sujet du bac s physique-chimie obligatoire 2017
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BACCALAURĂAT GĂNĂRAL
Session 2017
PHYSIQUE-CHIMIE
SĂ©rie S
Enseignement Obligatoire
DurĂ©e de lâĂ©preuve : 3 heures 30 â Coefficient : 6
Lâusage des calculatrices est autorisĂ©.
Ce sujet ne nécessite pas de feuille de papier millimétré.
Ce sujet comporte 13 pages numérotées de 1/13 à 13/13.
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EXERCICE I : PERFORMANCE DES MATĂRIAUX DE CONSTRUCTION (7 points)
Construire des immeubles de grande hauteur en bois est dĂ©sormais possible. JusquâĂ prĂ©sent, le bois assurait les ossatures et les charpentes des maisons individuelles. Les techniques de lamellĂ© collĂ© consistant Ă coller entre elles des lames de bois permettaient la construction dâimmeubles collectifs de quatre Ă©tages. Depuis quelques annĂ©es, il est possible de construire des immeubles dâune quinzaine dâĂ©tages grĂące Ă la fabrication de panneaux porteurs par la technique de « cross laminated timber » (CLT).
DâaprĂšs le site www.sciencesetavenir.fr
Données :
La rĂ©sistance thermique Rth dâune paroi se dĂ©termine par la relation :
Rth =e
ĂS
λ : conductivité thermique du matériau en W.m-1.K-1 ; e : épaisseur de la paroi en m ; S : surface de la paroi en m2.
Dans le cas d'une paroi formée de plusieurs couches de matériaux différents, la résistance thermique totale est la somme des résistances des différentes couches.
Le flux thermique , exprimĂ© en watt (W), est une grandeur positive qui reprĂ©sente lâĂ©nergie transfĂ©rĂ©e Ă travers une paroi par unitĂ© de temps.
Pour une paroi plane dont les deux faces sont Ă des tempĂ©ratures T1 et T2, le flux thermique sâexprime par la relation :
= T1 â T2
Rth oĂč T1 et T2 sont exprimĂ©es en kelvin (K).
Conductivité thermique de divers matériaux :
Dimensions dâun panneau CLT en Ă©picĂ©a : longueur : 6,0 m largeur : 3,0 m
épaisseur : 20 cm Les 3 parties de cet exercice sont indépendantes.
MatĂ©riau ĂpicĂ©a BĂ©ton armĂ© Verre Air Argon
Conductivité thermique en W.m-1.K-1
0,11 2,2 1,2 0,026 0,018
DâaprĂšs le site
ddmagazine.com
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1. Performance thermique de lâimmeuble.
1.1. RĂ©sistance thermique du panneau CLT en Ă©picĂ©a. 1.1.1. DĂ©terminer lâunitĂ© de la rĂ©sistance thermique.
1.1.2. Déterminer la valeur de la résistance thermique du panneau CLT en
épicéa.
1.1.3. DĂ©terminer lâĂ©paisseur de bĂ©ton armĂ© nĂ©cessaire pour obtenir une paroi de mĂȘme surface que le panneau CLT et ayant les mĂȘmes performances thermiques. Commenter le rĂ©sultat.
1.2. Les fenĂȘtres en bois de lâimmeuble sont constituĂ©es dâun double vitrage composĂ© de deux feuilles de verre de 4,0 mm dâĂ©paisseur sĂ©parĂ©es par un espace hermĂ©tique clos renfermant 12,0 mm d'air. On Ă©tudie une fenĂȘtre de surface S = 4,0 mÂČ.
RĂšglementation en vigueur : Le coefficient de transmission thermique U dâun vitrage doit ĂȘtre infĂ©rieur Ă un niveau maximal rĂ©glementaire de 2 W.m-2.K-1. Le coefficient de transmission thermique U d'une paroi homogĂšne multicouche est lâĂ©nergie thermique qui traverse cette paroi en rĂ©gime permanent, par unitĂ© de temps, par unitĂ© de surface et pour une diffĂ©rence de tempĂ©rature de 1° C entre la face interne et la face externe.
1.2.1. Citer le mode de transfert dâĂ©nergie prĂ©pondĂ©rant Ă travers le vitrage.
En donner une interprétation microscopique.
1.2.2. DĂ©terminer la valeur du flux thermique traversant la fenĂȘtre en double vitrage pour un Ă©cart de tempĂ©rature de 10° C entre lâintĂ©rieur et lâextĂ©rieur du bĂątiment.
