Sciences physiques

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Correction épreuve de physique du BAC S 2007

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Sauf erreur de ma part, voici la correction de l’épreuve 2007 du Bac en physique (dont on trouvera un énoncé à cette adresse). Ce sujet a du donner des sueurs à bon nombre d’entre vous : un sujet comportant de nombreuses parties indépendantes, touchant à de nombreuses parties du programme (et pas les plus classiques), le tout sans calculatrice !

Dans cette correction 10^n = 10n

Exercice I

1. 3ème loi de Newton (loi des actions réciproques) : le boulet exerce sur le système {Galiote+Gaz+Canon} une force opposée à la force qu’il subit de la part de ce système. C’est la « Réaction considérable du boulet » évoqué dans le sujet.

2.1.1. Fa = rho.V.g = 1,3.16.10^-3.10 = 2,1.10^-1 N (poussée d’archimède exercée par l’air sur le boulet)

2.1.2. P = m.g = 100.10 = 10^3 N

2.1.3. P/Fa = 10^3/2,1.10^-1 ~ 5.10^3 >>100 donc Fa est négligeable devant P.

2.1.4. Sur le boulet s’exercent : le poids, la poussée d’archimède et les forces de frottements. Ces deux dernières forces sont négligeable selon la remarque de l’énoncé et la question 2.1.3. Le boulet est donc soumis seulement au poids : il s’agit d’une chute libre.

2.2.1. En appliquant la seconde loi de Newton et en tenant compte du résultat du 2.1.4., onarrive à a=g
ce qui se traduit par d²x/dt²=0 et d²y/dt²=-g
Soit, dx/dt = Vox et dy/dt = -g.t + Voy
Soit, x = Vox.t+xo et y = -1/2.g.t² + Voy.t + yo
Les conditions initiales sont (xo,yo)=(0,0) et (Vox,Voy)=(Vo.cos(alpha), Vo sin(alpha))
Donc x = Vo.cos(alpha).t et y = -1/2.g.t² + Vo.sin(alpha).t

2.2.2. selon l’expression de x, t=x/Vo.cos(alpha)
d’où y=-1/2.g.(x/Vo.cos(alpha))² + Vo.sin(alpha).x/Vo.cos(alpha)
ce qui donne y=x.(A.x+B) où :
A=-g/(2.Vo².cos²(alpha)) et B=tan(alpha)
Pour les unités, il faut utiliser [g]=m/s² et [Vo]=m/s, tous les autres termes étant sans unités, on obtient :
[A]=(m/s²)/(m/s)²=1/m et [B]=1 (sans unité)

2.3.1. O et M vérifient y=0 => x.(A.x+B)=0 => x=0 (solution O) ou A.x+B=0 (solution M)
La première solution correspond à O, la seconde à M, d’où l’on déduit que A.d+B=0 (puisque pour M, x=d) :
d=-B/A
Rq: si l’on utilise les expressions du 2.2.2., on obtient d=-tan(alpha)/[-g/(2.Vo².cos²(alpha))]=2.Vo².cos(alpha).sin(alpha)/g=Vo²sin(2alpha)/g (avec un peu de trigonométrie) ce qui est l’expression proposée dans l’énoncé.

2.3.2. d = Vo²sin(2alpha)/g est maximale pour sin(2 alpha)=1 <=> 2 alpha=90 <=> alpha=45°

2.3.3. d = 2400 m lorsque Vo²/g=2400 => Vo² = 2400.g = 24000 = 2,4.10^4 => Vo=sqrt(2,4).100=1,5.10^2 m/s

2.3.4. Si l’on prend en compte les forces de frottements, le boulet est ralenti durant « le vol » et à vitesse initiale égale, il va atterrir moins loin => il faut donc augmenter la vitesse initiale pour conserver la portée maximale avec un angle de 45°.

3.1. A l’anode se produit une oxydation

3.2. 2 Cl-(aq) = Cl2 (g) + 2 e-
Des électrons sont produits, il sont attirés par la borne du générateur qui est donc positive.

