I- La pile cuivre-aluminium (16 points)

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1 nom : TS 6 CONTRÔLE DE SCENCES PHYSQUES durée conseillée 1h15 26/03/12 Lors de la correcion il sera enu compe de la présenaion e de la rédacion de la copie. Les réponses seron jusifiées e données sous forme liérale puis numérique quand les données du exe le permeen. - La pile cuivre-aluminium (16 poins) 1. On inrodui dans un becher un volume V = 40 ml d'une soluion de chlorure d'aluminium (A Cl ), de concenraion molaire en solué apporé C = 0,20 mol L -1, dans laquelle plonge une lame d'aluminium. Dans un second becher, on inrodui un volume V = 100 ml d'une soluion de sulfae de zinc (Zn 2+ + SO 4 2 ), de concenraion molaire en solué apporé C = 0,10 mol L -1, dans laquelle plonge une lame de zinc. On relie les deux soluions à l'aide d'un pon salin conenan du nirae d'ammonium (NH NO 3 ). Lorsqu'on branche un volmère avec sa borne COM reliée à l'élecrode d'aluminium, on mesure une différence de poeniel (appelée aussi ension) U = + 0,90 V Quelle es la polarié de la pile? /0, À quoi ser le pon salin? /0,5 2. On relie la pile à un conduceur ohmique e un ampèremère (schéma ci-dessous) Légender le schéma ci-dessous en indiquan le sens du couran dans ou le circui e en représenan le déplacemen des différens poreurs de charge. Jusifier le sens du couran à l exérieur de la pile. /1 A R Al Zn (Al Cl ) (Zn SO4 ) 2.2. Nommer les réacions qui se produisen aux élecrodes e écrire leur équaion. / Monrer que la ransformaion enre les deux couples peu s'écrire : /0,5 3 Zn 2+ (aq) + 2 Al (s) = 3 Zn (s) + 2 Al 3+ (aq) 2.4. La consane d'équilibre associée à la ransformaion es K = Calculer le quoien de réacion iniial. / Monrer, en appliquan le crière d'évoluion sponanée, que le sens d'évoluion es cohéren avec le foncionnemen de la pile. /1 3. La pile foncionne pendan 25 min en débian un couran d'inensié consane = 40 ma. Données : on prendra F C mol -1 Masse molaire de l'aluminium: 27 g mol Calculer la quanié d'élecricié Q échangée pendan 25 min. / Calculer la quanié de maière d'élecrons n(e) échangée pendan cee durée. / Donner la relaion enre n(e) e n(al), quanié de maière d'aluminium ayan disparu. / Calculer la pere de masse de l'élecrode d'aluminium. /1 4. La pile es équivalene à l'associaion en série d'un généraeur de ension coninue de force élecromorice E = 0,90 V e d'un conduceur ohmique de résisance r. On remplace le conduceur ohmique de résisance R e l ampèremère par un condensaeur branché enre les bornes P e M de la pile (voir schéma ci-après). Le condensaeur éan iniialemen déchargé, à l insan = 0 on ferme le circui.

