BACCALAUREAT GENERAL BLANC

Transcription

1 BACCALAUREAT GENERAL BLANC SESSION DECEMBRE 01 PHYSIQUE-CHIMIE Série S DUREE DE L EPREUVE : 3 h 30 COEFFICIENT : 6 L usage de la calculatrice EST autorisé Ce sujet ne nécessite pas de feuille de papier millimétré Les données sont en italique Ce sujet comporte deux exercices de PHYSIQUE et un exercice de CHIMIE présentés sur 9 pages numérotées de 1 à 9, y compris celle-ci. Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont indépendants les uns des autres : I. Observation d interférences (8 points) II. Identification spectrales de molécules organiques (7points) III. L oreille humaine en concert (5 points) 1

2 Exercice I : Observation d interférences 1. Interférences des ondes lumineuses Voulant observer des figures de diffraction, Julien perce un petit trou avec la pointe de son compas dans un carton. En voulant l agrandir, il se trompe et perce un deuxième trou juste à côté du premier. Après avoir éclairé le carton avec une source laser, il observe des raies lumineuses et sombres sur un écran placé loin du carton : il vient de réaliser une expérience d interférences. Le dispositif de Julien comprend donc une plaque percée de deux trous distants de a = 500 ± 10 μm. La source émettrice S est un laser Hélium néon, de longueur d onde λ = 633 ± 1 nm. La plaque est placée à une distance d= 0,0 ± 0,1 cm de la source, et l écran à une distance D= 4,00 ± 0,01 m de la plaque. Les deux trous S 1 et S de même diamètre sont placés à égale distance de la source et se comportent comme deux sources synchrones (deux sources synchrones vibrent avec la même période et donc la même fréquence et sont cohérentes). x 1.1. Schématiser l allure la figure obtenue sur l écran. 1.. Précisez la couleur de la figure d interférences réalisée par Julien 1.3. Au point O, la frange est-elle brillante ou sombre? Les franges brillantes sont équidistantes. La distance qui les sépare est appelée interfrange et notée i. On cherche à connaître les paramètres dont peut dépendre i (nature de la source, distances a, d, D) et à en donner une expression parmi les propositions suivantes : Proposition 1 Proposition Proposition 3 Proposition 4 Proposition 5

3 1.4. Par analyse dimensionnelle, montrer que l on peut éliminer une ou plusieurs propositions En réalisant plusieurs expériences, où l on fait varier un seul paramètre en laissant les autres identiques, on obtient les graphes ci-dessous : i (mm) lambda λ (nm) (nm) i (mm) , 0,4 0,6 0,8 1 a (mm) i (mm) D (m) 3

4 i (mm) 3,5 1,5 1 0,5 0, 0,4 0,6 0,8 1 d (m) En utilisant et commentant ces résultats, trouver l expression correcte de l interfrange et déterminer sa valeur dans l expérience de Julien On admet que l incertitude relative de la mesure de l interfrange est donnée par la formule : Δi i Donnez une écriture correcte de i. Δλ λ ΔD D Δa a 1.7. On considère un point sur l écran d abscisse x= m. Ce point est il sur une frange brillante ou sombre? Déterminez pour ce point la différence de marche δ.. Interférences à la surface de l eau Diverses expériences sont réalisées dans une cuve à ondes, afin de déterminer certaines caractéristiques de l onde..1. On produit des ondes progressives circulaires à la surface de l eau en utilisant une cuve à ondes. La célérité v de l onde est mesurée et vaut v = 40 cm.s -1. Le point source S de la surface du liquide contenu dans la cuve à ondes est animé d un mouvement vertical sinusoïdal de fréquence f= 0 Hz et d amplitude a supposée constante, a = mm. (On néglige l amortissement dû aux forces de frottement) Calculer la longueur d onde λ de l onde progressive..1.. Rappeler les conditions d observation d interférences destructive et constructive On considère un point M de la surface de l eau et situé à d= 1 cm du point S. Le point M vibre t il en phase ou en opposition de phase avec le point source S? 4

5 .. On réalise maintenant des interférences à la surface de l eau. Deux points sources synchrones, notés S 1 et S et vibrant en phase et ayant même amplitude a, émettent chacun une onde progressive. On s intéresse à la zone où les deux ondes interfèrent. En un point P de la région où se superposent les ondes issues des deux sources, δ = S P S 1 P représente la différence de marche entre les deux ondes qui arrivent en P...1. Faire un schéma vue de dessus de la situation en faisant apparaître clairement la différence de marche δ...3. Donner l état vibratoire d un point P 1 de la surface de l eau tel que S 1 P 1 = 10,0 cm et S P 1 = 17 cm...4. On considère le segment S 1 S de longueur S 1 S = 11 cm. Déterminer l amplitude A du mouvement du point O milieu de ce segment...5. On suppose un point x 1 sur le segment S 1 S.Ce point étant le siège d interférences constructives, donner l expression de la différence de marche en x On considère un point x distant de λ/ par rapport à x 1 : quel est l état vibratoire en ce point?..7. Combien y a-t-il de points d amplitude maximale sur le segment S 1 S? Exercice II : Identification spectrale de molécules organiques 5