3.3.1. I = ΔQ/Δt et ΔQ = N.e donc N = I.Δt/e
D’autre part n=N/Na donc n=I.Δt/(Na.e)

3.3.2. Pour 1 mole de H2 dégagée, 2 moles d’électrons sont échangées entre les 2 électrodes.
Ainsi, n(H2)=1/2 n(e-)
Or I = DQ/Dt = N.e/Dt => n(e-) = N/Na = I.Dt/Na.e d’où l’expression de l’énoncé : n(H2) = I.Dt/(2.e.Na)

3.3.3. n(H2) = 1x530x3600 / (2×1,6.10^-19×6,0.10^23) = 5,3×3,6×10^5 / (2×1,6x6x10^4) = 19×10/19 = 10 mol

3.3.4. V = n.Vm = 10×24 = 240 L

Exercice II

A.Partition lunaire

1.1. Onde mécanique progressive : phénomène de propagation d’une perturbation d’un milieu matériel sans transport de matière.

1.2. Onde transerversale : onde mécanique progressive pour laquelle la perturbation est transversale à la direction de propagation.

1.3. Le texte qualifie les ondes crées lors de l’eclipse d’ondes transversales, or les ondes sonores sont des ondes de compression de l’air, longitudinales, les ondes évoquées dans le texte ne peuvent donc pas être sonores.

2.1. f = 1/T = 1/(10×60) = 1/6.10^-2 = 1,7.10^-3 Hz << 20 Hz

2.2. c = lambda/T => lambda = c.T = 100.10^3/3600.10.60 = 1,7.10^4 m = 17 km
Pour que des ondes soient diffractées, il faut que la taille caractéristique de l’obstacle, a, soit telle que lambda/a < 1. Cette condition est vérifiée ici, des montagnes séparées par une distance de 10 km peuvent donc diffracter ces ondes.

B. Découverte historique d’un nouvel élément chimique

1.1. Il fallait faire un schéma de ce type.
1.2. E = h.nu où nu est la fréquence de la radiation lumineuse. Comme c=lambda.nu => nu=c/lambda
d’où E = h.c/lambda

1.3.1. E = 6,626×10^-34 x 2,998×10^8 / 589,0×10^-9 en J
E = 6,626×10^-34 x 2,998×10^8 / (589,0×10^-9 x 1,602×10^-19) en eV
E = 2,105 eV

1.3.2. On remarque que -3,034 – (-5,139) = 2,105 eV
La raie D du sodium correspond donc à la transition entre l’état E1 et l’état E0.

1.4. Si lon ajoute 2,110 à -5,139 on arrive à -3,029 qui ne correspond à aucun état de l’atome de Sodium. De la même façon, si on ajoute 2,110 à -3,034 on arrive à -0,924 qui ne correspond à acun état excité de l’atome de Sodium. Il en va de même avec tous les états de l’atome de Sodium. Cette transition n’est donc pas une transition de l’atome de sodium.

2.1. Il s’agit de réaction de fusion.

2.2. Les deux isotopes sont 3He et 4He car ces noyaux ont le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons.

2.3. Selon les lois de conservations des réactions nucléaires (conservation des nombres de masse et de charge) :
3+x = 4 + y
2+2 = 2 + y
d’où
y = 2 et x = 3

2.4.1. Les propriétés des configurations électroniques dépendent du nombre d’électrons du nuage d’électron donc du nombre de protons qui le caractérise mais pas du nombre de neutrons. Ces deux types d’atomes possèdent donc la même configuration électronique puisque ce sont des isotopes.

2.4.2. Ils ne peuvent donc pas être distingués expérimentalement à l’aide d’un spectre.

Exercice III

Affirmation 1 : VRAI
le flacon de méthanol comporte le pictogramme « Toxique », il doit donc impérativement être manipulé sous la hotte.

