D.S.T. N° 5

CLASSE DE PREMIÈRE
S
Le : 08 avril 2015
Durée : 2 h 00
Physique-Chimie
DEVOIR SUR TABLE N° 5
L’épreuve a été conçue pour être traitée sans calculatrice.
L’usage des calculatrices est rigoureusement interdit.
TOUT DOCUMENT INTERDIT.
Les résultats numériques doivent être précédés d’un calcul littéral.
La présentation et la rédaction font partie du sujet et interviennent dans la notation.
L’épreuve est notée sur 16 points auxquels s’ajouteront les points d’épreuve pratique sur 4 points.
I ] Un alcool peu toxique. (sur 3,75 points)
Le propan-1-ol est un alcool qui se forme, en même temps que l'éthanol, lorsqu'une fermentation ne se déroule pas
correctement. Peu toxique, il est laissé dans des boissons comme le whisky. Dans d'autres circonstances, il est éliminé.
1. Donner la représentation de Cram du propan-1-ol.
2. 2.1. Donner la formule topologique et le nom de l'alcool isomère du propan-1-ol. Quelle est sa classe ?
2.2. Expliquer la différence de température d’ébullition entre ces deux isomères.
3. 3.1. Quel est le nom de l'alcane qui possède autant d'atomes de carbone que le propan-1-ol ?
3.2. De cet alcane et du propan-1-ol, lequel possède la température d'ébullition la plus basse ? Justifier.
4. Le propan-1-ol est-il plus ou moins soluble dans l'eau que le pentan-1-ol ? Justifier.
5. 5.1. Pour séparer de grandes quantités de propan-1-ol et d'éthanol, quelle technique peut-être utilisée ?
5.2. Schématiser le procédé et le légender, puis expliquer son fonctionnement.
II ] La clé des champs … (sur 5,50 points)
A] Champ magnétique créé par deux aimants.
Deux aimants ont été posés dans un plan contenant de la limaille de fer. Celle-ci s'est orientée comme ci-dessous.
1. Pour le système des deux aimants, de quel pôle (Nord ou Sud) les
lignes de champ partent-elles et sur quel pôle arrivent-elles ?
2. La zone d'influence d'un aimant est, par définition, l'espace dans
lequel les lignes de champ partant d'un pôle de cet aimant se referment sur
l'autre pôle du même aimant. Représenter sur votre copie et sur un schéma
les zones d'influence de chaque aimant.
3. Existe-t-il des lignes de champ situées en dehors des zones d'influence
des deux aimants ? De quel pôle partent-elles et sur quel pôle arrivent-elles ?
4. 4.1. Comment sont dirigés les vecteurs des champs magnétiques
B1 (M) et B2 (M) créés par les deux aimants (1) et (2) en un point
M de leur axe commun (voir Figure ci-contre) ?
4.2 .En déduire la direction et le sens du vecteur du champ magnétique total BT (M). Cette prévision est-elle
conforme à ce que montre la Figure ci-dessus ?
4.3. Mêmes questions en un point P du plan médiateur des deux aimants (voir Figure ci-dessus).
B] Champ électrostatique créé par un condensateur plan.
La Figure page suivante représente la carte du champ électrostatique entre deux armatures métalliques planes reliées aux
deux bornes d'un générateur de tension de 5,0 V. Sur la Figure page suivante, la largeur d'un petit carreau est de 0,50 cm.
1. 1.1. Que valent les potentiels électrostatiques sur chaque armatures (+) et (–) ?
1.2. Les courbes horizontales représentent les lignes équipotentielles sur lesquelles le potentiel électrostatique est
constant. Commenter leur allure. À quel potentiel électrostatique correspond chacune d'entre elles ?
1.3. Que remarque-t-on sur les bords du condensateur ?
... / ...
2. Les lignes de champ sont les courbes perpendiculaires aux lignes
équipotentielles en tout point.
2.1. Discuter leur allure. Que vaut le champ électrostatique à l'intérieur
du condensateur ?
2.2. Soit U la tension entre deux points quelconques entre les armatures et
d la distance entre les lignes équipotentielles passant par ces deux
U
points. Que devient le rapport
lorsque le couple de points
d
considérés change ? Justifier l'affirmation du cours selon laquelle le
champ électrostatique est uniforme à l'intérieur d'un condensateur plan.
