2H - DEVOIR DE SCIENCES PHYSIQUES N 8

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1 2H - DEVOIR DE SCIENCES PHYSIQUES N 8 ET SI ON JOUAIT AU CURLING? SUJET A PHYSIQUE: Pour essayer de comprendre le curling Le mouvement de la pierre de curling sur la glace peut être modélisé par le mouvement d une bille sur un plan horizontal plus ou moins lisse. Une caméra fixe filme le parcours de la bille. On a repéré la position de la bille en utilisant un logiciel, Aviméca. Document 1 : Enregistrements papier : Le temps entre 2 points consécutifs est 60 ms. Les 2 enregistrements suivants ont été obtenus dans 2 situations différentes et sont à l échelle 1 (1 cm sur le document correspond à 1 cm réel) Enregistrement 1 : très peu de frottements : le sol est bien lisse Enregistrement 2 : beaucoup de frottements : le sol n est pas lisse Document 2 : Enregistrement avec le logiciel Aviméca 1) Etude de l enregistrement 1 : a) Un élève dit : cet enregistrement est fait dans le référentiel terrestre? Etes-vous d accord? Pourquoi? b) Qualifier le mouvement de la bille en justifiant. c) Calculer la vitesse moyenne entre les points 5 et 10. 2) Etude de l enregistrement 2 : Comment la vitesse du glaçon évolue-t-elle? Justifier. 3) Exploitation de l enregistrement fait avec Aviméca : a) Relever les valeurs obtenues dans le tableau suivant : ne garder que 2 chiffres significatifs Temps (en ms) Distance parcourue à partir de l origine (en cm) b) Calculer la vitesse moyenne de la bille sur le parcours (entre 0,080 s et 0,640 s) c) Le clip étudié correspond-il à un sol lisse ou pas? Vous répondrez en faisant 2 calculs de vitesse. 4) Conclusion : D après vous, pourquoi au curling, des joueurs balayent la glace devant le palet?

2 CHIMIE : Après la partie de curling, les joueurs ont pris froid : ils ont besoin d eucalyptol! Le cinéol, ou eucalyptol, peut être extrait de certains végétaux, notamment des feuilles d eucalyptus. Cette espèce chimique est utilisée dans certaines spécialités pharmaceutiques, par exemple pour le traitement des infections des voies respiratoires. Pour extraire le cinéol, des feuilles d eucalyptus broyées sont introduites dans un chaudron avec de l eau distillée. Le mélange est chauffé à ébullition durant un quart d heure. Une fois refroidi à température ambiante, le mélange est filtré. Le filtrat contient de l eau et une huile essentielle d eucalyptus. Celle-ci est essentiellement constituée de cinéol et en a les caractéristiques physiques. Données : Caractéristiques physiques du cinéol : Température de fusion : 2 C, température d ébullition : 176 C, densité : d = 0,92 (ρ= 0,92 g.ml -1 ) Solubilités : peu soluble dans l eau, soluble dans l éthanol, soluble dans le cyclohexane. Le cyclohexane (d=0,78) n'est pas miscible à l'eau contrairement à l'éthanol (d=0,79). Masse volumique de l eau : ρ eau= 1,00 g.ml Analyse du filtrat : a. Justifier que le cinéol est liquide à température ambiante. b. D après les données, le filtrat obtenu est-il un mélange homogène ou hétérogène? Justifier. c. Où se trouve le cinéol après décantation du filtrat? d. Déterminer le volume d huile essentielle obtenu si sa masse est m = 2 g. 2. Amélioration du rendement : On veut récupérer le peu de cinéol présent dans l eau à l aide d une extraction par solvant. a. Indiquer le solvant à utiliser et pourquoi vous faites ce choix. b. Faire un schéma légendé correspondant à la fin de l'expérience avec le matériel adéquat. 3. Suivi de la purification par chromatographie : L extraction a permis d obtenir une solution S jaune pâle d huile essentielle d eucalyptus dans le solvant. La recherche de la présence d eucalyptol dans S au moyen d une chromatographie sur couche mince (CCM) est effectuée en déposant cote à cote un échantillon de S et un échantillon de référence d eucalyptol (E). 1) Après migration, la plaque est blanche : quelle opération permet de lire le chromatogramme. De quel matériel avez- vous besoin pour cette opération? 2) Le chromatogramme ensuite obtenu est représenté sur la fig.1. Quelles informations donne-t-il? 3) Pour isoler l eucalyptol, une séparation par une série d extractions liquide-liquide est effectuée. Ces opérations produisent deux solutions différentes, notées A et B. Leur solvant est le dichlorométhane. Une CCM est effectuée pour savoir quelle solution A ou B conserver. Une plaque, où des échantillons de S, de A, de B et de E ont été déposés, a conduit à un chromatogramme représenté sur la figure 2. a. Quelle solution faut-il garder? (à justifier) b. Le rapport frontal d'une espèce chimique est une donnée qui dépend de l'éluant choisi. Prouver par un calcul que l'éluant choisi est le même dans les deux CCM. Fig.1 : CCM de l huile essentielle (S) et de l eucalyptol (E) Fig.2 : CCM de l huile essentielle (S), des extraits (A et B) et de l eucalyptol

