Corrigé du devoir maison de sciences physiques

1^ere S

Corrigé du devoir maison de sciences physiques

Exercice 1 : Embarquons à bord du Charles De Gaule 1-1) Bilan des forces :

Référentiel : terrestre (supposé galiléen) Système : le porte avions

Bilan des forces : - le poids P

- la poussée d'Archimède P_A - la force de frottement f

- la force de propulsion du navire F

1-2) Relation vectorielle entre les forces :

Sachant que le porte-avions a un mouvement rectiligne uniforme, on en déduit d'après la première loi de Newton (ou principe d'inertie) que la résultante des force est nulle, soit :

P + P_A + f + F = 0 1-3) Valeur de la poussée d'Archimède :

On sait que P + P_A + f + F = 0

De plus les caractéristiques de ces forces font que P + P_A = 0 et f + F = 0 On en déduit donc que P = - P_A

Et donc PA = P = M×g AN : PA = 42,0×10⁶ × 9,81

PA = 4,12×10⁸ N

1-4) Énergie cinétique du porte-avions : On sait que EC = ¹

2 × M × v² avec m = 42,0×10⁶ kg.

Et v= 27 noeuds = 27,0 × 1,85 = 50,0 km.h^-1 = 13,9 m.s^-1 AN : EC = ¹₂ × 42,0×10⁶ × 13,9²

EC = 4,06×10⁹ J = 4,06 GJ 1-5) Forces qui travaillent ?

Les forces f et F travaillent car leur point d'application se déplace et leur direction n'est pas perpendiculaire à celle du mouvement de leur point d'application.

Au contraire les forces P et P ne travaillent pas car leur direction est perpendiculaire à la F

P f

P_A

1-6) Travail de la force de frottement :

Théorème de l'énergie cinétique : ΔEC = Σ W(Fext)

Donc on a : Ecfinale – Ecinitiale = W(f) + W(F) (les forces P et P_A ne travaillent pas).

De plus la vitesse du navire étant constante au cours du déplacement, la variation d'énergie cinétique est nulle soit ΔEC = Ecfinale – Ecinitiale = 0

Et donc W(f) + W(F) = 0 Soit W(f) = - W(F)

Or on sait que W(F) = PF × Δt ou PF est la puissance de la force de traction, donc la puissance du navire

Donc on obtient : W(f) = - PF × Δt

W(f) = - 56,0×10⁶ × 3600 W(f) = -2,02×10¹¹ J = - 202 GJ 1-7) Travail moteur ou résistant ?

Le travail de la force de frottement est résistant car sa valeur est négatif. Ce résultat est cohérent car ce travail représente les pertes énergétiques du porte-avions au cours de son déplacement du fait des frottements (dissipation d'énergie par frottement).

2-1) Avion à réaction ?

On appelle avion « à réaction » tous les avions dont la propulsion est assurée par l'éjection d'importantes quantités de gaz. En effet, ce type de propulsion est basé sur le principe de la 3e loi de Newton, parfois appelé principe d'action et de la réaction, d'où le nom de ce type d'avion.

2-2) Énergie cinétique que doit fournir la catapulte à l'avion :

La catapulte doit fournir une quantité d'énergie cinétique telle que l'avion atteigne la vitesse de 260 km.h^-1 afin qu'il puisse décoller.

Soit EC = 1

2 × m × v² avec v = 260 km.h^-1 = 72,2 m.s^-1 EC = 1

2 × 23,7×10³ × 72,2² EC = 6,18×10⁷ J = 61,8 MJ

3-1) Énergie potentielle de pesanteur de la bombe au largage :

La bombe est larguée à l'altitude de 35,0 km, elle possède donc une énergie potentielle : EP = m×g×z = 325 × 9,81 × 35,0×10³

EP = 1,12×10⁸ J = 112 MJ 3-2) Transfert d'énergie :

La bombe chute sous l'unique effet de son propre poids. Elle est donc en chute libre, et on assiste alors au transfert de son énergie potentielle en énergie cinétique. Le travail du poids de la bombe et à l'origine de ce transfert énergétique.