1.2.3. En supposant que seul le mode de transfert dâĂ©nergie prĂ©pondĂ©rant intervient, peut-on dire que ce vitrage respecte la rĂšglementation ? Justifier.
1.2.4. Proposer, en justifiant, deux solutions pour améliorer les performances
thermiques de ce vitrage.
2. Performance acoustique de lâimmeuble. Les parois vitrĂ©es sont Ă©galement des isolants acoustiques, dont la performance est caractĂ©risĂ©e par une grandeur appelĂ©e attĂ©nuation acoustique (en dB).
Verre 4,0 mm
Air 12,0 mm
Verre 4,0 mm
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Pour lâĂ©tude mĂ©canique dâun double vitrage, lâair entre les deux parois peut ĂȘtre modĂ©lisĂ© par un ressort. Les vibrations de la paroi 1, dues Ă lâexcitation provoquĂ©e par une onde acoustique, sont ainsi transmises Ă la paroi 2 avec un affaiblissement causĂ©e par la lame dâair qui les sĂ©pare. A une certaine frĂ©quence critique dâexcitation, correspondant Ă la frĂ©quence de rĂ©sonance du systĂšme, les vibrations sont mieux transmises et lâattĂ©nuation acoustique diminue. Dans ce modĂšle, la frĂ©quence critique fc pour un double vitrage, exprimĂ©e en Hz, est donnĂ©e par :
fc= 60 Ăâ 1
d(
1
mS1
+1
mS2
)
d : distance entre les deux parois (en m). mS1 et mS2 : masses surfaciques des parois de verre 1 et 2 (en kg.m-2) ; la masse surfacique est dĂ©finie comme Ă©tant le rapport de la masse de la vitre sur sa surface. Les doubles vitrages sont caractĂ©risĂ©s par trois nombres qui correspondent aux Ă©paisseurs exprimĂ©es en millimĂštres de la premiĂšre feuille de verre, de la couche dâair et de la derniĂšre feuille de verre. Le double vitrage Ă©tudiĂ© dans la partie prĂ©cĂ©dente est identifiĂ© par 4-12-4. Quand la vitre est un simple vitrage, un seul nombre est donnĂ©, câest lâĂ©paisseur de la vitre en millimĂštres.
2.1. Pour une vitre dâĂ©paisseur e, la masse surfacique mS sâexprime en fonction
de la masse volumique et de e par la relation : mS = .e. VĂ©rifier, par analyse dimensionnelle, que cette relation est correcte.
2.2. Calculer la valeur de la frĂ©quence critique pour le double vitrage 4-12-4 de surface S = 4,0 m2, sachant que la masse volumique Ï du verre est Ă©gale Ă 2500 kg.m-3. Le rĂ©sultat obtenu est-il cohĂ©rent avec les courbes donnant lâattĂ©nuation acoustique de diffĂ©rents vitrages en fonction de la frĂ©quence, reproduits ci-aprĂšs ?
Graphique a
Paroi 1 Paroi 2
ressort
d
Atté
nuatio
n a
co
ustiq
ue (
dB
)
Fréquence (Hz)
1
00
125
1
60
2
00
2
50
3
15
4
00
5
00
6
30
8
00
10
00
12
00
16
00
20
00
25
00
31
50
55 50 45 40 35 30 25 20 15
Verre 4
Verre 4-12-4
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2.3. Le double vitrage prĂ©sente-t-il un intĂ©rĂȘt par rapport au simple vitrage du point de vue de lâisolation acoustique ? Justifier.
2.4. Comment les fabricants peuvent-ils modifier le double vitrage pour améliorer ses propriétés acoustiques ?
3. ContrĂŽle de la qualitĂ© dâisolation thermique dâun immeuble. Le diagnostic thermique dâun bĂątiment peut ĂȘtre rĂ©alisĂ© par thermographie infrarouge. Le capteur dâune camĂ©ra infrarouge gĂ©nĂšre une tension Ă©lectrique proportionnelle Ă lâintensitĂ© du rayonnement quâil reçoit du bĂątiment. Le signal est numĂ©risĂ©, puis transformĂ© en points lumineux sur un Ă©cran Ă lâaide dâun calculateur. La couleur de chaque pixel de lâimage dĂ©pend de la tempĂ©rature de chaque point de lâobjet. En thermographie infrarouge, on travaille gĂ©nĂ©ralement dans une bande spectrale qui sâĂ©tend de 2 Ă 15 ”m et certaines bandes sont privilĂ©giĂ©es.
