Documents de Physique-Chimie – M. MORIN 1

1
Devoir de Physique DST2
Terminale S
Durée : 3 h 30 min
Date : Vendredi 31 janvier 2014
M. MORIN
Les calculatrices ne sont pas autorisées
Ce devoir comporte 3 exercices indépendants.
L’exercice 3 est réservé aux non-spécialistes
Un exercice 4 est distribué uniquement aux spécialistes.
I.
Le dauphin à flancs blancs (Version enrichie et adaptée sans calculatrice du sujet de la Réunion 2011). 8 points.
Le dauphin à flancs blancs du pacifique est peut être l'espèce la plus abondante du Pacifique Nord. C'est un dauphin
très sociable et qui voyage généralement en groupe ; il est rapide puissant et bon surfeur. Il est capable de délaisser
un repas pour attraper la vague provoquée par le passage d'un navire. Un jour, un dauphin a fait un saut de trois
mètres pour se retrouver sur le pont d'un navire de recherche arrêté en mer ! Quand il atteint sa taille adulte, il
mesure environ 2,50 m et pèse jusqu'à 180 kg. Issu du site " Pêches et océans Canada ".
Partie A : Etude cinématique du saut du dauphin.
Dans cette partie on négligera l'action de l'air (frottement et poussée d'Archimède ) sur le dauphin. Au cours du
saut, hors de l'eau, le dauphin n'est soumis qu'à son poids.
On souhaite étudier la trajectoire du centre d'inertie G du dauphin pendant son saut hors de l'eau. le repère d'étude est
(O,
. On choisit comme origine des dates l'instant où le centre d'inertie G du dauphin est confondu avec le point O.
Le vecteur vitesse initiale v0 est dans le plan (xOy ) et est incliné d'un angle  par rapport à l'axe Ox. Grâce à
l'exploitation d'un enregistrement
-2
On note g l’intensité de la pesanteur g =10 m.s et m, la masse du dauphin.
1.
3.
4.
En appliquant la seconde loi de Newton, donner l'expression du vecteur accélération
du centre d'inertie G
du dauphin, puis ses coordonnées dans le repère d'étude.
En déduire l’expression littérale des coordonnées vx(t) et vy(t) du vecteur vitesse
du centre d’inertie en
fonction de V0 , de l’angle a , de g et de la variable temps t
Etablir les équations horaires x(t) et y(t) du mouvement du centre d’inertie
Déterminer l’équation de la trajectoire du centre d’inertie G du dauphin.
5.
Montrer que l’expression de la portée du saut est xM =
2.
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2
6.
Influence de l’angle initial du saut.
Le graphique suivant montre l’influence de l’angle initiale sur la portée du saut.
Nom :
Prénom :
Classe :
6.1. Déterminer à l’aide d’un rapporteur l’angle de tir M permettant d’obtenir la portée maximale.
6.2. A partir de l’expression de la portée (question 6), vérifier que l’angle déterminé en 6.1. permet bien
d’atteindre la portée maximale dont vous donnerez la nouvelle expression.
Partie B : Etude expérimentale du saut du dauphin.
Les positions du centre d’inertie du dauphin sont données à intervalles de temps réguliers sur le document ci-dessous (à
remettre avec la copie), l’échelle du document est 1 cm pour 0,50 m et la durée entre deux positions est t = 0,10 s
1. A partir du document de l’annexe, déterminer la valeur de la vitesse du centre d’inertie du dauphin aux points 4 et 6.
On les notera V4 et V6.
Aide au calcul : Diviser par 0,20 revient à multiplier par 5 et multiplier par 0,50 revient à diviser par 2.
2. Tracer les vecteurs et
sur le document annexe en utilisant comme échelle de représentation des vecteurs vitesse
-1
1 cm pour 2 m.s
-1
3. Construire sur le document annexe le vecteur
= - au point 5 et déterminer sa valeur en m.s en utilisant
l’échelle précédente.
