Nom : Prénom : Classe : Cet énoncé complet est à rendre avec la copie Devoir commun de seconde Physique-chimie vendredi 2 mai 2003 durée : 2h00 Ce sujet comporte 6 exercices de physique et 6 exercices de chimie. Il faut obligatoirement en traiter 4 de physique et 4 de chimie (pas un de plus). Chaque exercice étant sur 5 points, vous aurez donc une note de physique sur 20 et une note de chimie sur 20. Physique 1 ère partie de physique : Exploration de l espace Exercice n 1 : Echelle des longueurs. Année lumière. 1) Dimensions. Placer correctement sur l axe des puissances de dix (à compléter sur l énoncé) les grandeurs suivantes : (1,5 pts) rayon terrestre noyau atomique Taille de notre galaxie être humain cellule distance Terre-Soleil. 10-15 10-10 -9 10-6 10-3 10 0 10 3 10 6 10 9 10 10 15 10 18 10 21 10 24 10 27 longueur en mètres 2) Notation scientifique. Exprimer les grandeurs suivantes en mètre en utilisant la notation scientifique (puissance de dix), répondre ci-dessous : (2 pts) Diamètre d un cheveu : 40 µm = Diamètre d un atome: 0,1 nm = Hauteur de la tour Effel : 380 m = Distance Terre-Lune : 380 000 km = 3) L année lumière est la distance parcourue par la lumière pendant 1 an à la vitesse 8 1 c = 3 10 m s. Calculer cette distance en mètre, en respectant le nombre de chiffres significatifs, sachant qu une année contient 365,25 jours. (1,5 pts) 1
Exercice n 2 : Mesure de distances 1) Hauteur d un immeuble. Un observateur, situé à la distance D=60,0 m d un immeuble, désire mesurer sa hauteur H. Pour calculer H, l observateur tient à bout de bras une règle graduée verticale. La distance entre son œil et la règle est égale à d = 53,0 cm. Il constate que le bas et le haut du bâtiment coïncident avec deux points de la règle distants de h = 19,5 cm. a) Donner la relation reliant D, d, H et h. (1 point) b) En déduire la hauteur H de l immeuble. (1,5 pts) 2) Mesure de la distance Terre-Soleil. Aristarque de Samos détermina la distance Terre-Soleil, connaissant la distance Terre-Lune, en mesurant l angle θ = 87 au premier quartier de Lune. Avec les instruments de son époque, il a trouvé une distance Terre-Soleil égale à 18 ou 20 fois la distance Terre-Lune, au lieu de 400 fois. a) Donner la relation reliant la distance Terre-Soleil (AB), la distance Terre-Lune (AC) et l angle θ. (1 pt) b) 5 Calculer la distance Terre-Soleil sachant que la distance Terre-Lune vaut 3,84 10 km. (1 pt) c) Calculer combien de fois cette distance représente la distance Terre-Lune. (0,5 pt) Exercice n 3 : Absorption et Emission Violet Rouge 1) Donner la nature des spectres donnés cicontre : (émission ou absorption). (1 pt) 2) Quel instrument faut il utiliser pour réaliser ces spectres? (0,5 pt) 3) L objet de cette question est de déterminer la source de la lumière avant qu elle ait été dispersée à l aide d un des instruments trouvé en 2). Le tableau ci-dessous propose 4 sources possibles : cocher les cases qui conviennent. (1 pt) Source possible Lampe à incandescence Lumière blanche à travers un filtre coloré 2 Gaz sous faible pression chauffé Spectre a) Spectre b) Spectre c) Spectre d) 4) Les deux spectres c et d sont-ils caractéristiques d un même élément? Expliquer. (1 pt) Lumière provenant d une étoile Etoile entourée d une couche de gaz
5) Comment l étude du spectre d une étoile nous permet-il de connaître sa composition? (1 pt) 6) Le scientifique fait une étude plus poussée du spectre de l étoile. Il trouve plusieurs radiations de longueur d onde inférieure à 400nm. On ne peut pas voir ces radiations à l œil nu. Dire si ces radiations font partie du domaine infrarouge (IR), visible ou ultraviolet (UV). (0,5 pt) Exercice n 4 : optique QCM : questions à choix multiples. Entourer la réponse choisie NOTATION : 1 point par réponse exacte; 0 point par absence de réponse; 0,5 point retiré par réponse fausse. 