CONTROLE COMMUN DE PHYSIQUE DE SECONDE Durée 2h Calculatrice autorisée L énoncé est à rendre avec la copie. Indiquez votre classe sur la copie

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1 Classe : CONTROLE COMMUN DE PHYSIQUE DE SECONDE Durée 2h Calculatrice autorisée L énoncé est à rendre avec la copie. Indiquez votre classe sur la copie EXERCICE I : (4,5 points) 1. Ajoutez chacun des 3 objets (une petite molécule, la Terre, une bactérie) dans le tableau suivant dont vous compléterez toutes les colonnes : objet dimension dimension en m ordre de grandeur de la dimension en m km 0,3nm 6,1 m 2. Le diamètre du nuage électronique sphérique de l'atome d hydrogène est d environ m. Le noyau est encore beaucoup plus petit. Il occupe une sphère d un diamètre d'environ m. a- On souhaite réaliser une maquette de l atome d hydrogène en respectant les proportions. On souhaite représenter la sphère électronique par une boule transparente de diamètre D. Quelle doit être la valeur de D si la sphère qui va représenter le noyau de l atome a un rayon de 1mm? b- Quelle propriété de la matière cette maquette illustre-t-elle? EXERCICE II : astronomie (13 points) Données : Année lumière : 1a.l. = 9, m Vitesse de la lumière dans le vide : c = 3, m/s La constellation d'orion est une des plus belles constellations du ciel, facilement observable l hiver sous nos latitudes. Parmi les étoiles les plus brillantes qui la composent on y trouve Bételgeuse, une supergéante rouge qui se situe à l'épaule droite d'orion. Elle est 630 fois plus grande que notre Soleil et si éloignée que la lumière met 5,64 millions d heures pour parcourir la distance qui la sépare de la Terre. On y trouve également Rigel qui se situe au pied gauche d'orion. C'est une supergéante bleue qui est 80 fois plus grande que notre Soleil et distante du Soleil de 8, km Enfin l'étoile Bellatrix est une étoile plus modeste qui se situe à l'épaule gauche d'orion. Au centre de la constellation, on trouve aussi 3 étoiles : Alnitak, Mintaka et Alnilam qui forment le ceinturon d'orion et qui sont appelées également "les trois rois" ou encore "les trois mages". Juste en-dessous de ces étoiles se trouve la nébuleuse d'orion, appelé M42, ou encore Messier 42. La nébuleuse d'orion est une nébuleuse dite

2 diffuse qui est visible à l'œil nu. Située à 1500 années lumière de notre planète, la nébuleuse d'orion est visible en-dessous de la ceinture d'orion. Cet objet céleste composé d'hydrogène est également une véritable pouponnière car il donnera naissance dans quelques milliers d'années à de nombreuses étoiles. A- Distances astronomiques (4 points) 1. Définissez l année lumière. 2. Combien de temps la lumière met-elle pour nous parvenir de la nébuleuse d Orion? 3. Quelle est la distance en année lumière entre Rigel et le Soleil? 4. Quelle est la distance en année lumière entre Bételgeuse et la Terre? (Il est interdit d utiliser la valeur de la vitesse de la lumière pour répondre à cette question ) B- Spectre (5,5 points) 1. Qu est-ce qu une lumière monochromatique? 2. Qualifiez les deux spectres (N 2 et 3) de l hydrogène gazeux. Quelle propriété des gaz illustrent-ils? 3. La couleur rouge est-elle à droite ou à gauche de ces spectres? Justifiez. 4. Expliquez la provenance du fond continu coloré et des lignes noires sur le spectre de la lumière de l étoile. 5. Peut-on déduire de ces trois spectres une information précise sur l étoile Rigel? Laquelle? Pourquoi? C- La station ISS (3,5 points) La Station spatiale internationale (en anglais International Space Station ou ISS) est une station spatiale placée en orbite terrestre basse, occupée en permanence par un équipage international qui se consacre à la recherche scientifique dans l'environnement spatial. Ce programme, lancé et piloté par la NASA, est développé conjointement avec l'agence spatiale fédérale russe (FKA), avec la participation des agences spatiales européenne, japonaise et canadienne. La station spatiale se déplace autour de la Terre à une altitude maintenue entre 350 et 400 kilomètres. 1. Sachant que les ondes électromagnétiques utilisées lors des communications entre la Terre et la station spatiale se déplacent à la vitesse de la lumière, quel est le temps maximal nécessaire pour qu un message parti de la station spatiale atteigne la Terre? (Donnez le résultat en seconde puis dans l unité la mieux adaptée.) 2. Cette durée pose-t-elle un problème lors d une communication «téléphonique» entre la Terre et la station spatiale? 3. Sachant que la distance entre la Terre et Mars serait au minimum environ fois plus importante que la distance entre la Terre et la station spatiale, répondre aux mêmes questions concernant une éventuelle conversation entre la Terre et Mars.