3 2H - DEVOIR DE SCIENCES PHYSIQUES N 8 ET SI ON JOUAIT AU CURLING? SUJET B PHYSIQUE: Pour essayer de comprendre le curling Le mouvement de la pierre de curling sur la glace peut être modélisé par le mouvement d une bille sur un plan horizontal plus ou moins lisse. Une caméra fixe filme le parcours de la bille. On a repéré la position de la bille en utilisant un logiciel, Aviméca. Document 1 : Enregistrements papier : Le temps entre 2 points consécutifs est 60 ms. Les 2 enregistrements suivants ont été obtenus dans 2 situations différentes et sont à l échelle 1 (1 cm sur le document correspond à 1 cm réel) Enregistrement 1 : très peu de frottements : le sol est bien lisse Enregistrement 2 : beaucoup de frottements : le sol n est pas lisse Document 2 : Enregistrement avec le logiciel Aviméca 1) Etude de l enregistrement 1 : a) Un élève dit : cet enregistrement est fait dans le référentiel terrestre? Etes-vous d accord? Pourquoi? b) Qualifier le mouvement de la bille en justifiant. c) Calculer la vitesse moyenne entre les points 5 et 10. 2) Etude de l enregistrement 2 : Comment la vitesse du glaçon évolue-t-elle? Justifier. 3) Exploitation de l enregistrement fait avec Aviméca : a) Relever les valeurs obtenues dans le tableau suivant : ne garder que 2 chiffres significatifs Temps (en ms) Distance parcourue à partir de l origine (en cm) b) Calculer la vitesse moyenne de la bille sur le parcours (entre 0,080 s et 0,640 s) c) Le clip étudié correspond-il à un sol lisse ou pas? Vous répondrez en faisant 2 calculs de vitesse. 4) Conclusion : D après vous, pourquoi au curling, des joueurs balayent la glace devant le palet?

4 CHIMIE : Après la partie de curling, les joueurs ont pris froid : ils ont besoin d eucalyptol! Le cinéol, ou eucalyptol, peut être extrait de certains végétaux, notamment des feuilles d eucalyptus. Cette espèce chimique est utilisée dans certaines spécialités pharmaceutiques, par exemple pour le traitement des infections des voies respiratoires. Pour extraire le cinéol, des feuilles d eucalyptus broyées sont introduites dans un chaudron avec de l eau distillée. Le mélange est chauffé à ébullition durant un quart d heure. Une fois refroidi à température ambiante, le mélange est filtré. Le filtrat contient de l eau et une huile essentielle d eucalyptus. Celle-ci est essentiellement constituée de cinéol et en a les caractéristiques physiques. Données : Caractéristiques physiques du cinéol : Température de fusion : 2 C, température d ébullition : 176 C, densité : d = 0,92 (ρ= 0,92 g.ml -1 ) Solubilités : peu soluble dans l eau, soluble dans l éthanol, soluble dans le cyclohexane. Le cyclohexane (d=0,78) n'est pas miscible à l'eau contrairement à l'éthanol (d=0,79). Masse volumique de l eau : ρ eau= 1,00 g.ml Analyse du filtrat : a. Justifier que le cinéol est liquide à température ambiante. b. D après les données, le filtrat obtenu est-il un mélange homogène ou hétérogène? Justifier. c. Où se trouve le cinéol après décantation du filtrat? d. Déterminer le volume d huile essentielle obtenu si sa masse est m = 3 g. 2. Amélioration du rendement : On veut récupérer le peu de cinéol présent dans l eau à l aide d une extraction par solvant. a. Indiquer le solvant à utiliser et pourquoi vous faites ce choix. b. Faire un schéma légendé correspondant à la fin de l'expérience avec le matériel adéquat. 3. Suivi de la purification par chromatographie : L extraction a permis d obtenir une solution S jaune pâle d huile essentielle d eucalyptus dans le solvant. La recherche de la présence d eucalyptol dans S au moyen d une chromatographie sur couche mince (CCM) est effectuée en déposant cote à cote un échantillon de S et un échantillon de référence d eucalyptol (E). 1) Après migration, la plaque est blanche : quelle opération permet de lire le chromatogramme. De quel matériel avez- vous besoin pour cette opération? 2) Le chromatogramme ensuite obtenu est représenté sur la fig.1. Quelles informations donne-t-il? 3) Pour isoler l eucalyptol, une séparation par une série d extractions liquide-liquide est effectuée. Ces opérations produisent deux solutions différentes, notées A et B. Leur solvant est le dichlorométhane. Une CCM est effectuée pour savoir quelle solution A ou B conserver. Une plaque, où des échantillons de S, de A, de B et de E ont été déposés, a conduit à un chromatogramme représenté sur la figure 2. a. Quelle solution faut-il garder? (à justifier) b. Le rapport frontal d'une espèce chimique est une donnée qui dépend de l'éluant choisi. Prouver par un calcul que l'éluant choisi est le même dans les deux CCM. Fig.1 : CCM de l huile essentielle (S) et de l eucalyptol (E) Fig.2 : CCM de l huile essentielle (S), des extraits (A et B) et de l eucalyptol