Affirmation 2 : FAUX
Ce schéma correspond à une distillation. Un montage de chauffage à reflux est surmonté d’une colonne à bulle ouverte à son extrémité.
Schéma du chauffage à reflux :

Affirmation 3 : FAUX
Le protocole expérimental précise « un volume V2 d’environ 20 mL », il n’est donc pas nécessaire d’utiliser une pipette jaugée. Une simple éprouvette graduée suffit.

Affirmation 4 : VRAI
n1 = m1/M1 = 27,6/138 = 2,76.10/1,38.10² = 2,00.10^-1 mol

Affirmation 5 : FAUX
n2 = rho2.V/M2 = 0,8.20/32 = 16/32 = 1/2 mol

Affirmation 6 : FAUX
D’une façon générale, la réaction de synthèse d’une ester s’écrit :
R-COOH + R’-OH -> R-COO-R’ + H20
Donc ici,
HO-C6H6-COOH + CH3-OH -> HO-C6H6-COOCH3 +H2O

Affirmation 7 : VRAI
Les coefficients steochiométriques sont égaux à 1 et on a introduit 0,5 mol de méthanol pour 0,2 mol d’acide salicylique. Le méthanol est donc en excès.

Affirmation 8 : FAUX
Le cyclohexane a une masse volumique de 0,78 g/mL < 1 g/mL (celle de l’eau).
La phase inférieure est donc l’eau, la phase supérieure est la phase organique.

Affirmation 9 : VRAI
L’hydrogénocarbonate de sodium NaHCO3 contient les ions HCO3- qui sont la forme basique du couple
(H20,CO2)/HCO3-
Les acides AH de la phases organiques réagissent donc avec les ions HCO3- pour former CO2 et A-

Affirmation 10 : FAUX
Le méthanol dont la témpérature d’ébullition est de 65°C sortira avant l’ester (température d’ébullition de 223°C)

Affirmation 11 : FAUX
on récupère n3 = m3/M3 = 21/152 = 2,1.10/1,52.100 = 0,14 mol
Si la réaction était totale, on aurait obtenue 0,2 mol d’ester, le rendement est donc de 0,14/0,2 = 1,4/2 = 0,7 > 0,5
Le rendement est supérieur à 50 %

Affirmation 12 : FAUX
L’acide sulfurique est un catalyseur il augmente la vitesse de réaction sans modifier l’état d’équilibre.

Affirmation 13 : VRAI
L’excès de réactif déplace l’équilibre de sorte à consommer le réactif en excès : le rendement de la réaction a donc été augmenté.

Auteur : Cédric Lémery

Professeur de sc. physique-chimie au lycée du Forez à Feurs. Animateur de la page facebook LaPhysiqueAuBacS, prof consultant de campusbac, chaîne de canalsat. Co-auteur de delaphysique.com, 1ère web-fiction pédagogique. Docteur en physique de la terre.

19 Commentaires

  1. Loies de conservation nucléaire=Loies de Sody je pense que c’est plutot ca qu’ils attendaient … Voila sinon jpens que je m’en suis pas trop mal sorti

  2. Après ma piètre prestation d’aujourd’hui, j’avais besoin de me rassurer.
    Résultat, je pense atteindre un petit 9, je m’attendais à pire.
    Bonne continuation à tous ceux qui continuent comme moi leurs épreuves !

  3. Merci beaucoup pour ce corrigé, ça me rassure sur quelques petites questions pour lesquelles je n’étais pas sure et finalement ouf, à part trois ou quatre questions sur la globalité du sujet j’ai tout bon ! Vivement la fin des épreuves ! ^^

