I PHYSIQUE : Un peu de balistique
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I PHYSIQUE : Un peu de balistique
BAC BLANC I [ épreuve de physique – chimie ] EXERCICE I - UN PEU DE BALISTIQUE (8 points) PHYSIQUE : Un peu deI - balistique EXERCICE UN PEU DE BALISTIQUE (8 points) Lors de fouilles préventives sur un chantier de travaux Lors de fouilles préventives sur un chantier de travaux publics, publics, on a retrouvé ce quipréventives ressemblesur à un unechantier arme àde travaux Lors de fouilles onIl as’agit retrouvé ce qui àceune feu.à Il s’agit publics, onressemble a retrouvé qui arme ressemble une armed’un à feu. d’un ancien pistolet lance-fusées enà bronze ancien pistolet lance-fusées en bronze datant probablement feu. Il s’agit d’un ancien pistolet lance-fusées en datant probablement de la première Guerre Mondiale. Il bronzede datant probablement de la première Mondiale. Il première Guerre Mondiale.assez Il est dans unGuerre état de conservaestladans un état de conservation remarquable. est dans un état de conservation assez remarquable. assez de pistolet Cetion type de remarquable. pistolet était Ce trèstype utilisé lors de était cettetrès utilisé Ce type de pistolet était très utilisé lors de cette lors car, de cette guerre car, endes plus de lancer des fusées éclaiguerre en plus de lancer fusées éclairantes, il guerre car, en plus de lancer des fusées éclairantes, il rantes, il pouvait servir de moyendede communication. En àefpouvait servir de moyen dede communication. En effet, àEn effet, pouvait servir moyen communication. l’époque très peu de moyens mis à disposition fet, à l’époque très peupeu de étaient moyens étaient mis disposition l’époque très de moyens étaient mis à disposition des : des ondes étaient très très peuutilisées les ondes hertziennes étaient très peuet destroupes troupes :les lestroupes ondes :hertziennes hertziennes étaient peu utilisées et c’étaient des kilomètres de câbles utilisées et c’étaient des kilomètres de câbles c’étaient des kilomètres de câbles téléphoniques qui devaient téléphoniques qui être devaient être déroulés pour téléphoniques qui devaient déroulés pour être déroulés pour permettre la transmission de messages dipermettre la transmission de divers messages divers et variés. permettre la transmission de messages et variés. Pistolet lance-fusées www.histoire-collection.com) Pistolet lance-fusées (d’après(d’après www.histoire-collection.com) vers et variés. Ainsi les pistolets signaleurs se sont avérés très Ainsi les pistolets signaleurs se sont avérés très utiles. Ainsi les pistolets signaleurs se sont avérés très utiles. utiles. 1.de Durée de visibilité de la fusée 1. Durée visibilité la fusée 1. Durée de visibilité de la de fusée Sur la notice des fusées éclairantes que l’on peut utiliser dans ce type de pistolet, on trouve les informations Sur la notice deséclairantes fusées éclairantes peutdans utiliser ce type de pistolet, onles trouve les informations Sur la notice des fusées que l’onque peutl’on utiliser ce dans type de pistolet, on trouve informations suivantes : : Cartouche qui lance une fusée éclairante s’allumant 1,0 seconde après son départ du pistolet et suivantessuivantes : Cartouche quiéclaire lance uneune fusée éclairante s’allumant 1,0environ. seconde d’une façon intense pendant 6 secondes – Cartouche qui lance fusée éclairante s’allumant 1,0 secondeaprès aprèsson sondépart départdu dupistolet pistoletetet éclaire éclaire d’une façon intense pendant 6 secondes environ. Masse de lapendant fusée éclairante : mf =environ. 