Série C - Sciences Physiques

SERIE : C  -  SESSION 2000

N.B. : Les Trois Exercices et le Problème sont obligatoires

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Exercice de Chimie                     (4 points)

On donne :    -   les masses atomiques molaires en g.mol ^– 1 : H = 1 ; C = 12 ; O = 16

                        -   log 2  0,30          ; log 3  0,48                        ; log 0,28  - 0,55

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On réalise l’oxydation ménagée d’un alcool de formule C_nH_2n+1OH par une solution de dichromate de potassium en excès en milieu acide. La réaction conduit à la formation d’un acide carboxylique de formule C_nH_2n-1OOH de masse molaire M = 88 g.mol ^– 1.

1.   Définir l’oxydation ménagée et écrire la réaction ionique globale de cette réaction d’oxydo-réduction.                                                                                                                                                                  (0,75 pt)

2.   a.-   Donner la formule moléculaire puis les formules semi-développées de cet alcool ainsi que leurs noms.                                                                                                                                                          (1,00 pt)

     b.-   Un des isomères possède un carbone asymétrique. Représenter en perspective ses deux énantiomères.                                                                                                                                                          (0,25 pt)

3.   On se propose de calculer expérimentalement la valeur du pK_A. Pour cela, on réalise différentes solutions en mélangeant un volume V_A d’acide éthanoïque à 10 ^-2 mol.L^– 1 avec un volume V_B d’éthanoate de sodium de même concentration. Les pH des mélanges sont les suivants :

     a.-   On admet que [OH ^- ]<<[H₃O⁺]<<[Na⁺]. Déterminer le rapport des concentrations des ions éthanoates et des molécules d’acide éthanoïque  en fonction de V_A et V_B.                                                                                                                                                          (0,25 pt)

     b.-   Tracer, dans le document 1, la courbe de variation du pH du mélange en fonction de log. En déduire la valeur du pK_A du couple (CH₃COOH/CH₃COO^-).                                                                                                                                                          (1,25 pt)

4. Quel volume de solution d’acide éthanoïque à 10 ^– 1 mol.L^– 1 faut-il verser dans 50 mL d’éthanoate de sodium à 2.10 ^– 1 mol.L^– 1 pour obtenir une solution tampon de pH = 4,2 ?                                                                                                                                                                 (0,5 pt)

 

 

Exercice de Physique 1                      (4 points)

On donne :    -   la masse du proton                                 :  m_p = 1,00728 u.m.a

                        -   la masse du neutron                               :  m_n = 1,00866 u.m.a

-   la masse du noyau d’uranium 235       :  m_x = 234,9934 u.m.a

-   le nombre d’Avogadro                            :  N  =  6,02.10²³ mol ^– 1

-         ln 2  0,7       ;           ln 1,16  0,15           ; 1 u.m.a =  931,5 MeV.c^-2

Sous l’action d’un neutron lent, un atome d’uranium  subit la réaction de fission nucléaire suivante :

             ¾®  .

1.      a.- Qu’appelle-t-on réaction de fission nucléaire ? Exprimer les lois de conservation.

Déterminer Z₁ et A₂.                                                                                                                                                          (0,75 pt)

b.- Donner la définition de l’unité de masse atomique (u.m.a).      (0,25 pt)

c.-  Calculer en MeV/nucléon, l’énergie de liaison par nucléon de .                                                                                                                                                          (0,75 pt)

2.      Il existe un autre isotope de l’uranium , radioactif b^- .

a.- Par deux désintégrations spontanées successives, il donne . Déterminer A₃ et Z₃.      (0,50 pt)

b.- Etablir la loi de désintégration radioactive.      (0,50 pt)

c.-  La première désintégration a pour période T₁ = 25 min. Soit N₀ le nombre initial de noyaux radioactifs. Calculer le nombre de noyaux restant au bout de 125 min en fonction de N₀.                                                                                                                                                          (0,25 pt)

3.      Le thorium 232 (période, 14 milliards d’années) est l’élément père d’une famille radioactive dont le dernier terme est le plomb 208. Les éléments intermédiaires sont tous de période négligeable. Dans les roches les plus anciennes de la terre, où le thorium et le plomb sont associés, on trouve un rapport moyen de 7 g de thorium pour 1 g de plomb. On admet que le nombre d’atomes de plomb formés est égal au nombre d’atomes de thorium désintégrés. Calculer l’âge de ces roches.                                                                                                                                                                (1,00 pt)

 

Exercice de Physique 2          (4 points)                   p² = 10

Un circuit électrique comprend en série :

- un conducteur ohmique de résistance R = 36 W

- une bobine d’inductance L = 0,10 H et de résistance négligeable

- un condensateur de capacité C = 6,0 µF.

On applique aux bornes du circuit électrique, une tension alternative sinusoïdale u (t) = Ucoswt de valeur efficace U = 1 V et de fréquence N variable. Il est parcouru par un courant d’intensité i (t) = I.cos(wt + j).

1.      Faire le schéma du circuit électrique en bien précisant les sens de u(t) et i(t).                                                                                                                                                                (0,25 pt)

2.      On fixe la fréquence N à 100 Hz.

a.- Calculer l’impédance Z du circuit .                                                                                                                                                          (0,75 pt)

b.- Construire le diagramme de Fresnel relatif aux tensions (Echelle : 1 cm pour 0,1 V).                                                                                                                                                          (0,75 pt)

c.-  Déterminer la phase i(t) sur u(t) et en déduire l’expression de l’intensité instantanée i (t).                                                                                                                                                          (0,50 pt)

3.      a.- On définit la puissance instantanée par : p (t) = U.I [cos(2wt + j)+cosj].