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  5. Bonjour,
    je suis moi-même professeur de physique en Terminale S.
    La question 2.3.4 de l’exercice I et sa réponse me laissent perplexe : si je me fie au raisonnement donnée (qui sera sans doute celui du corrigé officiel…), tout objet lancé dans le vide à 45° avec une vitesse v0 va plus loin dans le vide que dans l’air, lancé à la même vitesse v0. Or c’est parfaitement faux : il existe de nombreux objets qui « planent » dans l’air et qui iront plus loin dans l’air que dans le vide : planeurs, javelots, etc. Vous allez me dire : un boulet, cela ne plane pas! En êtes-vous si sûr? En cas de rotation sur lui-même (comme une balle coupée au tennis…) la force de Magnus modifiera la trajectoire et allongera la portée.
    Tout cela pour dire que l’effet de l’air sur un objet en mouvement ne se résume pas à un ralentissement de la vitesse et de le laisser croire aux élèves de Terminale n’est pas forcément une bonne chose.
    Bien amicalement,
    Sylvain RENARD

  6. Les préconisations de correction vont effectivement dans le sens de la réponse que j’ai publié.
    Concernant l’effet magnus, il me semble qu’il est largement négligeable pour un boulet de 100 kg propulsé par une explosion.
    En effet, la 2de loi de Newton s’écrit : ma=mg+F ou F, la force de magnus est proportionnelle la vitesse de rotation de la balle. Après simplification par m, on obtient a=g+F/m pour que l’effet magnus ne soit pas négligeable il faut que le terme F/m soit de l’ordre de g. Autrement dit que la boule tourne très vite sur elle-même puisque m est de l’ordre de 100 kg. Le « très vite » serait estimer mais compte tenu du mode de propulsion de la boule (expulsion du corps du canon par explosion) et de sa grande inertie, je ne vois pas bien comment le boulet pourrait avoir une très grande vitesse de rotation.
    Il me semble que l’effet magnus est important dans le cas de la balle de tennis, de golf ou du ballon de foot, du fait de la faible inertie de la balle qui permet au joueur de lui imprimer une très forte rotation.
    Vous avez raison de souligner que l’effet de l’air ne se limite pas un ralentissement de la vitesse, et cela pourrait faire l’objet d’un sujet de bac intéressant…

  7. Bonjour, bon j’ai trouvé cette épreuve de Sciences physique, plus simple que certains devoirs fait au lycée. En tt cas j’ai fait des erreurs car je n’avais pas la calculette. On se rend compte que sans la calculette, c’est tt de suite plus long. Il devrait y avoir plus de sujets a faire sans calculette en TD au lycée, c’est une suggection.
    ALLé en tt cas j’attends mes résultats de BAC avec impatience

  8. Dans l’affirmation 13 de l’exercice 3, il me semble que le réponse est faux. En effet on demande si l’excès de réactif a permis (c’est dire au début de la réaction) d’augmenter le rendement de la synthèse, c’est donc faux. Non?
    Tu a traiter la question comme si on ajoutait un des réactifs une fois le système l’equilibre, la je suis d’accord la réponse est vraie mais ce n’est pas la question posée…

  9. L’affirmation 13 est « l’excès d’un des réactifs a permis d’augmenter le rendement de la synthèse ». Il faut comprendre « par rapport au cas où les réactifs sont introduits dans les proportions stoechiométriques ». Dans ces conditions, on obtient plus de produit. Le rendement a donc augmenté.

  10. Voila ce que j’ai mis sur ma copie : Le Qr,i de la réaction ne dépend pas des concentrations initiales car il n’y a pas de produits initialement introduis dans le milieu réactif (Qr,i = 0). Or la constante d’équilibre de la réaction est identique quelquesoit les concentrations initiales en réactifs. Donc le rendement de la réaction ne varie pas en fonction dans conditions initiales. Ou est-je faux??

  11. dsl pour les fautes d’orthographe la dernière phrase…:)

  12. en effet la force de magnus est tres negligeabl ici car ell serai de 1000N a pe pres… ce ki es pratikemen imposibl pour un boullet de 100kg..