58 g. d’une façon intense 6 secondes Masse de la fusée éclairante : m = 58 g. f – Masse de la fusée éclairante : m = 58 g. f On se place dans le référentiel terrestre supposé galiléen. −2 On seLe place dans le référentiel terrestre supposé galiléen. champ de pesanteur terrestre est considéré On se place dans le référentiel terrestre supposé galiléen.uniforme, de valeur g = 9,8 m.s . On négligera toutes les dues à l’air ainsi la perte de masse de9,8 pendant qu’elle brille et Lede champ de pesanteur terrestre est considéré uniforme, de m · s−2 . Le champ pesanteur terrestre estactions considéré uniforme, deque valeur g =valeur 9,8 m.sg−2= . la fusée on considèrera cette dernière comme un objet ponctuel. On négligera lesdues actions dues à l’air que de la perte dede masse de la fusée pendant qu’elle On négligera toutes lestoutes actions à l’air ainsi queainsi la perte masse la fusée pendant qu’elle brille et brille et On définit un repère (O, i , j ) avec O au niveau du sol et tel que la position initiale de la fusée éclairante à on considèrera cette comme dernièreuncomme un objet ponctuel. on considèrera cette dernière objet ponctuel. la sortie du pistolet soit à une hauteur h = 1,8 m. Le vecteur vitesse initiale v 0 est dans le plan (O,x,y) ; Ox #» #» On définitOn undéfinit repère (O, , ) avec O au niveau duniveau sol et tel la tel position de initiale la fuséede éclairante à i j un repère (O, ı , ) avec O au duque sol et que lainitiale position la fusée éclairante est horizontal et Oy est vertical et orienté vers le haut. #» sortie du soit à une h= 1,8 m.vitesse Le vecteur vitesse initiale est dans le plan la sortie àdulapistolet soitpistolet à une hauteur h =hauteur 1,8 m. Le vecteur initiale dans vle0 plan (O,x,y) ; Ox (O,x,y) ; v 0 est V Ox est horizontal et Oy est vertical et orienté vers le haut. 0 y est horizontal et Oy est vertical et orienté vers le haut. À l’instant t = 0 s, le vecteur vitesse de la fusée éclairante fait un angle α égal à 55 y° avec l’axe Ox et sa valeur est v0 = 50 m.s−1. On pourra se référer au schéma ciÀ l’instant contre.t = 0 s, le vecteur vitesse de la fusée éclairante fait un angle α À l’instant t = 0 s, ◦le vecteur vitesse de la fusée éclairante fait −1 un angle α égal à 55 ° égal à 55 avec l’axe Ox et sa valeur est v0 = 50 m · s . avec l’axe Ox et sa valeur est v0 = 50 m.s−1. On pourra se référer au schéma ciOn pourra se référer au schéma ci-contre. contre. V0 α j α O i h x h j x O RENDRE AVEC LA COPIE et tracer qualitativement l’allure de la trajectoire suivie pari la fusée éclairante 1.1. Représenter le vecteur champ de pesanteur g sur le schéma donné en figure 1 de l’ANNEXE À dans ce champ de pesanteur. 1.1. Représenter le vecteurle champ pesanteur figureen 1 figure de l’ANNEXE À g sur le #» (a) Représenter vecteurdechamp de pesanteur gschéma sur le donné schémaendonné 1 de l’ANNEXE À 1.2. En utilisant une loi de Newton que l’on énoncera, déterminer les coordonnées du vecteur accélération RENDRE AVEC COPIE et tracer de la trajectoire par la fusée éclaiRENDRE AVEC LA COPIE etLAtracer l’allure de la l’allure trajectoire suivie par la suivie fusée éclairante de la fusée éclairante : ax(t)qualitativement suivant x et aqualitativement y(t) suivant y. dans ce champ de pesanteur. rante dans ce champ de pesanteur. 