1) Un rayon incident arrive sur une surface de séparation plane. L'indice de réfraction du premier milieu est n 1 = 1,33 et celui du second n 2 = 1,50. L'angle incident est î 1 = 32, que vaut l'angle réfracté? A/ 28 B/ 41,2 C/ 36,7 D/ 32 2) Soit le dispositif suivant : On observe la partie centrale de la figure sur l'écran, soit : Laser fente Est-ce une figure : écran A/ De dispersion de la lumière B/ De réfraction C/ De diffraction E/ De décomposition? 3) Un rayon de lumière circule dans un verre d'indice de réfraction n = 1,6. La célérité de la lumière dans le vide est c = 300 000km.s -1. Quelle est sa célérité dans ce verre? A/ 3. 10 8 m.s -1 B/ 187 500 km.s -1 C/ 480 000 km.s -1 E/ 150 000 km.s -1 4) Un observateur durant un orage perçoit le bruit du tonnerre 5s après l'éclair. La célérité du son dans l'air est 340m.s -1. A quelle distance le coup de tonnerre s'est-il produit : A/ Le problème est infaisable B/ 1700m C/ 6000m E/ 68m? 5) Les ondes radios ont la même célérité que la lumière. Combien de temps devra attendre, au minimum, une personne située sur Terre pour obtenir une réponse d'un interlocuteur sur Mars? On suppose que la distance entre les deux planètes est alors de 200 millions de kilomètres. A/ Un peu plus de 11 minutes B/ Un peu plus de 1333 heures C/ Environ 22 minutes D/ Une fraction de seconde. 3
2 ème partie de physique : L univers en mouvement et le temps Exercice n 5 : mouvements et principe d attraction universelle QCM : questions à choix multiples. Entourer la réponse choisie Même notation que l exercice n 4 1) L Europe est en train d installer un nouveaux type de télescopes, pouvant fonctionner de façon couplées, au Chili. On espère ainsi pouvoir repérer des planètes de type terrestre tournant autour d autres étoiles de notre galaxie. Supposons que l on découvre une planète de même masse que la nôtre, mais dont le rayon serait le double. Quelle serait l intensité de son attraction, à sa surface, par rapport au cas terrestre? A/ Le double B/ La moitié C/ Quatre fois plus faible D/ Quatre fois plus forte E/ Identique 2) La masse de la Lune est environ 81 fois plus faible que celle de la Terre. Le rayon lunaire est environ 3,7 fois plus faible. On néglige les effets de la rotation de ces astres sur eux-mêmes. L intensité de la pesanteur terrestre, au niveau du sol, est d environ g = 9,81N.kg -1. Que vaut l intensité de la pesanteur lunaire au niveau de son sol (en N.kg -1 )? A/ 9,80/81 B/ 9,80/3,7 C/1,6 D/ 9,81/3.7² E/ 36,26 3) En dynamique, il est indispensable de préciser quel est le système choisi comme référence de l immobilité. Comment appelle-on cette référence? A/ L immobilisme absolu B/ Le référentiel C/ Le repère temporel E/ Le système d axes 4) Soient deux balles représentées ci-dessous. La masse de la plus grosse est le double de celle de la plus petite. Les balles s attirent. Donc chaque balle subit une force de la part de l autre. Que peut-on dire de ces deux forces? A/ Elles ont même intensité, mais des droites d action différentes. B/ Elles sont vectoriellement opposées et elles ont même droite d action. C/ La force exercée par la grosse balle sur l autre est plus intense que l autre force. E/ Elles sont vectoriellement identiques. 5) La masse de Mars est de 6,42. 10 23 kg, son rayon est de 3390 km. On donne G = constante de gravitation universelle = 6,67. 10-11 SI (unités internationales donc compatibles avec le m, le kg et le N) On néglige les effets de la rotation de Mars sur elle-même ; Quel serait le poids d un objet de 2 kg posé sur la surface de cette planète? A/ 7,45 N B/74,45 N C/ 6,25 N D/2,52.10 13 N E/ 3,72 N 4