2 r P Q M E 4.1. Compléer le schéma ci-dessus en représenan : - le sens du couran au cours de la charge du condensaeur, - les flèches représenan les ensions u QM, u QP e u AB. / Quel es le signe de la charge prise par l'armaure A du condensaeur au cours de la charge? /0, À chaque insan, la charge q A de l'armaure A du condensaeur es proporionnelle à la ension u AB enre ses armaures A e B. Quels son le nom e l'unié du coefficien de proporionnalié correspondan? / Monrer que l'équaion différenielle permean de déerminer la ension u AB aux bornes du condensaeur s écri : E = r C +. /1, La soluion de cee équaion différenielle es : = E 1 e. Éablir l'expression de e son unié. /1,5 6. On charge un condensaeur de capacié C = 100 mf sous la ension E = 0,90 V. Quelle es l'énergie maximale E emmagasinée dans le condensaeur? /1 A B C - La gravure d un CD (4 poins) La duplicaion en grande quanié d'un disque compac se fai par pressage de polycarbonae fondu. Ce pressage es réalisé à l'aide d'une marice en nickel. Le procédé se déroule en rois éapes : 1 ère éape : Fabricaion du glassmaser Elle consise à graver le disque de base (glassmaser) à parir duquel on va réaliser une duplicaion en série. On recouvre ensuie le glassmaser gravé d'une fine couche d'argen. On obien alors le glassmaser méallisé. 2 e éape : Galvanoplasie Elle consise à créer une marice, image symérique du glassmaser. Ce dernier, éan devenu conduceur après le dépô d'argen, es immergé pendan plus de 2 heures dans une soluion acide de sulfamae de nickel où il va subir une élecrolyse, l'aure élecrode éan du nickel. Le bu de cee opéraion es de créer un dépô de nickel sur le glassmaser. On sépare ensuie cee couche de nickel e on obien une marice, le père, qui es une image symérique parfaie du glassmaser. 3 e éape: Pressage On place le père dans le moule d'une presse qui perme de dupliquer le disque en grand nombre. Les quesions qui suiven ne poren que sur la 2e éape (galvanoplasie). 1. Sur le schéma de l'élecrolyse donné ci-dessous, préciser le sens du couran e la polarié des bornes du généraeur, en jusifian vore réponse. /1,5 2.a. Nommer les élecrodes e préciser les équaions des réacions qui s'y déroulen. /1 2.b. Écrire l'équaion de la réacion globale de cee élecrolyse. /0,5 2.c. Commen évolue la concenraion des ions Ni 2+ dans la soluion? Jusifier. /1 Glassmaser Elecrode de nickel Soluion de sulfamae de nickel

3 nom : TS 6 spé CONTRÔLE DE SCENCES PHYSQUES durée conseillée 0h45 26/03/12 Lors de la correcion il sera enu compe de la présenaion e de la rédacion de la copie. Les réponses seron jusifiées e données sous forme liérale puis numérique quand les données du exe le permeen. Pour la fêe de la musique, Harmonie a éé chargée d enregisrer la presaion du groupe formé par quare camarades de classe : une guiarise, un percussionnise, un flûise e une chaneuse. Le lendemain, elle éudie sur son ordinaeur ce enregisremen à l aide d un logiciel d acquisiion e de raiemen de signaux. Ce exercice ne nécessie aucune connaissance musicale. 1. Sons e ondes Quelles son les deux foncions que doi remplir un insrumen de musique pour produire un son? / La corde de guiare es le siège d ondes saionnaires Pourquoi di-on que ces ondes son saionnaires? / Proposer une représenaion de la corde pour le mode fondamenal (1 er harmonique) e l harmonique de rang 2 en précisan les nœuds e des venres de vibraion de la corde. /2 2. Sons e musique Pour accorder son insrumen, le guiarise uilise un diapason. L analyse des sons correspondans donne des courbes d évoluion emporelle reproduies ci-dessous (documens 1 e 2). Documen 1 Documen Aribuer chaque courbe à son insrumen en jusifian. / Déerminer la fréquence de chaque son. / Quelle caracérisique musicale du son es associée à la fréquence? /2