Extrait de la notice technique de la camĂ©ra C.A 1886 RayCAm : - Taille dâune image en pixels : 160 x 120 - SensibilitĂ© thermique : 0,08 ° C Ă 30 ° C - Gamme de mesure : - 20 ° C Ă + 600 ° C (1000 ° C ou 1500 ° C en option) - 1000 images enregistrables sur carte MiniSD - Torche et pointeur Laser
DâaprĂšs le site www.ctta.fr
Fréquence (Hz)
Atté
nuatio
n a
co
ustiq
ue (
dB
)
1
00
125
1
60
2
00
2
50
3
15
4
00
5
00
6
30
8
00
10
00
12
00
16
00
20
00
25
00
31
50
40
00
50
00
Graphique b 55 50 45 40 35 30 25 20 15
Verre 8-12-4
Verre 4-12-4
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Transmission des ondes Ă©lectromagnĂ©tiques par lâatmosphĂšre terrestre :
3.1. Identifier lâintervalle de longueur dâonde dans lequel il est prĂ©fĂ©rable dâutiliser
la caméra thermique. Justifier.
3.2. Quel type de convertisseur doit-on placer entre le capteur et le calculateur qui gĂ©nĂšre lâimage ?
3.3. Sachant quâun pixel est codĂ© en 24 bits, quelle serait la capacitĂ© minimale, en
octets, de la carte MiniSD en lâabsence de compression ?
Longueur dâonde en ”m
Facteur de transmission atmosphérique
100 %
0 %
2 5 8 14
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EXERCICE II : LA CHIMIE DU MIEL (8 points)
Le miel est un mĂ©lange de composition complexe. Il est constituĂ© principalement de sucres, dont le fructose et le glucose, dâeau, ainsi que dâautres substances, telles que des acides organiques, des enzymes et des particules solides provenant de sa rĂ©colte.
1. Le miel : un composĂ© riche en sucres. Lorsque les abeilles ouvriĂšres rapportent le nectar Ă la ruche, elles le transmettent Ă des receveuses par trophallaxie (bouche-Ă -bouche). Celles-ci le font alors transiter plusieurs fois entre leur bouche et leur jabot (petite poche servant de rĂ©servoir Ă nectar) puis le donnent Ă dâautres receveuses et ainsi de suite. Sous lâeffet de lâinvertase, une enzyme prĂ©sente dans le jabot des abeilles, les sucres sont lentement modifiĂ©s : le saccharose est hydrolysĂ© en fructose et glucose. Le nectar se transforme ainsi en miel.
DâaprĂšs le site www.insectes.org
Données :
EspĂšce chimique
Saccharose D-glucose D-fructose Eau
Masse molaire 342 g.mol-1 180 g.mol-1 180 g.mol-1 18 g.mol-1
Représentation topologique
Masse volumique de lâeau : Ï = 1,0 g.mL-1 ; SolubilitĂ© du saccharose dans lâeau Ă 20° C : 2,0 kg.L-1 environ.
1.1. Molécules de glucose et de fructose. 1.1.1. Déterminer les formules brutes du D-glucose et du D-fructose.
1.1.2. Quels sont les points communs entre ces deux molécules ? Quelles
sont les différences ? En déduire la relation qui les lie.
1.2. Lâhydrolyse du saccharose Sous lâeffet de lâinvertase, le saccharose de formule brute est C12H22O11 se transforme en glucose et en fructose dans le jabot des abeilles. 1.2.1. ModĂ©liser, Ă lâaide des formules brutes, la transformation par une
Ă©quation chimique. VĂ©rifier quâil sâagit bien dâune hydrolyse.
1.2.2. Lâinvertase est le catalyseur de la rĂ©action dâhydrolyse du saccharose. Citer les diffĂ©rents types de catalyse. Quel type de catalyse est mis en Ćuvre pour cette hydrolyse dans le jabot des abeilles ?