1.3. En déduire les expressions des coordonnées vx(t) et vy(t) du vecteur vitesse de la fusée éclairante et (b) En utilisant deque Newton que l’onduénoncera, déterminer coordonnées du vecteur accélération montrer lesloiéquations mouvement la les fusée s’écrivent x(t)accélération = v0.cos(α).t et 1.2. En utilisant une loique deune Newton l’onhoraires énoncera, déterminer lesdecoordonnées du vecteur g: a2x(t) de la fusée éclairante suivant x: et suivant xy.et a y (t) suivant y. de la fusée éclairante a xa(t) y(t)suivant y(t) = − 2 t + v 0 . sin(α ).t + h avec t en seconde, v0 en mètre par seconde et x(t), y(t) et h en mètre. (c) Enles déduire les expressions des coordonnées v y (t) du vecteur vitesse la fusée et éclairante 1.3. En déduire expressions des coordonnées vx(t) et vyv(t) du et vecteur vitesse de la fuséede éclairante x (t) 1.4. Déterminer la valeur de la durée du vol de la fusée éclairante. montrer que leshoraires équations du mouvement de la s’écrivent fusée s’écrivent = v0 . cos(α).t et montrer que etles équations du horaires mouvement de la fusée x(t) = vx(t) et 0.cos(α).t g g 2 y(t) = − t 2 + v0 . sin(α).t + h avec t en seconde, v0 en mètre 2 et deux x(t), solutions y(t) et h en y(t) = − t + vOn α ).t 2+ hqu’une avec téquation en seconde, v0 en mètre x(t), h mètre. + y(t) bxpar +etc seconde = 0enadmet rappelle du second degrépar deseconde la formeet ax 0 . sin( 2 mètre. x = −b− ∆ et x = −b+ ∆ si ∆ = b 2 − 4ac est positif. 1 2 1.4. Déterminer la valeur durée de lade fusée éclairante. 2a de 2du a lavol (d) Déterminer la la valeur de durée vol de la fusée éclairante On 14PYSCOAS1 rappellepqu’une équation du second degré Série de la Sforme a x + b x + c = 0 admet deux Baccalauréat général – 2Session Page 2/10solutions pdegré + bx + 2014 c = 0 admet deux solutions On rappelle qu’une équation du second de la –forme ax 2 −b − ∆ −b + ∆ Physique-Chimie - Obligatoire si ∆ = b2 − 4ac est positif. − b − ∆ x 1 = − b + ∆ et x 2 = 2 x1 = et x2 = 2a si ∆ = b − 42a ac est positif. 2a 2a (e) Calculer l’altitude à partir de laquelle la fusée commence à éclairer puis l’altitude à laquelle elle s’arrête. 14PYSCOAS1 Baccalauréat général – Série S – Session 2014 Page 2/10 Ces valeurs paraissent-elles adaptées au but recherché ? Physique-Chimie - Obligatoire 1/6 BAC BLANC [ épreuve de physique – chimie ] 2. Pour aller plus loin Par souci de simplification, on ne considère que le système { pistolet + fusée} et on s’intéresse à sa quantité de mouvement. La masse du pistolet à vide est m p = 0,98 kg. (a) Exprimer la quantité de mouvement totale p#» du système { pistolet + fusée } avant que la fusée ne 0 quitte le pistolet puis montrer que celle-ci est équivalente au vecteur nul. (b) L’éjection de la fusée i. Que peut-on dire de la quantité de mouvement totale du système { pistolet + fusée} si l’on considère ce système comme un système isolé au cours de l’éjection de la fusée du pistolet ? ii. En déduire dans ce cas l’expression vectorielle de la vitesse v#» de recul du pistolet juste après p l’éjection de la fusée en fonction de la masse m p du pistolet, de la masse m f de la fusée et du vecteur vitesse initiale de la fusée v#»0 . iii. La valeur réelle de la vitesse est beaucoup plus faible que la valeur que l’on obtient à la question précédente. Pourquoi observe-t-on une telle différence ? Justifier la réponse. II CHIMIE 