2014-2015 Bac Blanc Géné 19 févr. 15 p. 1 Lycée Galilée Sces physiques BAC BLANC 2014-2015 Sujet général
2014-2015 Bac Blanc Géné 19 févr. 15 p. 2 Bac Blanc 2014-2015 Sces physiques Non spécialistes de physique-chimie I. Exercice n 1 : L ibuprofène L ibuprofène est une espèce chimique utilisée pour ses propriétés anti-inflammatoire, antalgique et antipyrétique. Elle constitue le principe actif de divers médicaments (voir doc.1). Sa synthèse a fait l objet de nombreux procédés, dont nous allons étudier deux d entre eux. Doc.1 : Etiquette d un médicament à base d ibuprofène Doc.2 : formule semi-développée de la molécule Données : M (C )=12,0 g.mol 1 ; M ( H )=1,00 g. mol 1 ; M (O)=16,0 g. mol 1 ; 1. La molécule d ibuprofène : I.1.1. Sur la formule semi-développée de l ibuprofène donnée en annexe p 8, entourer le groupe caractéristique de la molécule. A quelle famille de molécules organiques appartient-elle? I.1.2. Donner la formule brute de l ibuprofène. I.1.3. Calculer la masse molaire moléculaire M de l ibuprofène. I.1.4. Quelle quantité de matière en ibuprofène contient une capsule du médicament du doc.1 ci-dessus? Synthèse de l ibuprofène par le procédé BOOTS : Le procédé BOOTS met en jeu six étapes successives, dont la première a pour équation bilan : I.1.5. À partir de cette équation, trouver la formule brute de la molécule A. I.1.6. Montrer que A peut correspondre à de l'acide éthanoïque. I.1.7. Un autre produit possible B serait le méthanoate de méthyle. Comment qualifie-t-on ces deux molécules A et B?
2014-2015 Bac Blanc Géné 19 févr. 15 p. 3 I.1.8. Les deux spectres infrarouges ci-dessous sont ceux de ces deux molécules. Identifier celui de l acide éthanoïque en expliquant le choix. (Voir aussi le Doc. 3) Doc. 3 : Bandes d absorption IR de quelques liaisons chimiques Type de liaison Nombre d onde σ (en cm -1 ) Intensité alcène aldéhyde 3 200-3 650 Forte 3 000-3 100 Moyenne 2 700-2 900 Moyenne 2 800-3 000 Forte 1 650-1 750 Forte 1 625-1 685 Moyenne 1 415-1 470 Forte 1 050-1 450 fine 1 000-1 250 Forte Etude du produit de synthèse par le procédé BOOTS Le produit de synthèse est obtenu après 5 autres étapes. Afin de vérifier la nature du produit synthétisé, on réalise son spectre IR (infrarouge), puis son spectre RMN (résonance magnétique nucléaire) du proton. I.1.9. Sur la formule semi-développée de l ibuprofène donnée en annexe page 8, flécher le (ou les) atome(s) d hydrogène associé(s) au signal (g) du spectre RMN. Justifier la réponse à l aide du Doc. 5 page 4. Doc. 4 : Spectre RMN de l ibuprofène La courbe d intégration du signal (a) est six fois plus grande que celle du signal (g).
2014-2015 Bac Blanc Géné 19 févr. 15 p. 4 Doc. 5 : Déplacements chimiques δ en ppm (partie par million) I.1.10. Expliquer pourquoi le signal (g) est un singulet. I.1.11. Sur la formule semi-développée de l ibuprofène donnée en annexe page 8, flécher le(ou les) atome(s) d hydrogène associé(s) au signal (a) du spectre RMN. Justifier la réponse à l aide de la courbe d intégration. I.1.12. Expliquer la multiplicité du signal (a). 2. Synthèse de l ibuprofène par le procédé BHC : Un deuxième procédé (noté BHC) ne met en jeu que 3 étapes, grâce à l utilisation de catalyseurs. La première étape reste identique à celle décrite dans le procédé BOOTS. Les deux suivantes sont : Etape (2) : C 12 H 16 O (l ) +H 2 (g) C 12 H 18 O (l). La réaction est catalysée par du nickel en poudre Etape (3) : C 12 H 18 O (l ) +CO (g ) ibuprofène (l). La réaction est catalysée par du palladium en poudre I.2.1. Donner un intérêt à l utilisation de catalyseurs. I.2.2. De quel type de catalyse s agit-il? I.2.3. Citer deux autres types de catalyse.