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1.2.3. Les abeilles nâhibernent pas, elles hivernent. Bien que leur activitĂ© soit ralentie, elles sâalimentent en consommant le miel stockĂ© dans la ruche. Quand le stock est insuffisant, il faut les nourrir avec des sirops dont la composition est proche de celle dâun miel. Un apiculteur amateur prĂ©pare un « sirop lĂ©ger » par dissolution de 0,50 kg de saccharose dans 1,0 L dâeau Ă 20 ° C et lâintroduit dans une ruche. DĂ©terminer la masse de glucose qui sera disponible pour les abeilles lorsquâelles auront consommĂ© le sirop, lâhydrolyse du saccharose Ă©tant considĂ©rĂ©e comme une rĂ©action totale.
1.3. Le glucose est susceptible de fermenter : des microorganismes (levures)
produisent une enzyme la zymase qui, par des rĂ©actions complexes, conduit le glucose Ă se dĂ©composer. Cette dĂ©composition est modĂ©lisĂ©e par lâĂ©quation suivante :
Glucose 2 C2H6O + 2 CO2
Le spectre RMN du proton, reproduit ci-dessous, est celui du produit C2H6O formé par fermentation. Donner la formule semi-développée de ce produit. Justifier votre démarche.
(ppm)
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2. Les propriétés antiseptiques du miel.
Plusieurs acides entrent dans la composition dâun miel. Lâacide majoritaire dans le miel est lâacide gluconique, dont la formule est donnĂ©e ci-contre. Il provient de la transformation du glucose sous lâaction dâune bactĂ©rie appelĂ©e gluconobacter. La plupart des miels possĂšdent un pH compris entre 3,2 et 5,5. De nombreux microorganismes pathogĂšnes (susceptibles de provoquer une maladie ou une infection) ne peuvent croĂźtre que si le pH est compris entre 7,2 et 7,4 ; le miel est donc un antiseptique et peut ĂȘtre utilisĂ© pour soigner une plaie. DonnĂ©e : Constante dâaciditĂ© du couple acide gluconique / ion gluconate en solution aqueuse Ă 25° C : pKa = 3,3.
2.1. Indiquer la catégorie de réaction correspondant à la transformation du glucose en acide gluconique.
2.2. Ăcrire la formule de lâion gluconate en expliquant votre dĂ©marche, lâacide
gluconique étant considéré comme un monoacide.
2.3. Quelle est lâespĂšce prĂ©dominante dans le miel lorsque le pH est compris entre 7,2 et 7,4 ? Justifier.
3. LâaciditĂ© libre dâun miel. Un pH trop faible rĂ©vĂšle une dĂ©gradation biochimique suite Ă de mauvaises conditions de rĂ©colte ou de conservation. Parmi les paramĂštres spĂ©cifiques relatifs Ă la composition du miel, lâaciditĂ© libre constitue un critĂšre important de qualitĂ©. La teneur en aciditĂ© libre dans un miel est donnĂ©e en milliĂ©quivalents par kg (meq.kgâ1). Elle correspond Ă la quantitĂ© dâions hydroxyde en millimoles quâil faudrait introduire pour amener 1 kg de miel Ă pH Ă©gal Ă 7. Les normes europĂ©ennes tolĂšrent une aciditĂ© libre maximale de 40 meq.kg-1. Protocole pour dĂ©terminer lâaciditĂ© libre du miel : âą PrĂ©parer une solution du miel Ă tester en dissolvant dans lâeau distillĂ©e 6,0 g de miel pour 50,0 mL de solution. âą Ajouter progressivement une solution dâhydroxyde de sodium de concentration Cb = 1,00 Ă 10-2 mol.L-1, en suivant lâĂ©volution du pH. âą Tracer la courbe pH = f(Vb), Vb Ă©tant le volume de solution dâhydroxyde de sodium versĂ©.
Acide gluconique
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La courbe obtenue pour le titrage de lâaciditĂ© libre du miel analysĂ© est reprĂ©sentĂ©e ci-dessous.
3.1. Rédiger le protocole de préparation des 50,0 mL de solution de miel en précisant la verrerie nécessaire.
3.2. Le miel testé respecte-t-il la réglementation européenne ?
Le candidat est invitĂ© Ă prendre des initiatives et Ă prĂ©senter la dĂ©marche suivie mĂȘme si elle nâa pas abouti. La dĂ©marche suivie est Ă©valuĂ©e et nĂ©cessite d'ĂȘtre correctement prĂ©sentĂ©e.