1 : Réaction suivie par spectrophotométrie La réaction étudiée est l’action des ions dichromate Cr2 O2– 7 sur l’acide oxalique C3 H2 O4 en milieu acide. ANNEXE. + L’équation de la réaction est la suivante : Cr2 O2– + 8 H + 3 C2 H2 O4 −→ 2 Cr3+ + 6 CO2 + 7 H2 O 7 Exercice n°2: DOC 1 Courbe d’absorbance d’une solution contenant des ions dicromate en fonction de la2- longueur d’onde Document n°1: Spectre d'absorption des ions Cr2O7 Document n°3: de la lumière utilisée. Variation de l’abso A Document n°2: Courbe d'étalonnage DOC 2 Courbe de l’absorbance en fonction de la concentration en ion dicromate. 1,6 3,00 1,4 2,50 2,00 1 A Absorbance 1,2 1,50 1,00 0,8 0,50 0,6 0,00 0,00E+0 0,4 2,00E-3 4,00E-3 6,00E-3 8,00E-3 c (mol/L) 0,2 0 1,00E-2 0 0,002 0,004 Document n°4: 0,006 0,008 concentration en mol/L 0,01 2– 3 CH 3 CH 2 OH 2 Cr 2 O 7 E.I. État à l'instant t n1 0,012 16 H + 3 CH 3 COOH n0 2/6 BAC BLANC [ épreuve de physique – chimie ] DOC 3 Courbe de l’absorbance en fonction du temps. 1,4 1,3 1,2 1,1 1 Absorbance 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 temps en min 1. Rappeler les définitions d’un oxydant, d’un réducteur et d’une réaction d’oxydoréduction. 3+ Justifier l’équation de la réaction à partir des couples rédox Cr2 O2– et CO2 /C2 H2 O4 . 7 /Cr 2. On suit l’évolution de la réaction par spectrophotométrie. (a) À quelle longueur d’onde faut-il se placer (DOC 1) pour déterminer le plus précisément possible la concentration des ions dichromate ? Justifier. (b) Justifier la couleur orangée de la solution. 3. À partir des documents (DOC 2) : (a) justifier l’utilité de ce graphe ; (b) déterminer l’équation A = f([Cr2 O2– 7 ]). 4. À t = 0 on réalise le mélange suivant : V1 = 10 mL d’acide oxalique à C1 = 0,40 mol · L−1 ; V2 = 10 mL d’une solution acidifiée de dichromate de potassium à C2 = 0,020 mol · L−1 . On agite et on place une partie du mélange dans une cuve dans un spectrophotomètre. On relève l’absorbance (DOC 3). Déduire de la courbe A = f(t) la représentation graphique de [Cr2 O2– 7 ] = f(t). 5. Dresser le tableau d’évolution du système. 6. Montrer que l’avancement x est relié à l’absorbance A par la formule : x = (0, 2 − A/6)10−3 . (a) Calculer x pour différentes valeurs et tracer la courbe x = f(t). (b) Trouver le réactif limitant et déterminer le temps de demi-réaction en supposant la réaction totale. 3/6 BAC BLANC III [ épreuve de physique – chimie ] CHIMIE 2 : Nettoyage chimique EXERCICE RÉSERVÉ AUX ÉLÈVES NE SUIVANT PAS LA SPÉCIALITÉ PHYSIQUE - CHIMIE On souhaite nettoyer des pièces de monnaie en utilisant du vinaigre blanc de degré 8◦ . Le vinaigre blanc est une solution d’acide éthanoïque de concentration molaire C0 et le degré de vinaigre est la masse d’acide éthanoïque contenue dans 100 grammes de vinaigre. Les pièces en argent et en or ne sont pas altérées par l’acide éthanoïque. Il en est de même pour le cuivre. En revanche, les acides réagissent sur les métaux comme le fer, le zinc, le nickel, l’aluminium et ils attaquent les oxydes métalliques. 1. Dessiner la formule développée de l’acide éthanoïque en justifiant la chaine carbonée et le groupe caractéristique représentés. 