4. En déduire la norme du vecteur accélération , vecteur accélération au point 5. Le représenter sur le document
-2
annexe en utilisant comme échelle de représentation: 1 cm pour 2 m.s
ème
5. Cette valeur est-elle en accord avec la 2 loi de Newton ?
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II.
L’anesthésie des prémices à nos jours. 7 points.
Pendant longtemps la chirurgie a été confrontée au problème de la douleur des patients. Ne
disposant d’aucun produit permettant de la soulager, le médecin ne pouvait pratiquer une
opération « à vif » du patient.
L’éther diéthylique était connu depuis le XVIème siècle, mais ce n’est qu’en 1840 que William T.G.
Morton eut l’idée de l’utiliser afin d’endormir un patient. Et il fallut attendre l’automne 1846 pour
que, dans deux amphithéâtres combles, le docteur John Warren, assisté de William Morton,
réussisse deux opérations chirurgicales indolores pour les patients. L’anesthésie venait de naître et
allait permettre un essor bien plus rapide de la chirurgie
Données





Masse volumique d’une solution aqueuse d’hydroxyde de sodium :  = 1,0 g.mL ;
-1
Masse volumique de l’éthanol : éthanol = 0,81 g.mL ;
-1
Masse volumique de l’éther diéthylique : éther = 0,71 g.mL ;
L’eau et l’éther ne sont pas miscibles ;
La température du laboratoire est de 20°C.
-1
Partie A : Synthèse de l’éther diéthylique
1.
Choix d’un protocole
La synthèse de l’éther diéthylique peut se faire par action sur l’éthanol. Cependant selon les conditions opératoires choisies,
cette transformation peut aboutir à deux produits différents.
Les deux équations de réaction correspondantes sont les suivantes :
CH3-CH2-OH → CH2=CH2 + H2O
2 CH3-CH2-OH → CH3-CH2-O-CH2-CH3 + H2O
On étudie deux protocoles possibles de transformation :
Conditions opératoires 1 : on fait passer à 300°C des vapeurs d’éthanol sur de l’alumine ;
Conditions opératoires 2 : on chauffe l’éthanol à 140°C en présence d’un acide fort.
1.1. Quel nom peut-on donner à cette transformation, déshydrogénation, déshydratation ou déséthylation ?
1.2. Quel est l’influence de la température sur cette transformation ?
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2.
Analyse du protocole retenu.
Pour synthétiser l’éther diéthylique, on suit le protocole
expérimental suivant :
- réaliser un montage de distillation fractionnée dans lequel un
ballon bicol supporte une colonne à distiller ainsi qu’une ampoule
de coulée ;
- verser 25 mL d’éthanol dans le ballon et placer dans l’ampoule
de coulée 10 mL d’un acide fort, l’acide sulfurique concentré ;
- sous agitation, verser goutte à goutte l’acide sulfurique dans le
mélange, puis chauffer ;
- récupérer le distillat lorsque la température en tête de colonne
est à 35°C ;
- verser le distillat dans une ampoule à décanter, ajouter une
+
solution aqueuse d’hydroxyde de sodium Na (aq) + HO (aq) ;
- récupérer la phase contenant l’éther diéthylique.
2.1. Pourquoi faut-il mettre l’erlenmeyer de récupération du distillat dans un bain de glace ?
2.2. Malgré les précautions prises, la formation d’éthylène peut avoir lieu de façon minoritaire mais pour autant on
ne le trouve pas dans le distillat. À l’aide des données, proposer une explication.
2.3. Quel est le rôle de l’acide sulfurique ?
2.4. Le distillat obtenu présente un caractère acide. Quelle étape du protocole permet d’éliminer les traces acides
du distillat ? Justifier.
2.5. Où se trouve l’éther diéthylique dans l’ampoule à décanter ? Justifier.
3.