Exercice n 6 : Le temps Devoir commun de seconde Lycée Blaise Pascal Physique-chimie mai 2003 On sait qu un pendule oscille avec une période T(s) qui vaut : L T = 2π avec L : longueur du pendule (m) g et g = 9,81N.kg -1. On réalise une mesure de la période pour différentes longueurs : Longueur L (m) 0,04 0,16 0,36 0,49 0,64 Période T(s) 0,4 0,8 1,2 1,4 1,6 1) Montrer que la formule de la période peut se simplifier sous la forme : T=2 L. (1 pt) 2) Que peut-on dire des grandeurs T et L? Que voit-on si on trace le graphique de T en fonction de L? (2 pts) 3) Déterminer la longueur L du pendule pour laquelle on observerait une période de 1s. (1 pt) 4) Calculer la période d un pendule de longueur cm. (1 pt) CHIMIE Classification périodique des éléments (extrait) : 1 H 1 Hydrogène 7 3 Li lithium 23 Na 11 sodium 9 Be 4 béryllium 24 Mg magnésium 11 5 B bore 27 Al 13 aluminium 6 C carbone 28 Si 14 silicium 14 7 N azote 31 P 15 phosphore O 16 8 oxygène 32 S 16 soufre F 19 9 fluor 35 Cl 17 chlore 4 He 2 hélium 20 10 Ne néon 40 Ar 18 argon 1 ère partie de chimie : Chimique ou naturel? Exercice n 1 : Analyse chimique Espèces chimiques contenues dans une pomme. Une pomme est soumise aux tests chimiques suivants : -Test n 1 : du papier ph est déposé sur un morceau de pomme ; le papier ne change pas d aspect. -Test n 2 : un morceau de pomme est broyé et placé dans un tube à essais avec un peu d eau. Après agitation du tube, une goutte de jus est déposée sur du papier ph ; le papier ph vire au rouge. -Test n 3 : un morceau de pomme est placé dans un tube à essais. On ajoute un peu de liqueur de Fehling ; après chauffage, on observe la formation d un précipité rouge brique. 1) Entre les tests 1 et 2, lequel correspond à une bonne utilisation du papier ph? Que peut-on déduire de ce test? (1 pt) 2) Quelle est la couleur de la liqueur de Fehling avant réaction? Le test n 3 est-il positif? Quelle espèce chimique peut être mise en évidence par ce test? (1 pt) 3) Le sulfate de cuivre anhydre est un réactif qui peut être utilisé pour un autre test. a) Quel est l espèce chimique mise en évidence par un test avec ce réactif? Expliquer comment on peut réaliser ce test au sulfate de cuivre anhydre et décrire ce qu on observe. (2 pts) b) Sur un flacon de sulfate de cuivre anhydre on trouve un pictogramme représentant une croix sur fond orange. Que signifie ce pictogramme? (0,5 pt) c) Représenter ou décrire un pictogramme indiquant q une substance est corrosive. (0,5 pt) 5
Exercice n 2 : Techniques d extraction La menthone et le menthol sont deux espèces chimiques à odeur de menthe. 1) La menthone peut être synthétisée en milieu aqueux ; après la réaction, on réalise une extraction par le cyclohexane dans une ampoule à décanter. Décrire cette extraction. (2 pts) 2) Pour connaître la composition de la phase organique, on utilise un solvant et une technique dont le résultat est visible ci-contre. Comment s appelle cette technique? En quoi consiste t elle? (2 pts) 3) On a déposé à gauche du menthol, à droite de la menthone et au centre un peu de la phase organique. Que peut-on conclure? (1 pt) 2 ème partie de chimie : Constitution de la matière Exercice n 3 : Modèle de l atome Devinette Je suis un atome avec pour caractéristique Z =, A = 24 1) Quel est mon nom? (0,25 pt) mon symbole? (0,25 pt) Quelle est ma composition (nombre de proton, de neutron et d électron) (0.25 x 3 = 0.75 pt) 2) Quelle est ma masse approchée? (0.5 pt) Données : m p 27 27 = 1,673x10 kg, m = 1,675x10 kg n 3) Quelle est ma structure électronique? (0.5 pt) combien ai-je d électrons sur mes couches internes? (0.25 pt) sur ma couche externe? (0.25 pt) 4) Dans l eau, je forme facilement un ion. Quelle est la formule de cet ion? (0.5pt) Justifier celle-ci. (0.5pt) 5) parmi les atomes suivants lequel est isotope avec moi? (0.25 pt) 23 Mg 13 24 Cr 24 13 Mg 6) l atome de Césium (Cs) est placé sur la 6 ème ligne et la 1 ère colonne de la classification périodique. Quel est le nom de la famille à laquelle il appartient (0.25 pt) 7) Au vue de sa place dans la classification, peut-on