BAC BLANC Mars 2015 PHYSIQUE-CHIMIE

Terminales S BAC BLANC Mars 2015 PHYSIQUE-CHIMIE SERIE SCIENTIFIQUE Durée de l'épreuve : 3 h 30 Coefficient : 6 L'usage de la calculatrice est autorisé Ce sujet comporte 13 pages numérotées La page 13 est à rendre avec la copie SPECIFIQUE

EXERCICE I : New Horizons (10 points) Doc.1 : Mission vers Pluton Doc.2 : Propulseurs à l'hydrazine Doc.3 : Les ondes électromagnétiques 2/13

Doc.4 : Le système de Pluton 1. Décollage le 19 janvier 2006 La masse totale des trois etages de la fusee haute de 59.7 m est de 575000 kg. Le champ de pesanteur est suppose uniforme : son intensite est g = 9,8 m.s -2. On choisit un axe Oz vertical dirige vers le haut. On etudie le mouvement de la fusee dans le referentiel terrestre qu'on suppose galileen. La force developpee par les 5 boosters du lanceur Atlas 551 est de 10 906 194 N au moment du decollage et jusqu'à leur largage. 1.1. En considerant la masse de la fusee a peu pres constante pendant les premieres seconde du decollage, Montrer que l action des boosters est suffisante pour faire decoller la fusee et trouver la valeur de l acceleration communiquee a la fusee. 1.2. Au bout de 1 min 48 s, les 5 boosters ont consommes chacun leur 47 tonnes de combustibles. Trouver la valeur de la vitesse d expulsion des gaz v E sachant que la force de poussee s exprime de la facon suivante : F = q x v E avec q : debit des gaz en kg/s. 2. Le voyage de la sonde New Horizons En janvier 2014, la sonde est en hibernation depuis Jupiter qu elle a croise en 2007 (voir Doc.1). Sa vitesse est constante depuis cette date et vaut 14.82 km/s. 2.1. Dans quel referentiel cette vitesse est-elle mesuree? 2.2. Montrer que cette sonde parcourt plus d un million de km par jour. 3/13

3. correction de trajectoire Physique chimie - Bac blanc n 2 (mars 2015) Le 30 janvier 2006 une correction de vitesse a ete effectuee pour obtenir une augmentation de vitesse Δv1 de 12.5 m/s a l aide des propulseurs consommant une masse Δm = 2.8 kg d hydrazine. Avant cette operation la masse de la sonde et de son carburant etait m = 478 kg. 3.1. La sonde etant au moment de la correction en mouvement rectiligne uniforme, montrer, a l aide de la deuxieme loi de Newton que la quantite de mouvement du systeme {sonde + carburant} se conserve. 3.2. En considerant la sonde comme immobile au moment de cette correction de vitesse, faire un schema de la situation permettant ensuite de trouver la vitesse d expulsion v2 des gaz de propulsion. 4. L Hydrazine 4.1. La reaction de decomposition de l hydrazine (voir Doc.2) est-elle le resultat d une catalyse heterogene ou d une catalyse homogene? Qu entend-t-on par reaction exothermique. 4.2. Faire le bilan global des 3 reactions qui se produisent simultanement et identifier les gaz chauds expulses. 4.3. L hydrazine possede egalement des proprietes acide base (voir les reactions Doc. 2). 4.3.a. 4.3.b. 4.3.c. 4.3.d. Rappeler la definition d un acide et d une base selon Bronsted. L hydrazine est-elle une base ou un acide, justifier. Calculer le Ka1 de ce couple. Representer sur un axe de ph les zones de predominance des 2 elements de ce couple acide-base. Le pka2 du deuxieme couple presente sera-t-il plus grand ou plus petit. Placer ce pka2 relativement au pka1 sur un nouveau schema et completer les zones de predominance. 5. Communication avec la Terre La sonde utilise les frequences suivantes : Liaison montante (Terre vers sonde) : 7 182,043 000 MHz Liaison descendante (sonde vers Terre) : 8 437,894 737 MHz ; 8 438,181 818 MHz et 8 438,243 000 MHz Ces frequences ne tiennent pas compte de l'effet Doppler. 5.1. Ces ondes font-elle partie du domaine des micro-ondes (vitesse de la lumiere dans le vide c = 3 x 10 8 m/s) 5.2. Pourquoi precise-t-on que les valeurs de ces frequences ne tiennent pas compte de l effet Doppler. 4/13