Techniques d’analyse des espèces chimiques intervenant dans la réaction.
Les techniques utilisées sont la spectroscopie infrarouge IR et la spectrométrie RMN du proton.
On donne dans les pages suivantes deux spectres RMN du proton et deux spectres infrarouge (IR) correspondant à
l’éther diéthylique et à l’éthanol ainsi qu’une table de données de spectroscopie infrarouge IR.
Associer chaque spectre infrarouge IR et RMN à la molécule correspondante en justifiant.
Attribuer un signal en RMN à chaque groupe de protons chimiquement équivalents et justifier sa multiplicité pour
chacun des signaux.
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Spectre RMN 1
triplet
singulet
quadruplet
Spectre RMN 2
triplet
quadruplet
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6
100
80
60
%T
40
20
Spectre IR 1
0
4000
3000
2000
1500
Wavenumber (cm-1)
1000
500
100
80
60
%T
40
20
Spectre IR 2
0
4000
3000
2000
1500
1000
500
-1
Wavenumber (cm )
Liaison
Nombre d’onde
-1
(cm )
C-C
1000-1250
C-O
1050-1450
O-H (acide carboxylique)
2500-3200
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C-H
2800-3000
O-H (alcool)
3200-3700
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Partie B : Un remplaçant de l’éther diéthylique
À l’heure actuelle, du fait de son extrême inflammabilité, de ses nombreux effets secondaires, de sa toxicité ainsi que du risque
élevé de dépendance qu’il entraîne, l’éther diéthylique n’est pratiquement plus utilisé comme anesthésiant, et d’autres
molécules beaucoup plus spécifiques l’ont remplacé. C’est le cas par exemple de la kétamine, qui contient un mélange
équimolaire des deux molécules dépendant de l’organisation spatiale des liaisons chimiques autour du carbone identifié par un
astérisque.
1.
Etude des molécules de la kétamine
1.1 Reproduire la formule topologique de la molécule A. Entourer et identifier les groupes caractéristiques présents
dans cette molécule.
1.1. A partir de la représentation de la molécule ci-dessus, dessiner deux représentations de Cram de structures
spatiales différentes.
2.
Utilisation médicale de la kétamine
Du fait de son action rapide, la kétamine est principalement utilisée en médecine d’urgence. Elle est le plus souvent
administrée via une injection intraveineuse unique avec une dose de l’ordre de 2 mg par kg de corps humain.
2.1. Par analogie avec le temps de demi-réaction défini en cinétique chimique, proposer une définition au terme de
« demi-vie d’élimination » donné dans le texte.
2.2. Le temps de demi-vie d’élimination appelé également temps de demi-vie contextuelle dépend de différents
paramètres.
2.2.1.
2.2.2.
A partir du graphique suivant donnant les demi-vies de quelques anesthésiques déterminer le temps
demi-vie contextuelle (min) du Thiopental et de la kétamine pour une durée de perfusion de 5 heures.
Un patient 1 est perfusé pendant 5 heures avec du Thiopental et un autre patient 2 est perfusé
pendant 5 h avec de la kétamine, lequel se réveillera le premier après la fin de la perfusion ?
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III.
Le projet ILC. Réservé aux non-spécialistes. 5 points.
Document 1 : Description du ILC.
Les accélérateurs de particules utilisent des champs électriques ou magnétiques pour communiquer à des particules chargées
électriquement des vitesses très élevées de manière à créer des collisions violentes entre particules.
L’objectif est de créer de nouvelles particules ou d’étudier les origines de l’Univers et, plus généralement, de comprendre la
nature fondamentale de la matière, de l’énergie, de l’espace et du temps.
Le projet ILC (international Linear Collider), à l’étude en 2012, consistera en la construction de deux accélérateurs linéaires de
20 km de long chacun, l’un pour accélérer des électrons et l’autre, leurs antiparticules, les positons à des vitesses proches de
la vitesse de la lumière (V ≈ 99% . c) et faire se rencontrer.