4 2.2. L analyse specrale du son de la guiare fourni le graphique du documen 3 ci-dessous. Documen À quoi corresponden les différens pics? / Quelle caracérisique du son associe--on à leur présence e à leur ampliude relaive? / Compléer, en jusifian, le specre du son produi diapason sur le documen 4. /2 Documen 4 3. nensié acousique e niveau sonore. On rappelle qu enre le niveau sonore L e l inensié acousique d un son exisen les relaions suivanes : L = 10 log L /10 e = = W.m -2 es l inensié acousique de référence correspondan au seuil d audibilié à une fréquence de 1000 Hz. Lorsque plusieurs sources sonores émeen simulanémen, les inensiés acousiques s addiionnen. Lors du concer, un sonomère placé à 5 m de la guiarise jouan seule indique un niveau sonore de 67 db. Des mesures similaires donnen pour le percussionnise seul : 70 db, e pour la chaneuse seule : 64 db Compléer, en jusifian, le ableau ci-dessous. /2 flûe chan guiare percussion Niveau sonore (db) nensié acousique (10 6 W m 2 ) 1,3 2,6 5, Lorsque ous jouen e chanen ensemble, de quelle valeur, parmi celles-ci-dessous, le niveau d inensié sera--il proche? Jusifier. /1 63 db 73 db 76 db 79 db

5 TS 6 réponses CONTRÔLE DE SCENCES PHYSQUES 26/03/12 - La pile cuivre-aluminium 1.1. La borne COM es reliée l'élecrode d'aluminium, le volmère mesure U = U CuAl = V Cu V Al > 0 donc V Cu > V Al. L'élecrode de zinc es la borne posiive de la pile e l'élecrode d'aluminium es la borne négaive Le pon salin perme au couran de circuler e il perme de mainenir l'élecroneuralié des soluions Dans le circui exérieur, les élecrons son les poreurs de charge, andis qu'en soluion aqueuse ce son les ions. Dans le circui exérieur à la pile (donc dans l ampèremère e le conduceur ohmique) le couran circule de la borne + vers la borne donc de la lame de zinc vers la lame d aluminium. élecrons A R élecrons Al anions caions Zn (Al Cl ) (Zn SO4 ) 2.2. L'élecrode de zinc es la borne +, il y a consommaion d'élecrons, donc une réducion : Zn 2+ (aq) + 2 e = Zn (s) demi-équaion (1) L'élecrode d'aluminium es la borne, elle libère des élecrons, il s'y produi une oxydaion : Al (s) = Al 3+ (aq) + 3 e demi-équaion (2) 2.3. Au cours d'une réacion d'oxydoréducion, il y a auan d'élecrons consommés que d'élecrons produis, soi en faisan 3 (réacion 1) + 2 (réacion 2), il vien : 3 Zn 2+ (aq) + 2 Al (s) = 3 Zn (s) + 2 Al 3+ (aq) Q r,i = () #$ " () "! = %,'%"! = *' (%,- ". %,(% = / *(%,- ". = / (%," (( (%,- ) ( ((%,- ) ( (%, = 4 10( = Q r,i, < K, l évoluion sponanée se fai donc dans le sens direc de l équaion associée à la ransformaion dans la pile. Ce résula es en accord avec la polarié de la pile Q = converir en ampère e en seconde Q = = = 60 C 3.2. Q = n(e) F soi n(e) = Q F =. F 2% n(e) = = ( (% soi mol d'élecrons échangée pendan 25 min (avec 1 chiffre significaif comme F) D'après la demi-équaion (2), on a n(al) disparu = 3.4. m(al) disparu = n(al) disparu M(Al) n e 3.

6 m(al) disparu = 4(e) M(Al) 3 m(al) disparu = 2 (%,6 27 = = g soi g (avec 1 chiffre significaif) D'après la convenion généraeur, la flèche ension E a le même sens que le couran L'armaure A es reliée à la borne Q posiive du généraeur de ension. (u QM = E = + 0,90 V > 0) Des élecrons y son arrachés, l'armaure A pore une charge posiive. u QP u QM + u AB 4.3. q A = C u AB où C es la capacié du condensaeur exprimée en farads de symbole F L addiivié des ensions donne u QM = u QP + u PA +u AB + u BM On a : u QM = E d u AB u QP = r i = r C d u PA = 0 (ension aux bornes d un fil) u BM = 0 (ension aux bornes d un fil) d u AB l vien donc : E = r C + u AB d Soluion u AB = E 1 exp. du AB = E d. e duab donc r.c. = r.c.e. e d duab e r.c. + u AB = r.c.e. e + E E. e d'après l'équaion différenielle cee expression es égale à E d ainsi r.c.e. e + E E. on divise ou par E, il vien e = E quel que soi r.c r.c e + 1 e donc si = r.c e = 1 e = 0 cee égalié es vérifiée quel que soi si r.c = E =.C. u Lorsque le condensaeur es chargé u C max Cmax = E donc E =.C.E ne pas confondre E force élecromorice e l'énergie E. 2 E = 0, ,90² = (9, ) 2 = , E = E = 40, J E = J