6. Instruments embarques Physique chimie - Bac blanc n 2 (mars 2015) Parmi les nombreux instruments embarques, il y a un spectrographe ALICE pour etudier l atmosphere de Pluton et de Charon fonctionnant entre 52nm et 187 nm. 6.1. Ce spectrographe travaille-t-il dans le domaine des ultraviolets proches ou des ultraviolets lointains? 6.2. Le rayonnement capte par le spectrographe passe par un reseau de diffraction. Celui-ci sert : a concentrer la lumiere? a disperser les longueurs d ondes? ou a tenir compte de l effet Doppler? 7. Le systeme de Pluton La sonde New Horizons passera pres de Pluton le 14 juillet 2015 pour collecter un grand nombre d informations et d images de Pluton et de ses 5 satellites connus. Pour la suite, on considere que les orbites des satellites autour de Pluton sont circulaires de rayon R. 7.1.a. Representer sur un schema : Pluton et le satellite Charon un vecteur unitaire u oriente du centre de Pluton vers Charon La force d interaction gravitationnelle exercee par Pluton sur Charon. 7.1.b. Peut-on deduire de ce schema que le mouvement de Charon est circulaire uniforme? 7.1.c. Donner ensuite l expression vectorielle de la force F en fonction du choix du vecteur unitaire u. 7.1.d. Dans quel referentiel etudie-t-on le mouvement des satellites de Pluton? 7.2. Montrer que la vitesse d'un satellite de Pluton peut s'exprimer sous la forme v = G M P R 7.3. Montrer que le graphe v 2 = f(1/r) est obligatoirement une droite comme on peut le voir sur le Doc.3. Retrouver ensuite a l aide de ce graphe la masse de Pluton. 7.4. Montrer que T 2 R = 4π2 3 G M P dans le tableau du Doc.4.. Puis trouver le rayon R de l orbite du satellite Styx manquant. 5/13

EXERCICE II : Les dangers de l'alcool (5 points) On trouve dans un document publie par l'institut suisse de pre vention de l'alcoolisme (ISPA) les informations suivantes : Quand une personne consomme de l'alcool, celui-ci commence imme diatement a passer dans le sang. Plus le passage de l'alcool dans le sang est rapide, plus le taux d'alcool dans le sang augmentera rapidement, et plus vite on sera ivre. L'alcool est e limine en majeure partie par le foie. Dans le foie, l'alcool est e limine en deux e tapes grace a des enzymes. Dans un premier temps, l'alcool est transforme en e thanal par l'enzyme alcool de shydroge nase (ADH). L'e thanal est une substance tres toxique, qui provoque des de gats dans l'ensemble de l'organisme. Il attaque les membranes cellulaires et cause des dommages indirects en inhibant le systeme des enzymes. Dans un deuxieme temps, l'e thanal est me tabolise par l'enzyme ace talde hyde de shydroge nase (ALDH). Les parties 1 et 2 sont independantes. www.sfa-ispa.ch 1. Spectroscopie On se propose d'étudier la structure et les fonctions organiques de ces molécules par spectroscopie. Doc.1.a : Spectroscopie Infrarouge en phase liquide. Spectre IR1 http://www.sciences-edu.net 6/13

Doc.1.b : Spectroscopie Infrarouge en phase liquide. Spectre IR2 http://www.sciences-edu.net Doc.1.c : Table de données pour la spectroscopie IR Liaison C - C C - O C = O (carbonyle) C - H O - H Nombre d'onde (cm -1 ) 1000-1250 1050-1450 1650-1740 2800-3000 3200-3700 Doc.2 : Spectre de RMN de l'éthanol 7/13