3 EXERCICE III : A la découverte de l infiniment petit (15,5 points) Données : Charge élémentaire e = 1, C Masse d un nucléon : m n = 1, kg On étudie les atomes 1. Donnez la composition de l atome d aluminium. 2. Donnez la structure électronique de ces 4 atomes. 3. Quelle est la couche externe (ou niveau de valence) de l atome de soufre S? 4. Définissez le mot isotope. 5. En appliquant, aux atomes de lithium, néon et soufre, une règle que l on nommera, dites quels sont les ions qu ils peuvent éventuellement former. Précisez s il s agit d anion ou de cation et si les atomes ont gagné ou perdu des électrons. Pour répondre à ces questions, complétez le tableau suivant. Elément Règle Ion type d ion Les électrons sont Li Ne S 6. Où se trouve l atome de lithium Li dans la classification périodique? Justifiez. 7. En utilisant uniquement les données sur Li, Al, Ne et S, complétez le tableau suivant quand c est possible. Si c est impossible, expliquez pourquoi dans la colonne de droite du tableau. Composition du noyau Représentation symbolique du noyau sous la forme 10 protons, 11 neutrons 7 protons, 3 nucléons 13 neutrons, 27 protons 16 protons, 33 nucléons 8. Le noyau d un atome de Zinc (Zn) contient 64 nucléons et sa charge électrique est égale à 4, C. Donnez la représentation symbolique de ce noyau. 9. Calculer la masse d un atome de brome dont le noyau est représenté par puis la masse de l ion bromure Br On donne la masse d un atome de carbone m=2, kg a) Combien y a-t-il de nucléons dans un atome de carbone? b) Quel est le nombre N d atomes de carbone dans une mine de crayon de masse m mine = 0,50 g (la mine de crayon est supposée en carbone pur).

4 Exercice IV : Le prisme (7 points) Un prisme en flint possède un angle au sommet en A de valeur =30, son indice vaut 1,60 pour la radiation étudiée. Le faisceau lumineux incident arrive sur la face AB du prisme au point d incidence M avec un angle d incidence i 1. L angle de réfraction en M est noté i 2. Le prisme est situé dans l air dont l indice vaut 1,00. 1 ) Entrée dans le prisme a- Exprimez la loi de la réfraction au point M en précisant les notations employées. Indiquez sur le schéma (sans souci d échelle) les angles qui interviennent dans cette loi. b- Quelle est la valeur de i 2? c- En déduire la valeur de i 1. 2 ) Sortie du prisme a- Quelle est la valeur de l angle d incidence i 2 à la sortie du prisme? b- En déduire la valeur de l angle de réfraction en N. c- Tracez le rayon réfracté en N.