3-3) Vitesse de la bombe à l'impact :

Sachant que l'énergie potentielle est transférée en énergie cinétique, on en déduit que : EC = EP = 1

2 × m × v² Soit v² = 2×E_P

m d'où v =



AN : v =



Remarque : ce résultat est énorme, et signifierai que la bombe dépasserai de plus de deux fois la vitesse du son (344 m.s^-1).

3-4) En réalité la vitesse de la bombe au moment de l'impact est beaucoup plus fait du fait des frottements avec l'air.

3-5) Nature du mouvement de chute de la bombe : On distingue deux phases dans le mouvement de chute :

– au début le poids à une valeur supérieure à la force de frottement, et on a donc un mouvement rectiligne accéléré.

– Au bout d'un certain temps, lorsque la vitesse atteint une certaine valeur, la valeur de la force de frottement devient identique à celle du poids. Ainsi en vertu de la première loi de Newton, le mouvement rectiligne uniforme.

3-6) Les frottements travaillent-ils ?

La force de frottement travaille car son point d'application se déplace et sa direction est parallèle au mouvement.

La travail de cette force de frottement dissipe une partie de l'énergie mécanique (énergie cinétique et potentielle de pesanteur) sous forme de chaleur.

4-1) Loi de fonctionnement de la bouilloire électrique :

La bouilloire électrique comprend un conducteur ohmique de résistance R, sa loi de fonctionnement est donc : U = R × I

4-2) L'énergie électrique reçue par la bouilloire est convertie en énergie thermique par la conducteur ohmique.

4-3) Énergie électrique reçue par la bouilloire : On sait que : We = Pe× Δt = U × I × Δt

Or d'après la loi de fonctionnement on a U = R × I Soit I = ^U_R

On obtient alors : We = ^U²_R ^×t

AN : We = ^230²₁₂₀ ^×2×60 We = 52,9×10³ J = 52,9 kJ 5-1) Tensions positives du circuit :

G

I P N

A B

C

D E

U_PN

U_AB

U_CD U_DE

5-2) Intensité I du courant débité par la prise : On sait que I = U_PN

R_eq

UPN est la tension aux bornes du générateur. Req est la résistance équivalente du circuit.

On a : 1

R_eq= 1 R_AB 1

R_CE Avec : RAB = R

RCE = R1 + R2

D'où : 1

R_eq=1

R 1

R₁R₂= 1

120 1

180180= 1 90 On en déduit alors que Req = 90 Ω

Et donc : I = 230

90 = 2,6 A.

Exercice 2 : Déterminer la teneur en fer d'un produit reverdissant 1) Équation de la réaction entre Fe²⁺ (aq) et MnO4- (aq) :

oxydation des ions Fe²⁺ : Fe²⁺(aq) = Fe³⁺(aq) + e^- ×5 réduction des ions MnO4- : MnO4-

(aq) + 8H⁺ + 5e^- = Mn²⁺(aq) + 4H2O MnO4-

(aq) + 8H⁺ + 5Fe²⁺(aq) Mn²⁺(aq) + 4H2O + 5Fe³⁺(aq)

2-a) Tableau d'avancement de la réaction : MnO4-

(aq) + 8H⁺ + 5Fe²⁺(aq) Mn²⁺(aq) + 4H2O + Fe³⁺(aq)

État initial n1 n2 0 0

État intermédiaire n1 - x n2 - 5 x x 5x

État final n1 - xmax n2 - 5 xmax xmax 5xmax

2-b) Relation à l'équivalence :

A l'équivalence on a : n1 – xmax,eq = n2 - 5 xmax = 0 Soit x_max=n₁=n₂

5

Ce qui nous donne : n_MnO4=n_Fe2 5 3-a) Concentration C0 :