prévoir quel type d ion il va former en solution, justifier (0.5 pt)? Si oui, donner sa formule (0.25 pt) 25 Cr Exercice n 4 : Edifices chimiques On souhaite déterminer la représentation de Lewis de la molécule CH 3 Cl 1) Quelle est la composition chimique de cette molécule (nom et nombre des atomes présents)? (0.25 pt) 2) Donner les structures électroniques de ces atomes. (0.75 pt) 3) Quel est le nombre d électrons sur la couche externe de chacun de ces éléments? (0.75 pt) 4) Combien d électrons manque-t-il à chacun d eux pour que leur couche externe soit saturée? (0.75 pt) 5) Combien de liaisons peut former chacun de ces éléments? (0.75 pt) 6) Combien de doublet(s) non liant(s) va former l atome de chlore? (0.25 pt) 7) Etablir la représentation de Lewis de la molécule CH 3 Cl (1 pt) 8) Donner la formule développée de la molécule CH 3 Cl (0.5 pt) 6
3 ème partie de chimie : Transformation de la matière Exercice n 5 : Concentration molaire Concentration d une solution ionique, le sérum physiologique. Le sérum physiologique est une solution de chlorure de sodium utilisée pour nettoyer certaines muqueuses de l organisme humain (œil, fosses nasales ). Les quatre questions suivantes sont indépendantes. 1) (1,25 pt). Données : M Na = 23,0g.mol -1 ; M Cl = 35,5g.mol -1. a) Calculer la masse molaire du cristal de chlorure de sodium NaCl. b) Calculer le nombre de mole n de ce cristal contenu dans 9 g de NaCl solide. c) Calculer la concentration molaire C n d une solution réalisée en faisant dissoudre 9 g de ce sel dans un litre d eau distillée. En déduire la concentration massique C m de cette solution. 2) (1,5 pt) a) Quelle quantité de matière n de chlorure de sodium renferme 250 ml d une solution de sérum physiologique de concentration C o = 0,154 mol. L -1? b) Quelle masse m de ce sel renferme 500 ml de sérum de concentration C o? c) Quelle masse m de ce sel doit on dissoudre pour obtenir 10 L de ce sérum de concentration C o? 3) On prélève avec une pipette jaugée, 10 ml de ce sérum de concentration C o = 0,154 mol. L -1 que l on verse dans une fiole jaugée de 250 ml. Puis on ajoute de l eau distillée, pour remplir jusqu au trait de jauge, cette fiole. (1,25 pt) a) En quoi consiste cette opération? (Donner une réponse numérique). b) Quelle quantité de matière n 1 de chlorure de sodium contient cette fiole jaugée? c) Calculer la concentration molaire C 1 de la solution ainsi réalisée. 4) Quel volume V 0 de solution initiale de concentration C o = 0,154 mol. L -1 doit on prélever pour obtenir 500mL de solution de concentration molaire C 2 = 7,7. 10-2 mol. L -1? (1 pt) Exercice n 6 : Réaction chimique Synthèse de l ammoniac NH 3. L ammoniac gazeux NH 3 peut être synthétisé industriellement à partir de diazote N 2 et de dihydrogène H 2. Données : M H = 1,0g.mol -1 ; M N = 14,0g.mol -1. Dans cet exercice, les conditions de température et de pression atmosphérique sont telles que le volume molaire V M est de 25 L.mol -1. 1) Recopier et équilibrer l équation bilan de la réaction de cette synthèse : (0,5 pt) N 2 + H 2 -----> NH 3 2) (1 pt) a) Quelle quantité de matière n (mole) renferme 1000 kg de gaz H 2? b) Quel le quantité de matière n (mole) renferme 1000 L de gaz N 2? 3) On fait réagir 75 L de gaz N 2 avec 225 L de gaz H 2. Ce mélange de réactifs gazeux est-il stœchiométrique? Sinon préciser quel réactif est en excès? (justifier votre réponse). (0,5 pt) 4) On fait réagir 1 m 3 de gaz N 2 avec un large excès de H 2. (2 pts) a) Quel volume V de gaz ammoniac NH 3 obtient-on, après retour dans les conditions de température et de pression citées ci-dessus, si tout le diazote N 2 est consommé? b) A quelle masse M d ammoniac gazeux, ce volume V correspond il? 5) Quel volume d ammoniac gazeux (mesuré à 20 C et pression atmosphérique normale) peut on produire à partir d une tonne de dihydrogène? (1 pt) 7