III ] Rebond d’une balle de tennis. (sur 3,75 points)
La courbe suivante représente l'énergie potentielle de pesanteur Epp, d'une balle de tennis de masse m = 57 g lâchée
-2
sans vitesse initiale d'une hauteur z0 au-dessus du sol, en fonction du temps. On prendra : g ≅ 10 m.s .
1. À quelle date t1 la balle touche-t-elle le sol pour la première fois ? Justifier que le niveau de référence de l'énergie
potentielle de pesanteur est le niveau du sol.
2. À l'aide de la courbe et d'un calcul, déterminer l'altitude initiale z0 de la balle.
3. À quelle date t1 m la balle atteint-elle son altitude maximale après le premier rebond ? Calculer l'altitude z1
correspondante.
4. La balle est-elle conforme aux spécifications selon lesquelles :
« Le rebond de la balle tombant d'une hauteur de 254,00 cm sur une surface plane et dure (en béton par exemple)
doit être au minimum de 134,62 cm et inférieur à 147,32 cm. » ?
5. En supposant les frottements négligeables lorsque la balle est en l'air, déterminer l'énergie mécanique E0 de la balle
avant son premier rebond.
6. À la date t1 m, que vaut l'énergie cinétique de la balle ? En déduire la valeur de l'énergie mécanique E1 de la balle
entre son premier et son deuxième rebond.
7. Quelle proportion de l'énergie mécanique a été perdue lors du rebond ? Sous quelle forme cette énergie s’est-elle dissipée ?
8. Sur un graphe, tracer l'allure des courbes représentant l'énergie mécanique, l'énergie potentielle de pesanteur et
l'énergie cinétique de la balle en fonction du temps lors de son mouvement entre les dates t = 0,0 s et t = 2,6 s. Justifier
brièvement le tracé.
Aides aux calculs :
284
78
≈ 5;
≈ 1,4.
57
57
.../ p. 3
Première S
Devoir sur Table N° 5
Page 3
IV ] Treuil électrique. (sur 3,00 points)
Un moteur électrique peut être utilisé comme treuil pour élever de petits objets.
Il fonctionne sous une tension électrique constante U = 2,0 V et il est traversé par un courant d'intensité constante I = 150 mA.
-1
Le moteur soulève, à vitesse constante v = 40 cm.s , un objet de masse : m = 30 g.
Il est ici alimenté par une cellule photovoltaïque éclairée par une lampe (voir Figure ci-dessous).
-2
On prendra : g ≅ 10 m.s .
1. Déduire, des données, les puissances, en mW, associées au transfert reçu par le moteur, notée Preçue , et celle
associée au transfert utile, notée Putile .
2. Si le moteur se bloque, il se comporte comme un conducteur ohmique. La tension électrique à ses bornes est alors :
Ub = 1,1 V, et l'intensité constante du courant électrique le traversant vaut : Ib = 150 mA.
Calculer la valeur R de la résistance de ce moteur.
3. En déduire la puissance, en mW, relative aux pertes par effet Joule dans le moteur, Pj, lorsqu’il fonctionne
normalement.
4. Lorsque le moteur fonctionne normalement, l'énergie n'est pas seulement dégradée par effet Joule, du fait des
frottements en particulier. Ces pertes, hors effet Joule, sont appelées pertes collectives et regroupent différentes causes de
dégradation. Calculer, dans le cas du fonctionnement normal du moteur, la puissance Pcol , en mW, associée à ces pertes
collectives.
5. Établir une chaîne énergétique représentant la situation et faisant intervenir les systèmes : Environnement, Ampoule,
Moteur, Masse m, Cellule photovoltaïque, Centrale électrique.
6. En déduire l’expression, puis la valeur numérique, du rendement de conversion du moteur électrique.
Donnée :
Puissance mécanique d’une force de traction de valeur F :
-1
Pméca = F.v où F est la valeur de la force en N et v la vitesse de la charge tractée en m.s .
Aides aux calculs :
2,2
≈ 15 ; 7,5 X 2,2 ≈ 17.
0,15