1.1. Représenter en formule semi-développée les deux molécules d'éthanol et d'éthanal et encadrer leurs fonctions caractéristiques. 1.2. Quel est le nom du groupe fonctionnel porté par l'éthanol? À quelle famille appartient cette molécule? 1.3. Quel est le nom du groupe fonctionnel porté par l'éthanal? À quelle famille appartient cette molécule? 1.4. En utilisant les données spectroscopiques du Doc.1, associer chaque spectre infrarouge (IR) à la molécule correspondante en justifiant. 1.5. Le Doc.2 présente le spectre RMN de l'éthanol. En utilisant la courbe d'intégration, calculer les rapports h 1 / h 2 et h 3 / h 2. 1.6. Utiliser les rapports calculés pour associer aux trois massifs du spectre, les groupes de protons équivalents de l'éthanol. 1.7. Le massif de pics situé au déplacement chimique 1,25 ppm se présente sous la forme d'un triplet. En utilisant la règle des (n+1)-uplets, justifier cette multiplicité en évoquant le nombre d'atomes d'hydrogène voisins. 2. Mécanisme de métabolisation des alcools Après étude de la structure de ces molécules, nous allons étudier le mécanisme biochimique expliquant leur transformation dans l'organisme. La métabolisation des alcools implique leur oxydation en composés carbonylés. Dans les systèmes biologiques, l'éthanol est transformé en éthanal grâce à un oxydant noté NAD +. La réaction est catalysée par une enzyme appelée alcool-déshydrogènase. En substituant un atome d'hydrogène par un atome de deutérium D, on peut mettre en évidence le rôle énantiosélectif de cette enzyme. En soumettant les deux énantiomères du 1-deutérioéthanol à l'action de l'enzyme, on a pu établir que l'oxydation biochimique était stéréospécifique, le NAD + arrachant uniquement l'hydrogène marqué cidessous par une pointe de flèche noire. 8/13

2.1. Quel est le nom de la représentation chimique utilisée dans le mécanisme ci-dessus pour l'alcool? 2.2. Que représentent les traits pointillés et les traits épais? 2.3. En vous basant sur cette représentation, développer complètement la molécule d'éthanol en faisant apparaitre toutes les liaisons. 2.4. Quelle particularité stéréochimique possède le carbone porteur du deutérium dans la molécule de deutérioéthanol? Comment nomme-t-on ce type de molécules? 2.5. L'éthanal obtenu par oxydation se présente-t-il sous la forme d'un mélange d'énantiomères? Justifier. 2.6. La dégradation de l'alcool dans l'organisme est une réaction catalysée. Donner la définition d'un catalyseur. Quel type de catalyse est présenté ici? 9/13

EXERCICE III : Effet Doppler et astrophysique (5 points) L effet Doppler constitue un moyen d investigation utilise en astrophysique Il permet de de terminer la vitesse des astres a partir de l analyse spectrale de la lumiere que ceux-ci e mettent. Cet exercice s inte resse a deux applications distinctes, a savoir le modele d Univers en expansion et la de tection d une e toile double «spectroscopique». Les parties 1 et 2 sont independantes. Donnee : 1 A = 0,1 nm Doc.1 : Principe de l'effet Doppler On note λ 0 la longueur d onde de reference de la raie etudiee dans le spectre (source immobile par rapport a l observateur) et λ la longueur d onde de la radiation emise par la source en mouvement. Lorsqu une etoile s eloigne de la Terre, on observe un decalage vers les grandes longueurs d onde appele «redshift» et caracterise par le nombre z = λ λ 0 λ 0 La formule de Doppler donne la vitesse d e loignement V de la source lumineuse par rapport a l observateur terrestre dans le cas non relativiste : V = c λ λ 0 λ 0 c est la celerite de la lumiere dans le vide (c = 2,99792.10 8 m.s -1 ) Doc.2 : Décalage vers le rouge En 1930, Edwin HUBBLE avait constate experimentalement que plus les galaxies etaient lointaines, plus leur spectre presentait un decalage vers le rouge important. Le «decalage vers le rouge», qui sera appele «redshift» apparait, quand il est petit, comme proportionnel a la distance : z = H 0d c ou H 0 est une constante appelee constante de Hubble. Ce decalage est traditionnellement interprete comme etant du a la vitesse d eloignement des galaxies. Cette interpretation, si elle est vraie pour les «redshifts» petits est en fait fondamentalement erronee dans une perspective de relativite generale. Les «redshifts» observes vont d une fraction de l unite pour la plupart des galaxies, a 4 ou 5 pour les objets plus lointains, quasars, ou certaines autres galaxies. D apres «Cosmologie : Des fondements theoriques aux observations» Francis Bernardeau (CNRS Editions EDP sciences) 10/13