La construction pourrait commencer en 2016 et se terminer vers 2026.
Schéma du ILC
Document 2 : Intérêt de l’étude des chocs électron-positons.
L'ère leptonique est une phase de l'expansion de l'univers pendant laquelle les leptons (notamment les électrons et
les positons) dominaient en proportion la masse totale de matière dans l'univers. Durant cette période, les leptons étaient à
la fois créés par création de paires particule/antiparticule et annihilés, ce qui assurait l'équilibre thermique des populations.
Puis l'expansion a fait que les créations de paires sont devenues plus rares, et enfin les leptons se sont annihilés en créant
des photons, ce qui a augmenté la température du fond diffus cosmologique. Ce dernier phénomène s'est produit lorsque la
température de l'univers était de l'ordre de celle correspondant à l'énergie de masse des électrons, soit 511 keV, ou 5
milliards de degrés.
Document 3 : Schéma simplifié d’un canon à électron
Document 4 : Données physiques.
8
Vitesse de la lumière dans le vide c = 3 × 10 m.s
-30
Masse d’un électron : me- ≈ 1 × 10 kg
-19
Charge élémentaire e ≈ 2 × 10 C
La distance entre les électrodes est d = 1,0 m.
La tension UAC = 4 000 V.
-1
La vitesse acquise par un électron ayant parcouru une distance d a pour expression V =
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Document 5 : Amélioration du dispositif d’accélération.
Document 6 : Principe d’action des cavités résonantes.
Dans un accélérateur linéaire, les électrons sont accélérés à l’aide de champs électriques. On peut se représenter un champ
électrique comme un espace dans lequel une force agit sur des particules chargées électriquement - comme des électrons par
exemple, en les accélérant. Il est pratiquement impossible de produire un champ électrique continu pour obtenir l’accélération
souhaitée, il faudrait une tension continue de plusieurs milliards de volts. Par conséquent, le champ électrique doit être alternatif
et se propager avec les électrons. Le champ électrique alternatif est envoyé dans les structures accélératrices et va entrer en
résonance avec la géométrie de la structure. II s’agit donc de coordonner le mouvement du paquet d’électrons avec ces
variations de champ pour que les électrons soient toujours positionnés sur une crête du champ d’accélération.
Dans l’accélérateur linéaire les électrons sont accélérés par une onde électromagnétique. Les électrons ne doivent voir que la
partie du champ électrique qui accélère dans la bonne direction (champ alternatif). Les paquets d’électrons, injectés dans
l’accélérateur, ont déjà subi une accélération en amont dans l’injecteur et sont déjà à une vitesse inférieure à celle de la lumière..
Pour accélérer les électrons, il suffit de synchroniser les électrons avec la crête de l’onde électromagnétique d’accélération qui
elle se déplace a la vitesse de la lumière. On peut comparer cela à un surfer qui reste toujours sur la crête de la vague et qui se
déplace ainsi avec la vague. On atteint ainsi une vitesse proche de celle de la lumière.
En vous appuyant sur les documents mis à votre disposition et sur vos propres connaissances, rédigez une synthèse
argumentée et structurée, expliquant comment l’accélérateur de particules linéaire ILC permet d’accélérer un
électron et d’atteindre la vitesse nécessaire pour obtenir des collisions adaptées.
Questions guides (nécessaires mais pas suffisantes pour construire votre argumentation) :
-
Analyser le principe de fonctionnement d’un canon à électrons.
Discuter de l’efficacité du dispositif du canon à électrons.
Discuter de l’intérêt de solutions complémentaires.
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IV.
Isolation phonique. Réservé aux spécialistes. 5 points.