Nous avons démontré qu'à l'équivalence : n_MnO4=n_Fe2 5 d'où C×V '_E=V×C₀

5

on obtient donc : C₀=5C×V '_E V AN : ^C0=5×0,020×14,0

20,0 C0 = 7,00×10^-2 mol.L^-1

3-b) Quantité d'ions fer(II) contenues dans S0 : n0 = C0 × V0

n0 = 7,00×10^-2 × 100,0×10^-3 n0 = 7,00×10^-3 mol

3-c) Pourcentage massique en fer du produit :

Pourcentage massique en fer = masse de fer dans la solution

masse totale de solide dissout dans la solution×100 or mFe = n0 × Mfe

% Fe = n₀×M_Fe

m =7,00×10⁻³×55,8

10 ×100

% Fe = 3,91 %

Exercice 3 : Étude d'une eau minérale naturelle 1- La valeur du pH nous renseigne sur l'acidité de l'eau.

2- La conductivité est une grandeur physique qui dépend entre-autres paramètres de la

température. En effet, elle augmente avec la température, ce qui explique que la conductivité est plus élevée à 25°C qu'à 20°C.

3-a) Valeur de k :

On sait que : G0 = k × σ0

D'où : k = G₀

₀=15,48×10⁻³ 1,260

k = 1,229×10^-2 m = 1,229 cm 3-b) Conductances des eaux minérales : On sait que : G = k × σ

• à 20°C : G20°C = 1,229 × 521 G20°C = 640 μS

• à 25°C : G25°C = 1,229 × 578 G25°C = 710 μS

4- Calcul des concentrations molaires de tous les ions en solution : On sait que : C_m=m

V et n = m

M D'où C = n

V = m

M×V=C_m M Donc C=C_m

M

Ce qui nous donne pour chacun des ions présents dans l'eau minérale :

[Ca²⁺] = 1,9×10^-3 mol.L^-1 [SO42-] = 1,0×10^-4 mol.L^-1 [Mg²⁺] = 9,9×10^-4mol.L^-1 [HCO3-] = 6,2×10^-5 mol.L^-1 [Na⁺] = 2,2×10^-4 mol.L^-1 [Cl^-] = 1,3×10^-4 mol.L^-1 [K⁺] = 2,6×10^-5 mol.L^-1 [NO3-] = 6,1×10^-5 mol.L^-1

5- Conductivité de la solution à 20°C :

=

∑

en mol.m^-3

σ = 25 mS.m^-1 = 2,5×10^-2 S.m^-1

Exercice 4 :Parfumerie synthétique

1- Olfactif = relatif à l'odorat, à la perception des odeurs.

2-a) Formules brutes :

• de l' α-ionone : C13H20O

• de la β-ionone : C13H20O

2-b) Ces deux molécules ont des formules brutes identiques, ce sont donc des isomères.

2-c) Il est tout à fait normal que ces deux molécules n'aient pas la même odeur, car les isomères ont des propriétés physiques et chimiques différentes. Ce sont des molécules différentes qui n'ont que leur formule brute en commun.

3- Géométrie des atomes :

Le carbone 1 est tétraédrique, alors que le carbone 2 est trigonal.

Exercice 5 : Nomenclature des alcanes heptane :

cyclopentane :

méthylpropane :

2-méthylpentane :

2,3-diméthylhexane :

3-éthylhexane :

CH₃ CH₂ CH₂ CH₂ CH₂ CH₂ CH₃ CH₂

CH₂ CH₂

CH₂ CH₂ CH₃ CH CH₃

CH₃

CH₃ CH CH₃

CH₃

CH₂ CH₂

CH₃ CH CH₃

CH₃

CH₂ CH₂ CH₃

CH

CH₃ CH₂ CH₂ CH₃ CH₃

CH₂ CH

1

2 3

4

5

6 3-éthyl-2-méthylhex-1-ène