6 1. Etude des formules topologiques des molécules 1.1. Déterminer les formules brutes de A et de B. Conclure 1.. Justifier pourquoi, contrairement à A, le composé B est un alcool. 1.3 Identifier les groupes caractéristiques des composés C,D, E.. Analyse des spectres IR.1. A l aide du tableau I, attribuer les bandes d absorption, notées a, b, c, d, g, h,i et j... Les nombres d ondes et la forme des signaux a et g sont différents, expliquez pourquoi. La dégustation d un vin blanc conduit à envisager la présence de traces des composés A et B..3. Quelles sont les bandes d absorption caractéristiques des constituants majoritaires du vin?.4. Indiquer alors pour quelle raison, le spectre infrarouge de ce vin ne permettrait pas de vérifier la présence des composés A et B dans ce vin. 6

7 3. Analyse des spectres RMN 3.1. Représenter la formule semi-développée de B. 3.. Le spectre RMN de B correspond au document 3. On observe 4 signaux, combien de groupe de H équivalents peut-on définir pour cette molécule? 3.3. A l aide du tableau II, quel domaine de δ peut-on définir pour un H lié à un cycle aromatique? 3.4. Définir alors avec des couleurs différentes les groupes de H équivalents de la molécule B A partir de l analyse des multiplicités des signaux, attribuer précisément les 4 signaux du document 3 pour la molécule B Le spectre de A, sur le document 4, présente 5 signaux. Proposez alors sur la formule semi-développée de A, par des couleurs différentes, les groupes de H équivalents cohérents avec le spectre. 4. Oxydation du composé B On réalise l oxydation du composé B à l aide d un oxydant introduit en défaut 4.1. Quel produit obtient t-on principalement? 4.. Justifier que le tracé d un spectre infrarouge du produit obtenu, après extraction du mélange réactionnel et purification, est une technique tout à fait appropriée pour vérifier sa pureté. On réalise maintenant l oxydation du composé B à l aide d un oxydant introduit en excès Quel produit obtient on alors principalement? 5. Etude du composé E 5.1. Ecrire l équation de la réaction conduisant à E à partir de D et de l éthanol en notant les molécules en topologique et sachant qu il se forme un produit supplémentaire. 5.. Le composé E est extrait du mélange réactionnel puis purifié. Quelle technique spectroscopique parait la plus indiquée pour vérifier la pureté du produit et éventuellement les fonctions présentes dans l impureté? Après purification, on récupère une masse m E = 43,9g de composé E Sachant qu on est parti d un mélange stoechiométrique avec n éthanol = 0,4 mol, quelle serait la masse théorique m E de composé E récupéré en supposant la réaction totale? 5.4. Calculer le rendement r de la réaction (on rappelle que le rendement est le rapport exprimé en pourcentage entre la masse expérimentale et la masse théorique). Données : - le vin est un mélange principalement constitué d eau et d éthanol - Masse molaire en g.mol -1 : C O H 1,0 16,0 1,0 7

8 Exercice III: L oreille humaine en concert 8

9 1. Donner la définition de la hauteur d un son.. Déterminer la hauteur du son correspondant à l enregistrement Quelle modification a effectué l ingénieur pour obtenir l enregistrement? Quel paramètre du son a varié entre ces deux enregistrements? Justifier votre réponse. 4. En utilisant l analyse spectrale, montrer que la hauteur du son émis lors de l enregistrement 3 est identique à celle des enregistrements 1 et. 5. Quelle différence présente le son de l enregistrement 3 par rapport aux enregistrements 1 et? Quel paramètre du son est ainsi mis en évidence? 6. Montrer que l intensité I 1 du son à 16 mètres de l enceinte vaut I 1 = 6, W.m Si l ingénieur place 10 enceintes identiques côte à côte sur la scène, quel est le niveau d intensité sonore L à 16 m? 8. Montrer que le niveau d intensité sonore augmente de 6 DB chaque fois que l on divise la distance par deux. A partir de quelle distance des enceintes le son est-il douloureux à écouter? 9. Quels sont les risques auditifs encourus par les spectateurs qui se placent très près des enceintes? Données : I o = W.m -. 9