BACCALAUREAT BLANC NOVEMBRE 2017 PHYSIQUE CHIMIE SERIE S Durée de l épreuve 3 heures L usage de la calculatrice N EST PAS autorisé Ce sujet ne nécessite pas de feuille de papier millimétré Le sujet comporte trois exercices présentés sur 8 pages numérotés de 1/8 à 8/8, y compris celle-ci. Documents à rendre avec la copie Annexe I..page 7/8 Annexe II..page 8/8 Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont indépendants les uns des autres. DS02 COMMUN MONTAIGNE MULHOUSE - 2017/2018 Page 1
Exercice 1 LES ONDES EN 12 QUESTIONS (10 points) Cet exercice comporte 12 AFFIRMATIONS, toutes indépendantes, concernant les ondes étudiées en physique. A chaque affirmation, répondre par VRAI ou FAUX. Toute réponse doit être justifiée à l aide de définitions, de calculs ou de schémas. Partie 1 : Les ondes sonores et ultrasonores. Donnée : La célérité des ultrasons dans l air est v = 340 m/s. Beaucoup d animaux utilisent les ondes sonores ou ultrasonores pour communiquer entre eux, chasser leur proie ou se localiser. Pour illustrer quelques propriétés de telles ondes, on utilise des émetteurs et récepteurs ultrasonores. Un émetteur et un récepteur d ultrasons sont placés côte à côte face à une paroi réfléchissante. L émetteur émet des salves d ultrasons. Les tensions de sortie de l émetteur et du récepteur sont observées sur l écran d un oscilloscope et sont données sur la figure ci-dessous. On a réglé horizontalement le balayage sur 1 ms/div 1. AFFIRMATION 1. Les ondes ultrasonores sont des ondes mécaniques. 2. AFFIRMATION 2. Le retard t entre l émission et la réception est de 2,0 ms. 3. AFFIRMATION 3. L émetteur et le récepteur sont alors placés à 68 cm de la paroi réfléchissante. On enlève maintenant la paroi réfléchissante, on place l émetteur en mode continu. On place le récepteur face à l émetteur de façon à obtenir deux signaux en phase. On observe les signaux de sortie de l émetteur et du récepteur sur la figure ci-dessous. DS02 COMMUN MONTAIGNE MULHOUSE - 2017/2018 Page 2
On a réglé horizontalement le balayage sur 5 s/div 4. AFFIRMATION 4. La fréquence des signaux est de 40 khz. 5. AFFIRMATION 5. Il faut éloigner le récepteur de 6,8 cm de l émetteur pour que les signaux se retrouvent en phase pour la première fois. Partie 2 : Les ondes à la surface de l eau. Un vibreur muni d une pointe S crée une onde à la surface de l eau d une cuve à ondes. On obtient les relevés suivants à l échelle ½. 6. AFFIRMATION 6. L onde formée est une onde périodique. 7. AFFIRMATION 7. Cette onde est longitudinale. 8. AFFIRMATION 8. La longueur d onde vaut 2,5 cm (soyez indulgent, pensez aux précisions de vos mesures DS02 COMMUN MONTAIGNE MULHOUSE - 2017/2018 Page 3
Partie 3 : Les ondes lumineuses. On utilise un faisceau laser de longueur d onde 525 nm et de diamètre 1 mm. 9. AFFIRMATION 9. La lumière est une onde mécanique. 10. AFFIRMATION 10. Le laser est polychromatique. 11. AFFIRMATION 11. Ce faisceau laser subit une diffraction quand il passe au centre d une fente de largeur 3 mm. Le faisceau laser est intercepté par un fil vertical de diamètre a placé à la distance D = 2,0 m d un écran. Le schéma ci-dessous fait apparaître : La largeur L de la tâche centrale lumineuse observée sur l écran ; La distance D entre le fil et l écran ; L écart angulaire. On considère que tan = On a mesuré L = 1,5 cm. 12. AFFIRMATION 12. Le diamètre du fil vaut 70 m. DS02 COMMUN MONTAIGNE MULHOUSE - 2017/2018 Page 4
Exercice 2 UN PEU D ISOMERIE (6 points) Les deux parties sont indépendantes et peuvent être traitées séparément. Partie 1 : Deux molécules. Soient deux molécules notées A et B dont leurs formules topologiques sont données ci-dessous : A OH OH B (d) 1. Quel groupe caractéristique d une famille est commun à ces deux molécules? On demande le nom de ce groupe et la famille qu il caractérise. 2. Etablir les formules brutes de ces deux molécules A & B. Que peut-on en conclure sur la relation qui lie ces deux molécules. Soyez le plus précis dans votre réponse. Justifier. 3. Nommer les molécules A et B. 4. Donner la définition d un carbone asymétrique. 5. Donner la définition de la chiralité. 6. Recopier sur votre copie la formule semi-développée de la molécule A. Indiquer sur cette formule semi-développée par un astérisque (*), le ou les carbone(s) asymétrique(s). 7. La molécule B est-elle chirale? Justifier votre réponse. 