5 2H - DEVOIR DE SCIENCES PHYSIQUES N 8 CORRECTION SUJET A ET SI ON JOUAIT AU CURLING? PHYSIQUE: Pour essayer de comprendre le curling 1) Etude de l enregistrement 1 : a) L enregistrement est fait dans le référentiel terrestre puisque la caméra est fixe (ligne 3 du document), donc le référentiel de la caméra est identique au référentiel terrestre. b) Les points sont régulièrement espacés et sur une droite : le mouvement est donc rectiligne uniforme. c) Entre les points 5 et 10 je mesure 5,8 cm. De plus je sais qu entre ces 2 points, il y a 5x60=300ms. La vitesse est donc v d t 5,6.10 0,3 2 0,19m.s -1 2) Etude de l enregistrement 2 : La vitesse diminue puisque les points se resserrent. Attention au vocabulaire : On doit «la vitesse du glaçon diminue» ou «le glaçon est freiné» mais pas «la vitesse est freinée» 3) Exploitation de l enregistrement fait avec Aviméca : a) Les valeurs obtenues sont dans le tableau du document 2 : Temps (en ms) Distance parcourue à partir de l origine (en cm) 0,021 0,53 1,0 1,5 2,0 2,4 2,9 3,4 3,9 4,3 4,8 5,3 5,7 6,3 6,8 Attention aux unités et au nombre de chiffres significatifs b) La vitesse moyenne de la bille sur le parcours est v = 6, , = 0,12 m/s 0,640 0,080 c) Le clip étudié correspond plutôt à un sol lisse car la vitesse varie peu. En effet : entre le premier point et le deuxième la vitesse est v = 0, , = 0,13 m/s 0,120 0,080 entre l avant dernier et le dernier point : v = 6, ,310 2 = 0,13 m/s 0,640 0,600 4) Conclusion : Les joueurs «balayent» la glace devant le palet de curling pour lisser la glace et ainsi éviter que le palet soit trop freiné. Plus ils balayent, plus loin ira le palet sur la glace car moins il sera ralenti par les frottements de la glace. Dire que le palet gagne ainsi de la vitesse(ou accélère) est faux : sa vitesse diminue moins vite, mais diminue quand même

6 CHIMIE : Après la partie de curling, les joueurs ont pris froid : ils ont besoin d eucalyptol! 1. Analyse du filtrat : a. A température ambiante, le cinéol est liquide puisque sa température de fusion est 2 C et sa température d ébullition est 176 C. b. Dans l énoncé, il est noté que le cinéol est peu soluble dans l eau (ligne 12) donc le mélange obtenu est hétérogène. Dans la question, il est spécifié de se servir des données, donc mentionner la solubilité dans l eau est nécessaire. c. La densité du cinéol est 0,92 donc inférieure à celle de l eau : le cinéol est donc au-dessus de l eau. d. La masse volumique du cinéol est donnée dans le document : ρ=0,92 g.ml -1. On en déduit donc que : V = m = 2 = 2,2 ml ρ 0,92 Vous devez savoir utiliser la masse volumique depuis le collège 2. Amélioration du rendement : a. IL faut que le solvant choisi ne soit pas miscible à l eau et que le cinéol y soit très soluble. Le seul possible est le cyclohexane d après l énoncé. b. Schéma à la fin de l'expérience : Il y a des règles précises pour faire un schéma convenable en chimie (voir fiche en début d année!) 3. Suivi de la purification par chromatographie : 1) Après migration, il faut faire une révélation : on peut utiliser une lampe UV. Cyclohexane + cinéol Eau + impuretés Ampoule à décanter Le mot «révélation» doit être connu. Vous pouvez aussi citer la révélation au permanganate. 2) Sur le chromatogramme, il apparait que la solution S contient bien de l eucalyptol (tache à la même hauteur que E) mais également au moins 6 autres espèces chimiques puisqu il y a 7 taches. 3)a) Il faut garder la solution B puisque c est dans celle-ci que l espèce E est présente (elle n est plus du tout présente dans A) 3)b) Calculons le rapport frontal correspondant à E dans les 2 CCM : CCM1 : h Rf H 2,2 0,61 3,6 CCM2 : h' Rf H ' 2,0 3,3 0,61 h H Les mesures ne sont pas les mêmes, vous devez obligatoirement faire 2 calculs différents. Conclusion : les rapports frontaux sont les mêmes, ce qui prouve que l éluant est le même.