2. Écrire l’équation de la réaction chimique de l’acide éthanoïque avec l’eau. 3. On souhaite vérifier le degré d’acidité du vinaigre. Pour cela on dose VA = 10,0 mL de vinaigre dilué dix fois avec une solution d’hydroxyde de sodium de concentration CB = 0,100 mol · L−1 . On ajoute au vinaigre dilué quelques gouttes de phénolphtaléine. (a) Rédiger avec précision le protocole à mettre en œuvre pour diluer le vinaigre. (b) À quoi sert la phénolphtaléine ? (c) À l’équivalence, on obtient un volume d’hydroxyde de sodium ajouté VBeq = 13,3 mL. Le titrage effectué donne-t-il un résultat qui valide l’inscription sur l’étiquette du vinaigre blanc concernant le degré d’acidité ? On indiquera clairement la démarche utilisée. 4. Certaines pièces anciennes contenant du fer, de l’aluminium ou du nickel, il est préférable de ne pas les nettoyer avec du vinaigre. Donner l’une des raisons qui peuvent justifier ce conseil en appuyant votre affirmation par l’équation de la réaction chimique correspondante. Données : – Couples acide/base : acide éthanoïque / ion éthanoate ; ion oxonium / eau H3 O+ /H2 O – Couples oxydant-réducteur : Fe2+ /Fe ; Al3+ /Al ; Ni2+ /Ni – Densité du vinaigre : environ 1 – Masses molaires en g · mol−1 : carbone 12,0 ; hydrogène 1,0 ; oxygène 16,0 – Réaction entre un métal M et les ions H+ : M(s) + nH+ (aq) −→ Mn+ (aq) + n/2 H2 (g) – Réaction entre un oxyde métallique et les ions H+ : Mx Oy (s) + 2 yH+ (aq) −→ xMn+ (aq) + yH2 O avec n.x = 2 y IV CHIMIE 2 bis : Polluants des cours d’eau : le cuivre EXERCICE RÉSERVÉ AUX ÉLÈVES SUIVANT LA SPÉCIALITÉ PHYSIQUE - CHIMIE À la fois indispensables à la vie à faibles doses et toxiques à des doses plus fortes, les métaux sont d’origine naturelle, mais ils ne sont pas pour autant sans danger pour les êtres vivants. Le cuivre est par exemple utilisé pour ses propriétés biocides (fongicide, algicide). Historiquement, les métaux sont les premiers polluants connus. Leur rejet dans l’environnement est maintenant réglementé et contrôlé, mais comme ils ne se dégradent jamais, ils ont tendance à s’accumuler, c’est le cas du cuivre. Dans les zones agricoles, le cuivre provient de la contamination des eaux de ruissellement suite aux traitements effectués dans les vignes et sur les arbres fruitiers pour lutter contre les parasites comme par exemple le mildiou (bouillie bordelaise ou sulfate de cuivre). Dans les zones urbaines, il provient du ruissellement de eaux de pluie depuis les toitures et les routes. (http ://ge.ch/eau/media/eau/files/fichiers/documents/Publications/dt_le_cuivre.pdf) Résolution de problème On dispose d’un échantillon prélevé dans une station de traitement d’eau potable, de volume V = 200,0 mL. On l’appelle « la solution S ». La solution S, très peu concentrée en ions Cu2+ (aq), est pratiquement incolore. Pour déterminer la concentration des ions Cu2+ (aq), on décide de réaliser un titrage. L’objectif de cet exercice est de répondre de manière argumentée à la question : l’eau analysée est-elle potable ? Pour construire et développer votre argumentation, vous mobiliserez vos connaissances et vous vous aiderez des deux documents fournis et des données, et vous répondrez au préalable aux questions suivantes : 4/6 BAC BLANC [ épreuve de physique – chimie ] 1. Indiquer les deux couples oxydant/réducteur mis en jeu dans la réaction 2 en précisant pour chaque couple l’oxydant et le réducteur. 2. Quelle verrerie faut-il utiliser pour prélever les 200,0 mL de solution S ? Justifier le choix. 3. Quelle est l’espèce chimique présente dans le bécher, responsable de la coloration brune de la solution ? Justifier. 