Document 1
Article du Parisien 06/06/2012
« J’ai perdu le sommeil depuis huit ans »
GERMAINE riveraine d’éoliennes
Elle les voit tous les jours au saut du lit, depuis la fenêtre de sa chambre. « La première se trouve à 319 m et la cinquième à 924 m. » Avant
2004, Germaine et son mari Auguste vivaient une retraite paisible dans leur petit village du canton de Barneville (Manche). Mais lorsque «
des moulins à vent de 102 m de haut » ont été implantés dans la commune voisine, la vie de ce couple de 73 et 78 ans a été
«chamboulée».
Germaine n’oubliera jamais la date : « Depuis le 15 juin 2004, j’ai perdu le sommeil, je prends un traitement matin et soir pour des vertiges
et je souffre d’acouphènes (prenant naissance dans le système vestibulaire). Nuit et jour, le bruit s’immisce partout dans la maison et mon
mari, qui a souvent mal à la tête, dort dans la cave depuis le mois de septembre, affirme cette grand-mère qui ne compte plus les lettres
envoyées au préfet, au Premier ministre et même à la présidence de la République pour réclamer la mise à l’arrêt des mâts. « Au moins la
nuit pour que l’on puisse dormir », supplie la retraitée. L’installation d’un double-vitrage phonique n’a rien changé : « Je n’entends pas
passer le camion du boulanger, mais je perçois toujours le bruit lancinant des éoliennes, comme un avion qui ferait du surplace, décrit
Germaine. Quand nos amis viennent chez nous, ils nous demandent pourquoi le lave-linge est toujours en route. » L’isolation phonique de
la toiture n’a fait qu’aggraver leur calvaire : « Le son traverse quand même et cela fait caisse de résonnance », se désole la vieille dame.
Document 2
Isolation phonique
L'isolation phonique ou acoustique consiste à minimiser la propagation du son dans la maison. Le son traverse l'air sans difficulté
(propagation aérienne). Il traverse également les objets solides (propagation solidienne).
Elle prémunit contre ces deux types de transmission et propose 4 réponses adaptées :
 Fenêtres et vitrage : Contre les bruits extérieurs « aériens », en provenance de la rue ou du jardin.
 Portes : Contre les bruits intérieurs « aériens », d'une pièce à l'autre (le son de la télévision, par exemple).
 Murs et cloisons : Contre les mêmes types de bruit qu'avec les portes.
 Planchers intermédiaires : Contre les bruits solidiens, d'impacts ou de chocs, intérieurs, d'un étage à l'autre (les bruits de pas, par
exemple). Également contre les bruits « aériens » d'un étage à l'autre.
Principes de l'isolation phonique
Pour freiner la propagation du son, il faut utiliser ou bien l'absence totale de matière (le vide), ce qui est très difficile à obtenir, ou bien une
paroi inerte.
Plus une paroi est lourde, plus elle va être inerte du point de vue phonique. Un mur épais en pierre transmet très peu le son. L'énergie
contenue dans l'onde sonore n'est pas suffisante pour le faire vibrer. Une dalle en béton sur terre-plein ne transmet pas non plus les
vibrations sonores horizontalement. L'énorme masse de terre qui se trouve sous la dalle l'empêche de vibrer facilement.
 Pour s'isoler des bruits, il faut donc en principe utiliser des parois lourdes. Les murs, les cloisons, les portes et les vitres doivent
être le plus lourd possible. C'est le principe de la masse.
 Il existe une alternative efficace à l'utilisation de parois très lourdes. C'est le principe du masse-ressort-masse. Deux parois
(doubles portes, doubles fenêtres, mur-contrecloison, cloison-doublage, plafond-faux plafond) désolidarisées entre elles par un «
ressort » (isolation souple, air). La première paroi vibre mais ne transmet pas la vibration à la deuxième.
 En ce qui concerne les bruits aériens, cette barrière au son doit être continue. La moindre interruption peut annuler l'isolation de
la paroi. C'est le principe de l'étanchéité. Encore plus que pour l'isolation thermique, le traitement doit être sans pont phonique.