2014-2015 Bac Blanc Géné 19 févr. 15 p. 5 II. Exercice n 2 : Echolocalisation des chauves-souris : Doc. 6: L écholocalisation des chauves-souris Les cris - On classe les cris ultrasonores des chauves-souris en trois groupes : les émissions de fréquence constante (FC), les émissions de fréquence modulée décroissante (FM) et les émissions mixtes (FC-FM). En général, ces ultrasons ne sont pas purs mais composés d une fréquence fondamentale et de plusieurs harmoniques Pour qu une proie soit détectable, elle doit avoir une dimension supérieure à la longueur d onde du signal ultrasonore. Détection des distances - Pour estimer la distance à un objet (obstacle fixe, proie ), les organes sensoriels de la chauve-souris enregistrent le retard de l écho par rapport à l émission du signal. Détection de la vitesse La chauve-souris perçoit sa vitesse relative par rapport à un objet grâce au décalage de fréquence du signal réfléchi dû à l effet Doppler. Les battements d aile d une proie produisent un décalage des fréquences par effet Doppler oscillant qui se superposent au décalage général engendré par les obstacles fixes environnants. Chez certaines espèces, pour faciliter la détection de ces oscillations, il existe un système de compensation : ces espèces modifient la fréquence d émission pour que la fréquence du signal réfléchi par les obstacles fixes soit ramenée à une fréquence de référence, celle qui est émise lorsque la chauve-souris est immobile, et pour laquelle la sensibilité est maximale. Donnée : Vitesse du son (ou des ultrasons) dans l air : v son =340 m. s 1 II.1.1. Qu appelle-t-on "cris ultrasonores"? II.1.2. Est-ce une onde longitudinale ou transversale? Justifier. II.1.3. À partir du Doc. 7 annexe page 8, déterminer la période T des signaux émis par les chauves-souris. Faire apparaître sur le document votre mesure pour déterminer T. II.1.4. En déduire la fréquence fondamentale f des signaux émis par les chauves-souris. Conclure. II.1.5. Quelle est la fréquence de ses deux harmoniques les plus proches? II.1.6. Nommer le phénomène qui perturbe la détection d un écho pour que la proie soit détectable ( Doc. 6 cidessus). II.1.7. Calculer la dimension minimale d une proie pour qu elle soit détectable. II.1.8. Réaliser un schéma qui modélise la détection des distances d une chauve-souris qui se rapproche d un obstacle fixe. Y faire apparaître le parcours du signal émis se rapprochant de l obstacle, puis expliquer comment la chauve-souris peut ainsi estimer les distances. II.1.9. En utilisant le Doc. 8 en annexe page 8, calculer la distance séparant la chauve-souris du mur. II.1.10. Donner un exemple d utilisation de l effet Doppler dans le domaine des ondes électromagnétiques. II.1.11. Lorsque la chauve-souris se rapproche d un mur, l écho perçu a-t-il une fréquence plus grande, identique ou plus faible que celle du signal émis? Justifier simplement. On propose deux relations (1) ou (2) pour l expression de la fréquence perçue f R par une chauve-souris se dirigeant vers un mur à la vitesse de v=20 km. h 1. On note f 0 la fréquence du signal émis. (1) f R = (v son v) (v son +v) f 0 (2) f R = (v son +v) (v son v) f 0 (3) v=v son Δ f 2 f 0 II.1.12. Laquelle des relations (1) ou (2) est utilisable dans le cas décrit? Justifier. II.1.13. Calculer la fréquence f R de l écho reçu lorsque le signal émis a pour fréquence 62 khz. II.1.14. En utilisant l'expression (3), calculer la vitesse v d une proie par rapport à la chauve-souris, lorsque celleci perçoit un décalage de fréquence Δf =880 Hz pour un ultrason émis à la fréquence f 0 =93kHz.