4. Réaliser des schémas annotés des montages utilisés lors des deux manipulations décrites dans le protocole (document 2). Données : – masse molaire du cuivre M = 63,5 g · mol−1 ; −3 – concentration en ions thiosulfate de la solution titrante : [S2 O2– mol · L−1 ; 3 ] = 1,00 × 10 – volume de thiosulfate de potassium versé à l’équivalence : VE = 12,0 mL. Document 1 : Principe du titrage On fait réagir les ions cuivre (II) de la solution à titrer avec des ions iodure introduits en très large excès. Il se forme du diiode et des ions complexes diiodocuprate CuI2 −(aq). L’équation de la réaction modélisant cette transformation supposée totale s’écrit : 2 Cu2+ (aq) + 6 I– (aq) −→ I2 (aq) + 2 CuI2 −(aq) (réaction 1) Le diiode formé est titré à l’aide d’une solution de thiosulfate de sodium de concentration bien déterminée. L’équation de la réaction modélisant cette transformation, également supposée totale, s’écrit : 2– – I2 (aq) + 2 S2 O2– 3 (aq) −→ 2 I (aq) + S4 O6 (aq) (réaction 2) Document 2 : Protocole Verser 200,0 mL de solution S dans un bécher. Mettre un barreau aimanté (turbulent) puis placer le bécher sur l’agitateur magnétique. Ajouter à la spatule de l’iodure de potassium KI(s) tout en agitant doucement. La solution se teinte en brun et se trouble. Le trouble provient de la formation d’un précipité d’iodure de cuivre CuI(s). Continuer à ajouter lentement l’iodure de potassium jusqu’à disparition totale du précipité. La solution brune est alors limpide et prête à être titrée. On admet que l’ajout d’iodure de potassium se fait sans variation du volume de la solution. Réaliser le titrage de la solution S’ obtenue par une solution de thiosulfate de sodium (Na+ (aq)+S2 O2– 3 (aq)). Lorsque la solution S’ devient jaune pâle, ajouter quelques gouttes d’empois d’amidon (ou de thiodène) puis poursuivre le titrage goutte à goutte jusqu’à disparition complète de la coloration bleue. Document 3 : Normes françaises pour l’eau destinée à la consommation humaine La concentration massique en ions cuivre (II) de eau doit être inférieure à 2 g · L−1 . (https ://www.saurclient.fr/Fichier/FichierJoint/49_632464038530000000.pdf) 5/6 BAC BLANC [ épreuve de physique – chimie ] ANNEXE À RENDRE AGRAFÉE AVEC LA COPIE ANNEXE NOM : CLASSE : ANNEXE DE L’EXERCICE I Annexe pour la balistique y V0 α j h O x i Figure 1 : Trajectoire de la fusée éclairante Figure 1 : Trajectoire de la fusée éclairante ANNEXE DE L’EXERCICE III Annexe pour la cinétique 0,2 0,18 Propositions Réponses avancement en mmol 0,16 Si votre réponse s’appuie sur les données d’un ou de plusieurs documents, indiquer ici son (ou leur) numéro(s) 0,14 1. La hauteur de chaque saut vertical de la courbe d’intégration est proportionnelle au nombre de protons équivalents Vrai ! Faux ! 0,12 responsables du signal correspondant. 2. 0,1 Un groupe de protons équivalents (a) ayant pour voisins n protons (b) présente un signal de résonance sous forme d'un Vrai ! Faux ! multiplet 0,08 de (n+1) pics. 3.0,06 La substance n° 2 peut être de l’éthanol. Vrai ! Faux ! 4.0,04 La molécule d’acide 2-éthyl-3-méthylbutanoïque a pour OH représentation topologique : Vrai ! Faux ! 0,02 0 O 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 5. L’acide pyruvique présente 4 protons équivalents. temps en min Vrai ! Faux ! Figure 2 : Graphe de l’avancement en fonction du temps 14PYSCOAS1 Baccalauréat général – Série S – Session 2014 Physique-Chimie - Obligatoire Page 10/10 6/6