Mesurer l'isolation phonique
 L'isolation phonique d'un matériau se mesure en dB(A).
 On parle d'indice d'affaiblissement acoustique : il rapporte l'intensité sonore mesurée après la paroi à l'intensité sonore mesurée
avant la paroi.
 Le (A) signifie que cette mesure prend en compte la plus grande sensibilité de l'ouïe humaine aux hautes fréquences (par rapport
aux basses fréquences).
La réglementation de l'isolation phonique.
Un seuil de 35 dB (A) ne doit pas être dépassé, pour un confort acoustique minimum dans un logement.
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Document 3 : Evolution du niveau sonore d’un son transmis à travers un mur selon la fréquence.
Document 4
Document 5 : Atténuation des fréquences avec un double vitrage.
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Document 6
Extraits d’un rapport de 87 pages du gouvernement canadien : Syndrome des éoliennes.
Le « syndrome des éoliennes » tel qu’il est formulé par Pierpont (2009, ébauche préalable à la publication) semble reposer sur les deux
hypothèses suivantes :
1. Les faibles niveaux d’infrasons présents dans l’air qui proviennent des éoliennes, entre 1 et 2 Hz, ont des impacts directs sur le système
vestibulaire.
2. Les faibles niveaux d’infrasons présents dans l’air qui proviennent des éoliennes, entre 4 et 8 Hz, pénètrent dans les poumons par la
bouche et font vibrer le diaphragme, lequel transmet les vibrations aux viscères, ou aux organes internes du corps.
L’effet combiné de ces fréquences d’infrasons envoie de l’information qui sème la confusion chez les détecteurs de position et de
mouvement du corps, ce qui provoque un éventail de symptômes perturbateurs.
(…)
Conclusions principales :
1. Le son émis par les éoliennes ne constitue pas un risque de perte auditive, ni d’ailleurs de tout autre effet nocif pour la santé des
humains.
2. Les sons à basse fréquence en deçà des seuils audibles et les infrasons produits par les éoliennes ne constituent pas un risque pour la
santé humaine.
3. Certaines personnes peuvent être irritées par les sons produits par les éoliennes. Cette indisposition n’est pas une maladie.
4. Une des principales préoccupations liées au son provenant d’une éolienne est sa nature fluctuante. Certaines personnes peuvent trouver
ce son gênant, ce qui serait une réaction qui repose principalement sur les caractéristiques spécifiques des personnes et non sur l’intensité
des niveaux sonores.
Répondre à la problématique :
Après avoir vérifié la véracité du témoignage de ces deux personnes, trouvez une solution pour que le bruit des éoliennes ne
perturbe plus les habitants de la maison en utilisant tous les documents mis à votre disposition.
Rédigez un texte argumenté et structuré, présentant votre analyse du problème et la solution qui pourrait être mise en œuvre.
Questions guides
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Qu’est-ce qu’un infrason ?
Quels sont les deux principaux dispositifs isolant contre les bruits aériens ?
Quels dispositifs permettent d’isoler une bâtisse des bruits des éoliennes ?
Comment expliquer que les bruits de la rue proche de la maison soient inaudibles après la réalisation de l’isolation
phonique alors que le ronronnement de l’éolienne reste une nuisance perceptible ?
Pourquoi le bruit de l’éolienne semble moins gênant dans la cave que dans les pièces de la maison ?
Quelle est la valeur de la longueur d’onde dans l’air des ondes sonores pour des fréquences comprises entre 34 Hz et
-1
340 Hz ? Donnée : vitesse du son dans l’air c = 340 m.s .
Quel phénomène a lieu lorsqu’une onde sonore se propage dans une ouverture limitée (porte, fenêtre, rue d’un
village…) ?
ATTENTION : On ne vous demande pas de répondre aux questions les unes à la suite des autres mais de vous appuyer dessus
afin de construire votre argumentation.
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