5 CORRECTION du CONTROLE COMMUN EXERCICE I : 1. Objet dimension dimension en m Ordre de grandeur en m diamètre de la Terre km 1, m 10 7 petite molécule 0,3nm m m bactérie 6,1 m 6, m 10-5 m 2. Le diamètre du nuage électronique sphérique de l'atome d hydrogène est de l'ordre de m. Le noyau est encore beaucoup plus petit. Il occupe une sphère d'un diamètre d environ m. a- 2mm correspond à m et D correspond à m donc D doit faire 2mm x /10-15 = mm = 200m. b- La matière est lacunaire ou elle est essentiellement constituée de vide. EXERCICE II : astronomie A- Distances astronomiques 1. L année de lumière est la distance parcourue par la lumière en une année dans le vide. 2. La lumière met 1500 ans pour nous parvenir de la Nébuleuse d Orion par définition de l année de lumière. 3. On sait d après les données que 1a.l. = 9, m = 9, km donc 8, km/ 9, = 8, a.l. 4. La lumière met 5, h pour parcourir la distance entre Bételgeuse et la Terre, il faut convertir cette durée en année pour connaitre la distance en année lumière. Dans une année il y a 365*24 = 8760h donc 5, h correspond à 5, h /8760 = 644 années donc la distance correspondante est 644a.l. B- Spectre 1. Une lumière monochromatique ne comporte d une seule radiation donc une seule longueur d onde, elle ne peut pas être dispersée. 2. Le spectre N 2 est un spectre d émission de raies et le spectre N 3 est un spectre d absorption de raies. Les deux spectres sont complémentaires ce qui montre qu un gaz chaud peut absorber les radiations qu il émet. 3. La couleur rouge est à droite car elle correspond aux longueurs d ondes voisines de 750nm. 4. Le fond continu coloré correspond à la lumière émise par la photosphère de l étoile et les lignes noires sont les raies d absorption dues aux gaz de l atmosphère de l étoile. 5. On peut affirmer que l atmosphère de l étoile Rigel contient de l hydrogène car les raies d absorptions de l hydrogène correspondent à des raies noires sur le spectre de l étoile. C- La station ISS 1. La station spatiale est au maximum à la distance d = 400km = m de la surface de la Terre donc le message qui se déplace à la vitesse c mettra un temps t = d/ c = / = 1, s = 1,33ms. 2. Cette durée est courte et ne pose pas de problème lors d une communication entre la Terre et la station spatiale? 3. Si la distance entre la Terre et Mars est fois plus importante que la distance entre la Terre et la station spatiale, le temps mis par le message serait aussi fois

6 plus grand soit x 1, = 267s = 4,44min. La conversation ne sera pas très fluide! EXERCICE III : A la découverte de l infiniment petit On considère les atomes 1. L atome d aluminium contient 13 protons, 13 électrons et 14 neutrons. 2. Structure électronique : Li : (K) 2 (L) 1 ; Al :(K) 2 (L) 8 (M) 3 ; Ne :(K) 2 (L) 8 ;S : (K) 2 (L) 8 (M) La couche externe de l atome de soufre S est le niveau M. 4. Deux isotopes sont deux noyaux (atomes) qui ont le même nombre de protons (même numéro atomique) mais des nombres de neutrons (de nucléons) différents. 5. Elément Règle Ion type d ion Electrons Li du duet Li + cation perdu Ne de l octet pas d ion pas d ion pas d électrons échangés 6. L S de l octet S 2- anion gagnés atome de lithium Li est dans la première colonne de la classification périodique car il possède 1 électron de valence (dans sa couche externe) et dans la deuxième ligne car son niveau de valence (sa couche externe) est L. 7. En utilisant uniquement les données sur Li, Al, Ne et S, complétez le tableau suivant quand c est possible. Si c est impossible, expliquez pourquoi. Composition du noyau symbole de l élément sous la forme 7 protons, 3 nucléons Impossible, il y a plus de nucléons que de protons 13 neutrons, 27 protons On n a pas dans nos données le symbole de l élément de numéro atomique 27. Ou bien : impossible car trop de protons par rapport aux neutrons. 16 protons, 33 nucléons 10 protons, 11 neutrons 8. Soit Q la charge électrique du noyau et Z le nombre de protons de charge e, Z = Q/e = 4, /1, = 30 Le symbole de ce noyau (atome) est 9. La masse des électrons est négligeable donc m atome = A.m nucléon =79*1, =1, kg La masse de l ion est la même puisque la masse des électrons est négligeable. 10. a- Comme pour la question 9, on peut écrire m atome = A.m nucléon donc A = m atome /.m nucléon = 2, /1, = 12 b- N = m mine /m atome on doit convertir la masse de l atome en g m atome = 2, g Donc N = 0,50/2, = 2, atomes EXERCICE IV : Le prisme L indice de l air est n 1 = 1,00, l indice du prisme est n 2 = 1,60 1 ) Entrée dans le prisme a- n 1 sin i 1 = n 2 sin i 2. b- i 2 = 30 c- sin i 1 = n sin i 2 / n O = 1,60*sin (30)/ 1,00 = 0,800 donc i 1 = sin -1 (0,800) = 53 2 ) Sortie du prisme a- Dans le triangle rectangle MAN, on peut écrire que la somme des angles vaut 180. Donc le 3 ème angle vaut 90 et i 2 = 0 : On est en incidence normale. b- La loi de la réfraction donne n 2 sin i 2 = n 1 sin i 1 comme sin i 2 = 0, i 1 = 0.