et 200 bars et à une température comprise entre 300 et 500 C. 1.1 Quelles sont les conditions de synthèse qui influencent l état final du système en favorisant la formation d ammoniac? 1.2 Quelle est l incidence d une augmentation de la température sur la réaction de synthèse considérée? Commenter relativement à la réponse précédente. 2.1 Quel est l intérêt d un catalyseur? 2.2 Comment qualifier la catalyse envisagée lors de cette synthèse? 3. Expliciter l expression «catalyseur très divisé» et en préciser l intérêt. 4. Dresser le tableau d évolution de la réaction considérée. 5. En supposant l avancement final atteint lors de cette réaction, calculer le volume de dihydrogène, pris dans les conditions normales de température et de pression, nécessaire à la synthèse quotidienne de 1,0 t d ammoniac. Données : * Masses molaires en g.mol - 1 : M(C) = 12 ; M(H) = 1,0 ; H(O) = 16 ; M(N) = 14 * Dans les conditions normales de température et de pression une mole de gaz occupe un volume de 22,4 L. Le dihydrogène nécessaire à la synthèse de l ammoniac est obtenu par reformage du méthane selon : CH4 (g) +2H 2 O (l) 4H 2(g) +CO 2(g). 6.1 Calculer la masse de CO2 coproduite lors de la synthèse de 1,0 t de NH Quel inconvénient majeur présente cette coproduction d un point de vue environnemental? 8/12

9 EXERCICE 3 (CHIMIE) Partie 2 Identifier une molécule Par oxydation ménagée, on peut obtenir d'un alcool: Si c'est un alcool primaire RCH 2 OH, un aldéhyde ou un acide carboxylique Si c'est un alcool secondaire, une cétone. Si c'est un alcool tertiaire, il n'y a pas d'oxydation. Pour réaliser une oxydation ménagée, il faut faire réagir l'alcool avec un oxydant comme le CrO 2 (les ions permanganate ou dichromate oxydent de manière forte c'est-à-dire oxyde un alcool primaire en acide carboxylique et non en aldéhyde) ou le PCC. Il se produit alors une réaction d'oxydoréduction. Une réaction d'oxydoréduction est une réaction chimique au cours de laquelle se produit un échange d'électrons. L'espèce chimique qui capte les électrons est appelée «oxydant» ; celle qui les cède, «réducteur». 1. Molécule organique, notée A Une molécule organique, notée A, a pour formule brute C 4 H 8 O. On sait qu il ne s agit pas d une molécule cyclique. 1.1 Quels sont les groupes caractéristiques connus qui sont compatibles avec la présence d un seul atome d oxygène dans la molécule A? 1.2 Donner la formule semi-développée du butanol. En déduire sa formule brute. 1.3 Par comparaison de la formule brute de la molécule A, avec la formule brute du butanol, confirmer la présence d une liaison double au sein de la molécule A, soit entre deux atomes de carbone, soit entre un atome de carbone et un atome d oxygène. 2. Spectre IR de l espèce chimique A en phase condensée Le spectre IR de l espèce chimique A en phase condensée est donné en Annexe 1 de chimie. 2.1 Quel renseignement supplémentaire ce spectre fournit-il? On pourra s aider du tableau donné en Annexe 2, qui donne les valeurs du nombre d onde pour différents types de liaison. 2.2 Ecrire les formules topologiques des trois molécules envisageables, puis les nommer. 2.3 Rappeler la définition d un isomère. 3. La molécule A a été obtenue par oxydation d un alcool secondaire noté B pour la suite du devoir. 3.1 Conclure sur l identité de la molécule A. 3.2 Etablir la formule développée de la molécule A. Y faire apparaître les protons considérés comme équivalents pour un spectre RMN. On pourra mettre en évidence les protons équivalents par une même couleur. 9/12

10 3.3 Parmi les spectres RMN donnés en Annexe 4 de chimie, indiquer celui qui correspond à la molécule A. Justifier. 3.4 Comment se nomme la grandeur? 3.5 Parmi les spectres IR (réalisés en phase condensée) donnés en Annexe 3, indiquer celui qui correspond à la molécule B, c est-à-dire l alcool qui a été oxydé pour former la molécule A. Justifier. On pourra s aider du tableau donné en Annexe 2, qui donne les valeurs du nombre d onde pour différents types de liaison. 3.6 Pour les deux autres spectres IR qui ne correspondent pas à la molécule B et qui sont donnés en Annexe 3, identifier les familles respectives à laquelle appartiennent ces deux molécules (que l on appelle C et D). On pourra s aider du tableau donné en Annexe 2, qui donne les valeurs du nombre d onde pour différents types de liaison. Annexe 1 Annexe 2 Type de liaison nombre d onde (cm -1 ) largeur de la bande 10/12 Intensité d absorption O-H en phase gazeuse fine moyenne O-H en phase condensée large forte N-H en phase gazeuse fine faible N-H en phase condensée large forte C-H large moyenne à forte C=O fine forte C=C variable moyenne à forte

11 Annexe 3 11/12

12 12/12