7 - La gravure d un CD (4 poins) 1. l fau observer un dépô de Ni sur le glassmaser. L équaion de la réacion sur le glassmaser s écri donc Ni e - = Ni. C es une réducion qui consomme des élecrons. Cee élecrode es donc la cahode (réducion) e elle es reliée au pôle du généraeur (pôle qui fourni les élecrons). élecrons a. Glassmaser = cahode, réducion du Ni 2+ : Ni e - = Ni Élecrode de nickel = anode, oxydaion du Ni : Ni = Ni e - A l anode il n y a que du nickel qui va êre oxydé. 2.b. Ni 2+ + Ni = Ni + Ni 2+ La concenraion du Ni 2+ rese consane car ou le Ni 2+ consommé à la cahode es remplacé par du Ni 2+ libéré à l anode.

8 TS 6 spé réponses CONTRÔLE DE SCENCES PHYSQUES 26/03/ Pour produire un son, un insrumen de musique doi vibrer (grâce à un exciaeur qui peu êre une corde, une colonne d air, une membrane, ec.) e émere (en assuran le couplage enre l exciaeur e l air) L onde saionnaire (bien que composée d ondes progressives) présene des poins fixes (nœuds) e apparaî immobile pour l observaeur Les deux exrémiés de la corde imposen des poins fixes qui consiuen deux nœuds. En lumière naurelle, le mode fondamenal (1 er harmonique) fai apparaîre un fuseau : nœud venre nœud posiion de la corde au repos L harmonique de rang 2 fi apparaire 2 fuseaux avec un nœud au milieu de la corde. nœud venre noeud venre nœud posiion de la corde au repos Le diapason fourni un son pur (sinusoïdal) : ce qui correspond au documen 1. La guiare fourni un son complexe (périodique mais non sinusoïdal) : associé au documen Pour les 2 sons, une période correspond à 2,50 ms donc T = 2,50 ms e 8 = ( 9 = ( ',:% (%, = 0, Hz soi 400 Hz La fréquence fondamenale du son radui sa haueur Les différens pics corresponden aux fréquences des harmoniques qui composen le son. Le premier pic es l harmonique n 1 ou fondamenal de fréquence f 1 = 4, Hz. Les pics suivans son les harmoniques (n 2, 3, 4 e 5) du son produi par l insrumen don les fréquences son des muliples de f 1, elles que f n = n f 1 avec n enier posiif Les harmoniques son associées au imbre du son Le diapason produi un son pur donc le specre a un seul pic : le fondamenal don la fréquence es de 400 Hz. L ampliude relaive es prise à 1 puisqu il n y a qu une seule fréquence.

9 3. nensié acousique e niveau sonore 3.1. Le niveau d inensié augmene de 3 db lorsque l inensié double. - On peu remarquer que 2,6 es le double de 1,3. Le niveau d inensié pour la flue es donc 3 db en dessous de celui du chan. - De même, 70 = L inensié pour la percussion es donc le double de celle de la guiare. On a donc flûe chan guiare percussion Niveau sonore (db) nensié acousique (10 6 W m 2 ) 1,3 2,6 5,2 10, La somme de oues les inensiés donne une valeur proche du double de celle de la percussion. Le niveau sonore es donc environ de 3 db supérieur à celui de la percussion : 73 db.