0
2
4
6
8
10
12
0 5 10 15 20 25 30 Vb (mL)
pH
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EXERCICE III : GRANULOMĂTRIE DâUNE POUDRE (5 points)
La granulomĂ©trie est l'Ă©tude de la taille et de la forme des grains dans les poudres. Une analyse granulomĂ©trique peut ĂȘtre rĂ©alisĂ©e selon diffĂ©rents procĂ©dĂ©s tels que le tamisage, lâobservation avec un microscope ou lâutilisation dâun LASER. Cette derniĂšre technique est lâobjet de lâexercice. DonnĂ©es : Constante de Planck : h = 6,63 Ă 10-34 J.s ; CĂ©lĂ©ritĂ© de la lumiĂšre dans le vide : c = 3,00 Ă 108 m.s-1 ; 1 eV = 1,60 Ă 10-19 J. 1. Le LASER HĂ©lium NĂ©on. Le LASER HĂ©lium NĂ©on est un laser Ă gaz. Un milieu amplificateur constituĂ© dâun mĂ©lange gazeux dâhĂ©lium et de nĂ©on est enfermĂ© dans un tube en verre Ă faible pression. Les atomes dâhĂ©lium sont excitĂ©s par une dĂ©charge Ă©lectrique puis cĂšdent leur Ă©nergie aux atomes de nĂ©on par collision. Ces derniers se retrouvent dans un Ă©tat excitĂ© dâĂ©nergie E2. Une Ă©mission de lumiĂšre visible se produit lors de la dĂ©sexcitation des atomes de nĂ©on et leur retour Ă un niveau dâĂ©nergie E1 comme indiquĂ© sur le schĂ©ma ci-dessous.
1.1. Citer deux propriĂ©tĂ©s dâun faisceau laser.
1.2. Expliquer pourquoi on dit que lâĂ©mission de lumiĂšre par le LASER est « stimulĂ©e ». Quel est lâintĂ©rĂȘt dâapporter de lâĂ©nergie Ă©lectrique au milieu ?
1.3. Ă quel domaine spectral appartient la radiation Ă©mise lors de la transition
entre les deux niveaux dâĂ©nergie du nĂ©on ?
E (eV)
HĂ©lium
(1)
E (eV)
NĂ©on
(2) E2 = 20,66 eV
E1 = 18,70 eV Transfert dâĂ©nergie
par collision
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2. GranulomĂ©trie Ă lâĂ©chelle industrielle Pour simuler la granulomĂ©trie industrielle, une expĂ©rience est rĂ©alisĂ©e en laboratoire. Dans cette simulation, une fente de largeur a se comporte comme une particule de diamĂštre a. Comme indiquĂ© sur le schĂ©ma ci-dessous, Ă quelques centimĂštres du LASER de
longueur dâonde = 532 nm, on place la fente de largeur a. Les observations sont faites sur un Ă©cran blanc situĂ© Ă une distance D = 2,00 m de la fente. Un logiciel de traitement dâimages est utilisĂ© pour Ă©tudier les variations dâintensitĂ© lumineuse observĂ©es sur lâĂ©cran.
Variation relative de lâintensitĂ© lumineuse relative I Imaxâ
I et Imax sont respectivement les intensitĂ©s lumineuses observĂ©es sur lâĂ©cran en un point quelconque et au point central.
x (mm) -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
IImax
â
D
d
Fente de largeur réglable a
O
x
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2.1. Quel est le nom du phénomÚne observé dans cette expérience ?
2.2. AprĂšs avoir Ă©tabli lâexpression de la demi-largeur d de la tache centrale, dĂ©terminer la largeur a de la fente dans lâexpĂ©rience rĂ©alisĂ©e en laboratoire.
Donnée :
tanΞ Ξ dans lâapproximation des petits angles, Ξ sâexprimant en radians.
Un industriel dispose de deux sucres A et B. Pour fabriquer du « sucre glace » lâindustriel retient celui qui contient le moins de grosses particules. On appelle grosse particule, toute particule dont le diamĂštre est supĂ©rieur Ă 0,110 mm. AprĂšs avoir rĂ©alisĂ© une analyse granulomĂ©trique sur deux Ă©chantillons de mĂȘme masse, un logiciel permet de rĂ©aliser la courbe suivante :
2.3. Quel sucre, A ou B, aura la qualification « sucre glace »? Justifier.
1 10 100 1000
Ă10ÂČ particules
DiamÚtre des grains en ”m
Sucre B
Sucre A
6 5 4 3
2 1 0