BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE STL - CHIMIE DE LABORATOIRE ET DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS ÉPREUVE DE PHYSIQUE

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1 Session 2012 BACCALAURÉAT TCHNOLOGIQU STL - CHIMI D LABORATOIR T D PROCÉDÉS INDUSTRILS ÉPRUV D PHYSIQU Durée de l'épreuve : 2 heures Coefficient : 3 Le sujet comporte 6 pages numérotées de 1/6 à 6/6. La page 6/6 est à rendre avec la copie. L'usage de la calculatrice est autorisé. Toutes les calculatrices de poche y compris les calculatrices programmables, alphanumériques ou à écran graphique à condition que leur fonctionnement soit autonome et qu il ne soit pas fait usage d imprimante (circulaire n du 16 novem bre 1999). Code sujet : 12PYCLMPH1 1/6

2 I ÉTUD D'UN INSTALLATION ÉLCTRIQU D LABORATOIR On étudie une installation de laboratoire alimentée par une tension sinusoïdale alternative de valeur efficace U = 220 V et de fréquence f = 50 Hz. Les équipements qui composent cette installation de laboratoire sont : - un agitateur consommant une puissance active, et alimenté par une tension de valeur efficace U agitateur = 24V obtenue à l aide d un transformateur ; - un moteur de pompe sur une cuve, de puissance active 1,5 kw et de facteur de puissance 0,68 ; - un radiateur de type convecteur, de puissance active 1,25 kw ; - un ensemble d'éclairage de 6 lampes résistives, de puissance active 100 W chacune. 1. Étude de l agitateur 1.1. On branche un oscilloscope en parallèle sur la sortie du transformateur qui alimente l agitateur. On relève u 2 (t) sur l oscillogramme expérimental suivant : Réglages des calibres : 8,5 V par division 5 ms par division Code sujet : 12PYCLMPH1 2/6

3 Déterminer d'après l'oscillogramme : La valeur maximale U 2m, la valeur moyenne <u 2 > ainsi que la valeur efficace U 2 de la tension La période T, la fréquence f et la pulsation ω de cette tension La tension u 2 (t) précédente alimente l agitateur dont le moteur peut être assimilé à une charge inductive correspondant à l association série : - d'une résistance R = 10 Ω ; - d'une inductance L «inconnue» qui sera à déterminer. On donne l'impédance de cette association : Z = 110 Ω Calculer la valeur efficace I 2 du courant i 2 (t) circulant dans le moteur de l agitateur Donner l'expression littérale de l impédance Z en fonction de R, L et ω n déduire la valeur de l'inductance L de l agitateur. Préciser l'unité Calculer le déphasage φ de la tension u 2 (t) par rapport à l intensité i 2 (t) en justifiant son signe. 2. Étude du moteur de pompe Le moteur est alimenté directement par la tension alternative du secteur de 220 V On désire mesurer l'intensité efficace I MOT du courant traversant le moteur de pompe. Quel appareil doit-on choisir et quelle position AC ou DC doit-on sélectionner? Justifier À l'aide des données, calculer de manière théorique la valeur de cette intensité efficace I MOT dans le moteur. 3. Étude de l'installation complète On rappelle que la puissance réactive consommée par un dipôle vaut : Q = U x I x sin (ϕ) Calculer la puissance active de l'installation complète de la salle Calculer la puissance réactive consommée par le moteur de pompe Montrer que la puissance réactive consommée par l agitateur est de 5,3 VAR n déduire la puissance réactive de l'installation complète de la salle Calculer le facteur de puissance «k» global de l'installation Le facteur de puissance «k» est-il conforme aux normes électriques en vigueur (k 0,93) ou nécessiterait-il un ajustement? Code sujet : 12PYCLMPH1 3/6

4 II ÉTUD D L'ÉTALONNAG D'UN ph-mètr Le point de départ d'une mesure de ph par un ph-mètre est la tension U produite par l'électrode de verre combinée. lle est donnée par la relation simplifiée suivante : U (en V) = 0,060 ph 0,40. Cette tension est alors appliquée à l entrée d un amplificateur opérationnel supposé parfait, et fonctionnant dans le cas présent en régime linéaire. Dipôles utilisés dans le montage ci dessous : - un conducteur ohmique de résistance R 1 = 1,0 kω ; - une conducteur ohmique de résistance R 2 = 2,0 kω ; - un rhéostat réglable de résistance adjustable R 3 ; - un interrupteur (K) ; - une source de tension parfaite = - 10 V. Les questions des deux parties suivantes sont indépendantes 1. Cas du montage pour l'étalonnage d'une solution tampon ph = 7 I 2 R 2 I 1 R 1 i - - I 3 ε K U R 3 i U S 1.1. À l aide des données sur l amplificateur opérationnel, indiquer ce qui permet de justifier que : Les intensités i = i - = 0 A La tension différentielle ε = 0 V. Code sujet : 12PYCLMPH1 4/6

5 1.2. Étude des intensités de l'appareil Représenter sur l annexe page 6/6 à rendre avec la copie les tensions en convention récepteur aux bornes des résistances R 1, R 2 et R n utilisant la loi d additivité des tensions, montrer que I 1 = U / R n utilisant la loi d additivité des tensions, exprimer l'intensité I 2 en fonction de U S et R n utilisant la loi d additivité des tensions, exprimer l'intensité I 3 en fonction de et R 3. U 1.3. n appliquant la loi des nœuds, montrer que la tension de sortie est : U = S R2 R1 R Étalonnage À l'aide de l'expression de l'électrode combinée : U = 0,060 ph 0,40 et de la relation du 1.3., établir l expression de U S en fonction du ph et de R Calculer la valeur à donner à R 3 pour avoir U S = 2,0 V pour le tampon neutre ph = 7,0. 2. Cas du montage pour l'étude de la pente de U s en fonction du ph I 2 R 2 I 1 R 1 i - - I 3 ε K U R 3 i U S L'ouverture de l'interrupteur K permet d'avoir accès à la pente de la fonction U S = f (ph). R 2.1. Montrer que le montage donne désormais une tension : U S = U R Calculer la valeur du coefficient d amplification en tension A V = U S / U de ce montage À l'aide de l'expression de l'électrode combinée : U = 0,060 ph 0,40 et de l expression du 2.1, établir l expression de U S en fonction du ph Mettre la tension de sortie sous la forme U S = A ph B. Que vaut la pente «A»? 1 Code sujet : 12PYCLMPH1 5/6

6 ANNX (À RNDR AVC LA COPI) I 2 R 2 A I 1 R 1 K i I 3 ε S U R 3 i U S M Code sujet : 12PYCLMPH1 6/6

BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE ÉPREUVE DE PHYSIQUE

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