  13. (re) Bonjour,
    pour avoir une influence sur la trajectoire, il faut que la valeur de la force de Magnus soit non négligeable devant P = mg. Il n’est pas question qu’elle soit égale au poids! Or elle est proportionnelle à la vitesse du boulet et à la vitesse de rotation de celui-ci (à supposer qu’elle existe…). Sa valeur est a.w.v , le problème c’est de déterminer a qui dépend entre autres des dimensions du boulet et de l’état de sa surface (a est plus facile à déterminer avec une balle de ping-pong…). N’oubliez pas que v est de l’ordre de 100 m/s et que si w fait quelques rad/s, il faudrait que a soit très petit pour que la force de Magnus soit très inférieure à P.
    En fait le problème est très compliqué si le boulet tourne, car il faut évidemment tenir compte en plus de la force de frottement fluide qui diminue la vitesse.
    J’ai lu une étude intéressante avec une balle de ping-pong, avec une hypothèse simplificatrice : w restant constant.
    Amicalement,
    Sylvain

  14. de toute facon, il ny a pas de question a se posé, je ne pense pas qu’au bac il puise envisagé mm se genre de resonemen. il sufisai juste daugmenter Vo, mm si la remarq de sylvain, si jpe me permetr été tres pertinente et mm interesente.
    ps: pourai tu menvoyé le lien sur letude de la ball de ping pong

  15. Lie lien http://www.tsi.enst.fr/~bredin/dl/mecaping.pdf
    Très intéressant en ce qui concerne la trajectoire (les valeurs parlent d’elles-mêmes).
    Ils ont voulu aussi étudier le rebond (simplifié) mais ont eu des difficultés pour trouver le modèle mathématique. Alors un rebond avec une balle qui tourne…
    Il y a parfois un gouffre entre un phénomène en apparence simple (tout le monde sait jouer au ping-pong…) et l’élaboration d’un modèle fiable.
    Amicalement Sylvain
    (déjà pour Magnus avec une sphère, le modèle mathématique est… approximatif, à cause de la valeur de a dont il n’existe pas, à ma connaissance, d’expression universelle.

  16. Pour Pink.F : Qr,i=0 et Qr,f=K sont indépendant des concentrations initiales. C’est vrai. Mais a l’aide d’1 tab d’avct, on peut montrer que Qr,f=K est equivalent a xf.xf/(n0-xf)(n0′-xf)=K
    Cette equation a pour inconnu xf. La solution de cette equation depend de n0 et n0′
    Si n0=n0′ la solution de cette equation est xf=sqrt(K).n0/(1+sqrt(K))
    Imaginons que n0>>n0′ alors dans xf.xf/(n0-xf)(n0′-xf)=K (n0-xf) devient très grand et il faut donc que (n0′-xf) soit petit donc que xf se rapproche de n0′. C’est pourquoi l’on dit qu’un excès de réactif augmente la valeur de xf, donc le rendement.
    Pour Sylvain : je doute qu’il soit possible d’imprimer une rotation telle que w soit proche de quelques rad/s avec une explosion (par nature isotrope) et un boulet de 100kg (ayant donc une forte inertie).
    Mais il vrai qu’il est important de bien montrer que dans tout problème physique il faut faire des approximations (ce qui a été fait dans le sujet en calculant la valeur de la poussée d’archimède).

  17. Je vois que dans l’ensemble, les gens ne sont pas trop déçu, ils ont bien de la chance.

    Ce devoir a été pour moi un calvaire, c une véritable catastrophe !!!!!!!

    J’ai u un prof avec qui je n’avais fait qu’un seul chapitre en physique (jusqu’en avril) et j’en ai eu un autre qui n’a pas eu le temps de finir le programme.
    Je ne c pas pkoi mais j’ai une envie folle de t… le 1er prof que j’ai eu.

    Merci a cédric pour la correction, j’espere simplement qu’elle est juste parce que si j’ai l’oral c une des matieres que je prendrais…

  18. Bonne correction, mais pourquoi n’avoir pas présenter l’énoncé des exercices?

  19. Tout simplement parce que cela a été publié le jour même du bac et que c’était destiné aux candidats sortant de l’épreuve…
    J’ai ajouté le lien vers l’énoncé suite à cette remarque.

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