Que représente le produit U.I et cos j ?                                                                                                                                                          (0,25 pt)

b.- En déduire l’expression de la puissance moyenne consommée P et calculer sa valeur.                                                                                                                                                          (0,25 pt)

c.-  Pour quelles fréquences, la puissance moyenne consommée est-elle la moitié de celle absorbée à la résonance ?                                                                                                                                                          (0,25 pt)

4.      A la résonance, LC = 1 et la somme W des énergies emmagasinées par le condensateur et par la bobine est égale à LI².

a.- Faire le rapport entre W et W_J l’énergie dissipée par effet Joule pendant chaque période et exprimer ce rapport en fonction du facteur de qualité Q du circuit.                                                                                                                                                          (0,25 pt)

b.- Calculer Q.                                                                                                                                                          (0,75 pt)

 

Problème de Physique            (8 points)

Les parties A et B sont indépendantes.

Dans tout le problème, on négligera les forces de frottement et on prendra g = 10 ms ^-2.

On rappelle que dans le cas des petites oscillations : sin q  tan q  q  et cos q  1 - .

A.-      On considère le système S constitué par 3 tiges OA = OB = b = 20 cm et OC = 2b de masses négligeables (figure n° 1, document 2). Les trois tiges font entre elles un angle de 120°. On fixe en A , B et C, trois solides ponctuels de masses respectives m, m et 2m. Le système (S) est maintenant mobile autour d’un axe (D) horizontal, perpendiculaire à son plan et passant par le point O.

1.      a.- Montrer que la position du centre d’inertie est définie par OG = b.                                                                                                                                                          (0,25 pt)

b.- Déterminer le moment d’inertie J/_D du pendule pesant ainsi constitué par rapport à l’axe (D).                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    (0,25 pt)

2.      On écarte le système (S) d’un angle q_m = 0,18 rad petit à partir de sa position d’équilibre, puis on l’abandonne sans vitesse initiale à l’instant  t = 0s.

a.- A l’instant t, le système (S) est repéré par son abscisse angulaire q à partir de sa position d’équilibre, et par sa vitesse angulaire q ’. Ecrire l’expression de l’énergie mécanique du système {S + Terre} à l’instant t en fonction de m, g, b, q et q ’. (On prend l’énergie potentielle de pesanteur nulle à la position la plus basse de G).                                                                                                                                                          (1,25 pt)

b.- Etablir l’équation différentielle régissant le mouvement du système (S).

      Calculer sa période. Ecrire l’équation horaire de son mouvement.                                                                                                                                                          (0,75 pt)

c.-  Retrouver l’équation différentielle en utilisant le théorème de l’accélération angulaire.                                                                                                                                                          (1,00 pt)

3.      Une demi-sphère creuse, d’épaisseur négligeable, de centre O et de rayon c = 80 cm, repose par son sommet S sur un plan horizontal (Figure n° 2, document 2). Elle est maintenue fixe dans cette position. Le solide ponctuel A de masse m = 10 g peut glisser sans frottement sur la face interne de la demi-sphère. On désigne par M sa position et par a l’angle (OS, OM).

            Soit I la projection de M sur le plan horizontal. On communique au solide ponctuel A à partir d’une position initiale M, une vitesse V tangente horizontalement à la demi-sphère de module V tel qu’il décrive d’un mouvement uniforme, un cercle horizontal passant par ce point M sur la face interne de la demi-sphère.

a.- Représenter sur la figure n° 2, document 2, les forces qui s’exercent sur le solide ponctuel A ainsi que l’accélération de la normale a_N.                                                                                                                                                          (0,25 pt)

b.- Etablir l’expression du module de la vitesse V en fonction de g et c pour la position M tel que SI = .       (0,50 pt)

c.-  Calculer V et le module de la réaction R exercée par la demi-sphère sur le solide ponctuel A.                                                                                                                                                          (0,50 pt)

B.-      On considère un circuit AOCD constitué par deux rails parallèles AO et DC reliés aux bornes d’un générateur de f.e.m E ’ constante et la tige métallique OC de masse 2m et de longueur 2b (figure n° 3, document 2). La résistance de l’ensemble est R, supposée constante. L’ensemble est plongé dans un champ magnétique uniforme d’induction, B, perpendiculaire au plan des rails. On déplace la tige OC vers la droite, avec une vitesse constante, V, parallèle à AO et CD.

1.      a.- Expliquer pourquoi il apparaît un courant induit i dans le circuit ?

Représenter sur la tige conductrice OC (figure n° 3, Document 2) les sens du courant induit i et du courant principal I.                                                                                                                                                          (0,25 pt)

b.- Exprimer le courant induit i en fonction de B, b, V et R.                                                                                                                                                          (0,50 pt)

c.-  Exprimer le courant qui parcourt la tige conductrice OC en fonction de E ’, B, b, V et R.                                                                                                                                                          (0,50 pt)

2.      En utilisant le théorème du centre d’inertie, établir l’équation différentielle en V régissant le mouvement de la tige conductrice OC.      (1,25 pt)

3.      Résoudre cette équation différentielle et en déduire l’expression de la vitesse limite V_l .      (0,75 pt)