2014-2015 Bac Blanc Géné 19 févr. 15 p. 6 III. Exercice n 3 : Deux visions du système solaire L objectif de cet exercice est d étudier les planètes du système solaire à travers les points de vue de deux astronomes : Johann Bode (1747-1826) et Johannes Kepler (1571-1630) Le système solaire est constitué de huit planètes (Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune), d une ceinture d astéroïdes située à 2,77 UA du Soleil (située entre Mars et Jupiter) et de plusieurs astres mal définis (comme Pluton, Sedna ). Tous ces corps sont en mouvement autour d une étoile, le Soleil. Données : Masse du Soleil : M S =2,00.10 30 kg Masse de la Terre : M T =5,98.10 24 kg Distance moyenne Terre - Soleil : R=150.10 9 m=150 Gm Constante de gravitation universelle : G=6,67.10 11 unité SI 1UA = distance moyenne entre le Soleil et la Terre. La valeur de la force d interaction gravitationnelle F entre deux corps A et B ponctuels de masses respectives m A et m B, distants de d = AB a pour expression : F =G m A. m B d 2 Périmètre d un cercle (ou d un disque) P=2 π. R Distance réelle au soleil (en Gm) Mercure Vénus Terre Mars Jupiter Saturne 57,9 108,2 150 227,9 778,3 1427 Type de planète Tellurique Tellurique Tellurique Tellurique Gazeuse Gazeuse 2. Questions préliminaires : III.2.1. Quel est le référentiel adapté pour l étude du mouvement de ces planètes? III.2.2. Énoncer les première et deuxième lois de Kepler. 3. La vision de Bode : Au 18 ème siècle, de nombreux astronomes ont cherché à mettre en équation la mécanique céleste. Parmi eux on trouve un allemand, Johann Daniel Titius (1729-1796) qui pensait que les planètes du système solaire étaient placées à des distances du soleil qui suivent une suite arithmético-géométrique (de la forme r=a+b 2 n avec n entier naturel). Comme Mercure lui pose un problème, il commence son étude à partir de Vénus, planète à laquelle il attribue n=1. Il indique que a=59,8 Gm et b=22,4 Gm. Mais cette loi est surtout connue grâce à Johann Bode qui l utilisa et permis la découverte de certains astres du système solaire. III.3.1. D'après l'introduction, à quelle distance du soleil (en Gm) se situe la ceinture d astéroïdes? III.3.2. Calculer la valeur attendue de la distance prévue par la méthode de Titius-Bode pour Vénus, Terre et Mars (de rang n respectif 1, 2 et 3). III.3.3. Comparer ces résultats avec les valeurs du tableau de l énoncé (un calcul d'écart relatif est demandé). Cette loi peut-elle être validée? III.3.4. En utilisant le graphe ci-dessous représentant la distance r des astres au Soleil en fonction de leur rang, déterminer les rangs des planètes gazeuses du système solaire.quelle incohérence peut-on relever à partir des deux questions précédentes?
2014-2015 Bac Blanc Géné 19 févr. 15 p. 7 r (en Gm) suite Titius- Bode 1500 1000 500 0 0 1 2 3 4 5 6 n III.3.5. A quelle distance devait se situer l astre manquant? Comparez cette distance avec la distance au Soleil de la ceinture d astéroïdes. Que peut-on en conclure? 4. La vision de Kepler : Bien avant Titius et Bode, un savant allemand avait exprimé le mouvement des planètes du système solaire. Il s agit de Johannes Kepler dont les lois empiriques ont permis à Newton d élaborer sa théorie de la gravitation universelle. III.4.1. Préciser les quatre caractéristiques de la force de gravitationnelle F S/T exercée par le Soleil sur la Terre. L accélération du centre de gravité G de la planète s exprime sous la forme a= dv dt. u t+ v2 r u n où u t et u n sont les vecteurs unitaires de la base de Frenet. III.4.2. Pour un mouvement circulaire uniforme de la planète, montrer que l accélération n a qu une seule composante. III.4.3. A partir de la deuxième loi de Newton, montrer que pour un mouvement circulaire uniforme de la planète, l accélération peut se mettre sous la forme suivante : a G = GM S R 2 u n. III.4.4. En déduire que la vitesse de déplacement de la planète se met sous la forme : v= G. M S R. III.4.5. Rappeler la définition de la période de révolution T. En déduire l expression de T en fonction de v et de R. III.4.6. Montrer que la relation précédente permet de vérifier la troisième loi de Kepler qui s écrit T 2 III.4.7. Vérifier que la période de révolution de la Terre est bien de 365 jours environ. R 3=constante
ANNEXE A RENDRE AVEC LA COPIE Nom : Prénom : Division : Exercice I : Formule semi-développée de l ibuprofène. 2014-2015 Bac Blanc Géné 19 févr. 15 p. 8 Exercice II : Doc. 7: Représentation graphique des cris émis par les chauves-souris. Doc. 8: Représentation graphique des signaux émis et reçu par la chauve-souris après réflexion sur un obstacle fixe.