Doc.3 : Extrait du spectre NGC 691 Physique chimie - Bac blanc n 2 (mars 2015) Source : observatoire de Haute Provence, logiciel libre SalsaJ Doc.4 : Effet du mouvement des deux composantes d une e toile double Effet du mouvement des deux composantes d une etoile double sur une raie d absorption si l axe reliant les deux etoiles est perpendiculaire a l axe de visee. On note : λ A la longueur d onde de la raie provenant du spectre de l etoile A et λ B la longueur d onde de la raie provenant du spectre de l etoile B. Doc.5 : E volution temporelle de la position de la raie H α dans le spectre de l e toile HD 80715 Credit : «Observatoire de Paris / U.F.E.» 11/13

1. Preuve de l expansion de l Univers Physique chimie - Bac blanc n 2 (mars 2015) 1.1. En utilisant le Doc.3, determiner la longueur d onde mediane du doublet de Ca 2+ dans le spectre de la galaxie nommee : NGC 691. Sachant que la longueur d onde mediane λ 0 de ce doublet mesuree sur Terre pour une source au repos est de 5268 A, calculer le «redshift» z caracterisant le decalage vers le rouge de cette galaxie, defini dans le Doc.1. 1.2. Calculer la vitesse d eloignement de la galaxie NGC691 par rapport a la Terre. 1.3. A l aide des Doc.1 et Doc.2, etablir dans le cas non relativiste, la relation entre la vitesse d eloignement V de la galaxie et sa distance d a la Terre, montrant que V est proportionnelle a d. 1.4. A partir des valeurs du nombre z donnees dans le Doc.2, montrer que l expression utilisee pour calculer la vitesse d eloignement des galaxies donnee dans le Doc.1 n est pas applicable dans tous les cas. 2. Detection d une etoile double «spectroscopique» On appelle «etoile double» un systeme stellaire compose de deux etoiles proches en orbite autour du meme point (ce point etant le centre d inertie G du systeme). Une etoile double «spectroscopique» est constituee de deux astres trop proches pour etre separes par un telescope optique et ne peut etre detectee que par l etude de son spectre a haute resolution. Le mouvement des deux etoiles provoque en effet un leger deplacement des raies d absorption du spectre par effet Doppler. Dans les questions suivantes, on suppose que les deux etoiles A et B decrivent des orbites circulaires de meme rayon R, avec la meme vitesse V = V A = V B. La periode de rotation commune aux deux etoiles A et B est notee T : c est la periode de l etoile double. 2.1. Expliquer pourquoi, dans la situation decrite sur le Doc.4, on λ A > λ B. 2.2. Sachant que l effet Doppler ne se manifeste pas lorsque le vecteur vitesse de la source est perpendiculaire a la direction de visee, completer en justifiant le tableau de l ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE. Schematiser sans souci d echelle le spectre correspondant a chaque configuration et montrer que l evolution temporelle de ces spectres est periodique de periode T/2. 2.3. En utilisant les spectres du Doc.5 qui montrent l evolution temporelle de la position de la raie Hα dans le spectre de l etoile double HD 80715, verifier que la periode T de celle-ci est voisine de 3,8 jours. 12/13

NOM : Prénom : ANNEXE (à rendre avec la copie) Exercice III : Effet Doppler et astrophysique Question 2.2 Pour chaque proposition, indiquer la (les) configurations correcte(s). Relation entre λ A et λ B λ A = λ B λ A > λ B λ A < λ B Configuration(s) Sur ces schémas, l'observateur n'est pas représenté car il est à une très grande distance. 13/13