7 2H - DEVOIR DE SCIENCES PHYSIQUES N 8 CORRECTION SUJET B ET SI ON JOUAIT AU CURLING? PHYSIQUE: Pour essayer de comprendre le curling 1) Etude de l enregistrement 1 : a) L enregistrement est fait dans le référentiel terrestre puisque la caméra est fixe (ligne 3 du document), donc le référentiel de la caméra est identique au référentiel terrestre. b) Les points sont régulièrement espacés et sur une droite : le mouvement est donc rectiligne uniforme. c) Entre les points 5 et 10 je mesure 6,5 cm. De plus je sais qu entre ces 2 points, il y a 5x60=300ms. La vitesse est donc v d t 6,5.10 0,3 2 0,22m.s -1 2) Etude de l enregistrement 2 : La vitesse diminue puisque les points se resserrent. Attention au vocabulaire : On doit «la vitesse du glaçon diminue» ou «le glaçon est freiné» mais pas «la vitesse est freinée» 3) Exploitation de l enregistrement fait avec Aviméca : a) Les valeurs obtenues sont dans le tableau du document 2 : Temps (en ms) Distance parcourue à partir de l origine (en cm) 2,6 3,1 3,6 4,1 4,5 5,0 5,5 5,9 6,4 6,9 7,4 7,8 8,3 8,8 9,3 Attention aux unités et au nombre de chiffres significatifs b) La vitesse moyenne de la bille sur le parcours est v = 9, , = 0,12 m/s 0,640 0,080 c) Le clip étudié correspond plutôt à un sol lisse car la vitesse varie peu. En effet : entre le premier point et le deuxième la vitesse est v = 3, , = 0,13 m/s 0,120 0,080 entre l avant dernier et le dernier point : v = 9, , = 0,13 m/s 0,640 0,600 4) Conclusion : Les joueurs «balayent» la glace devant le palet de curling pour lisser la glace et ainsi éviter que le palet soit trop freiné. Plus ils balayent, plus loin ira le palet sur la glace car moins il sera ralenti par les frottements de la glace. Dire que le palet gagne ainsi de la vitesse(ou accélère) est faux : sa vitesse diminue moins vite, mais diminue quand même

8 CHIMIE : Après la partie de curling, les joueurs ont pris froid : ils ont besoin d eucalyptol! 1. Analyse du filtrat : a. A température ambiante, le cinéol est liquide puisque sa température de fusion est 2 C et sa température d ébullition est 176 C. b. Dans l énoncé, il est noté que le cinéol est peu soluble dans l eau (ligne 12) donc le mélange obtenu est hétérogène. Dans la question, il est spécifié de se servir des données, donc mentionner la solubilité dans l eau est nécessaire. c. La densité du cinéol est 0,92 donc inférieure à celle de l eau : le cinéol est donc au-dessus de l eau. d. La masse volumique du cinéol est donnée dans le document : ρ=0,92 g.ml -1. On en déduit donc que : V = m = 3 = 3,3 ml ρ 0,92 Vous devez savoir utiliser la masse volumique depuis le collège 2. Amélioration du rendement : a. IL faut que le solvant choisi ne soit pas miscible à l eau et que le cinéol y soit très soluble. Le seul possible est le cyclohexane d après l énoncé. b. Schéma à la fin de l'expérience : Il y a des règles précises pour faire un schéma convenable en chimie (voir fiche en début d année!) 3. Suivi de la purification par chromatographie : 1) Après migration, il faut faire une révélation : on peut utiliser une lampe UV. Cyclohexane + cinéol Eau + impuretés Ampoule à décanter Le mot «révélation» doit être connu. Vous pouvez aussi citer la révélation au permanganate. 2) Sur le chromatogramme, il apparait que la solution S contient bien de l eucalyptol (tache à la même hauteur que E) mais également au moins 4 autres espèces chimiques puisqu il y a 5 taches. 3a) Il faut garder la solution B puisque c est dans celle-ci que l espèce E est présente (elle n est plus du tout présente dans A) 3b) Calculons le rapport frontal correspondant à E dans les 2 CCM : CCM1 : h Rf H 2,0 3,2 0,62 CCM2 : h' Rf H ' 2,4 3,9 0,62 h H Les mesures ne sont pas les mêmes, vous devez obligatoirement faire 2 calculs différents. Conclusion : les rapports frontaux sont les mêmes, ce qui prouve que l éluant est le même.