8. Donner une représentation de Cram possible autour du carbone noté (d) de la molécule A. 9. La molécule A a-t-elle un énantiomère? Si oui, donner sa représentation de Cram. 10. Dans certaines conditions expérimentales, la molécule A élimine une molécule d eau pour former une molécule A de formule topologique ci-contre. Nommer cette molécule A A' Quel type de stéréo-isomérie présente cette molécule A? Etablir la formule topologique de son isomère. Partie 2 : Quelques molécules organiques Dans le tableau DONNE EN ANNEXE I ET A RENDRE AVEC LA COPIE Surligner ou entourer, les groupes caractéristiques des molécules sauf les deux premières lignes. Compléter le tableau en indiquant le nom, la formule semi-développée, la formule topologique, le nom du groupe caractéristique et la famille de la molécule organique dans les cases vides non grisées ou barrées. DS02 COMMUN MONTAIGNE MULHOUSE - 2017/2018 Page 5
Exercice 3 LE SEL DANS LES LARMES ARTIFICIELLES (4 points) Les larmes artificielles vendues dans le commerce peuvent être fabriquées à partir d une solution aqueuse de chlorure de sodium. Elles sont fréquemment utilisées en ophtalmologie pour rincer les yeux puisque leur teneur en sel (ou chlorure de sodium NaCl) est équivalente à celle trouvée dans les larmes naturelles. On les trouve sous forme de doses stériles de 5,0 ml à usage unique. L objectif de cet exercice est de vérifier la composition indiquée par le fabricant sur les doses de larmes artificielles. Données : L équation de la réaction chimique de dissolution du chlorure de sodium dans l eau s écrit : NaCl(s) = Na + (aq) + Cl (aq) à la température ambiante, la dissolution est totale aux concentrations utilisées ; Pour simplifier les calculs (pas de calculatrice ) on pendra pour masse molaire M(NaCl) = 60 g.mol 1 Dans le cas des solutions diluées, la conductivité des solutions s exprime selon la relation X, ou [X i ] représente la concentration de l espèce ionique Xi en solution et i la i i. i conductivité molaire ionique de cette espèce. Composition d une dose Chlorure de sodium 0,045 g Eau purifiée 5,0 ml Solution de chlorure de sodium : à 0,9 % en masse Extrait de l étiquette d un fabricant de larmes artificielles On dispose de dix solutions aqueuses de chlorure de sodium de différentes concentrations molaires C pour lesquelles on a mesuré leur conductivité. Les résultats, regroupés dans le tableau ci-dessous, ont permis de tracer le graphe = f ( C ) qui représente l évolution de la conductivité des solutions aqueuses de chlorure de sodium en fonction de leur concentration (VOIR EN ANNEXE ET A RENDRE AVEC LA COPIE). N de la solution 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Concentration molaire C (mmoi.l 1 ) Conductivité de la solution σ (ms.cm 1 ) 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 0,125 0,255 0,360 0,447 0,576 0,702 0,816 0,919 1,03 1,10 On dilue par un facteur 20 la solution des larmes artificielles. La valeur mesurée de la conductivité de la solution S ainsi obtenue est de 0,90 ms.cm 1. 1. Décrire le protocole détaillé permettant de préparer 50 ml de solution N 1 à partir de la solution N 5 supposée en quantité suffisante. 2. Que peut-on dire de la courbe obtenue? 3. Dans le cas des solutions diluées, exprimer la conductivité d une solution aqueuse de chlorure de sodium en fonction des concentrations et des conductivités molaires ioniques de chaque espèce chimique présente en solution. 4. Sachant que la dissolution du chlorure de sodium dans l eau est totale, montrer que l expression précédente est en accord avec l écriture = a x C. Ce résultat est-il confirmé par la courbe tracée? 5. Déterminer la concentration molaire C en chlorure de sodium dans la solution diluée S. Faire apparaître la méthode. Pour simplifier les calculs, on prendra pour valeur de concentration C, la valeur entière la plus proche. 6. Calculer la masse m(nacl) de chlorure de sodium dissous dans une dose de larmes artificielles et la comparer à celle indiquée sur l étiquette par le fabricant. 7. Pourquoi a-t-on mesuré la conductivité d une solution de larmes diluée par un facteur 20 et non par un facteur 10? DS02 COMMUN MONTAIGNE MULHOUSE - 2017/2018 Page 6
NOM. PRENOM CLASSE ANNEXE I EXERCICE 2 TABLEAU A COMPLETER Nom de la molécule formule semi-développée formule topologique Nom du groupe Famille Butane H CH 3 C C H 3 C H O C H 3 O CH 2 CH C OH CH 3 H CH 2 C H 3 C CH 2 O x NH 2 DS02 COMMUN MONTAIGNE MULHOUSE - 2017/2018 Page 7
NOM. PRENOM CLASSE ANNEXE II EXERCICE 3 EVOLUTION CONDUCTIVITE DS02 COMMUN MONTAIGNE MULHOUSE - 2017/2018 Page 8