NOM : ... Prénom : ... Classe : TS …
Le 22/12/2017 Page : 1 / 11 Devoir type Bac n°1 T
aleS
CALCULATRICE AUTORISEE
Durée : 3h30min
(Tiers-temps : 4h40 min)
Les portables, montre connectée … seront placés dans le sac ou cartable
Le sac sera déposé aux extrémités de la salle
Aucun échange de matériel au cours de l’épreuve (calculatrice, gomme, effaceur, …)
Cette feuille A3 servira de brouillon CONTENU :
Titre Points Enoncé
pages
Annexe pages
I Les drones grand public 8 2
II La fermentation malolactique des vins 7 6 10
III Non-Spécialistes : Quelle teneur en cuivre dans une
pièce de 5 centimes d’euro ? 5 9 10-11
III Spécialistes : Chimie et modélisme 5 Sur feuille
indépendante
Toute démarche même partielle pourra être valorisée.
I. Les drones grand public (8 points)
1. Partie 1 : Les ondes sonores et ultrasonores
Cet exercice comporte 8 AFFIRMATIONS, toutes indépendantes, concernant les ondes étudiées en physique. A chaque affirmation, répondre par VRAI ou FAUX. Toute réponse doit être justifiée à l'aide de définitions, de calculs ou de schémas.
Les ondes sonores et ultrasonores
1. Donnée : La célérité des ultrasons dans l'air est V = 340 m.s-1.
Beaucoup d'animaux utilisent les ondes sonores ou ultrasonores pour communiquer entre eux, chasser leur proie ou se localiser. Pour illustrer quelques propriétés de telles ondes, on utilise des émetteurs et récepteurs ultrasonores.
Un émetteur et un récepteur d'ultrasons sont placés côte à côte face à une paroi réfléchissante. L'émetteur émet des salves d'ultrasons. Les tensions de sortie de l'émetteur et du récepteur sont observées sur l'écran d'un oscilloscope et sont données sur la figure ci-dessous :
AFFIRMATION 1 : Les ondes ultrasonores sont des ondes mécaniques.
AFFIRMATION 2 : Le retard t entre l'émission et la réception est de 2,0 ms.
AFFIRMATION 3 : L'émetteur et le récepteur sont alors placés à 34 cm de la paroi réfléchissante.
On enlève maintenant la paroi réfléchissante, on place l'émetteur en mode continu. On place le récepteur face à l'émetteur de façon à obtenir deux signaux en phase. On observe les signaux de sortie de l'émetteur et du récepteur sur la figure ci-dessous :
AFFIRMATION 4 : La fréquence des signaux est de 40 kHz.
AFFIRMATION 5 : Il faut éloigner le récepteur de 6,8 cm de l'émetteur pour que les signaux se retrouvent en phase pour la première fois.
Les ondes à la surface de l’eau
Un vibreur muni d'une pointe S crée une onde à la surface de l'eau d'une cuve à ondes. On obtient les relevés suivants, à l'échelle 1/2 :
AFFIRMATION 6 : L'onde formée est une onde périodique.
AFFIRMATION 7 : Cette onde est longitudinale.
AFFIRMATION 8 : La longueur d'onde vaut 2,5 cm.
2. Partie 2 :Les drones et les caractéristiques fondamentales des ondes
Les drones de loisirs à quatre hélices sont des véhicules aériens de faible dimension.
Ils sont vendus au grand public comme un jeu pour l’intérieur ou l’extérieur.
Doc 1 : Données connexion WiFi
De nombreux drones sont pilotés depuis un téléphone portable à l’aide d’une connexion WiFi.
Un réseau WiFi permet une communication par ondes électromagnétiques entre différents appareils. Les connexions WiFi peuvent se faire suivant plusieurs protocoles de communication dont le protocole standard IEEE 802.11g dont les principales caractéristiques sont résumées dans le tableau ci-dessous :
Standard IEEE 802.11g
Débit théorique maximal 54 Mbits/s
Fréquence des ondes électromagnétiques 2,4 GHz Puissance d’émission maximale autorisée en France 100 mW
Distance de fonctionnement Intérieur 20 m ;
Extérieur 50 m
Document 2 : Données sur les ondes
Vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le vide et dans l’air : c = 3,0 108 m.s-1
Les longueurs d’ondes
Effet Doppler
Lorsque l’émetteur d’une onde se déplace par rapport au récepteur, le décalage Doppler est donné par la relation f = fR – fE = ± fE dans le cas où la vitesse de déplacement est faible par rapport à la vitesse de propagation des ondes. Le signe est fonction du sens de déplacement de l’émetteur par rapport au récepteur.
fR est la fréquence reçue par le récepteur fE est la fréquence émise par l’émetteur c est la vitesse de propagation des ondes v est la vitesse de déplacement de l’émetteur Document 3 : Les chemins multiples
« Les phénomènes de réflexion et de diffraction sont utiles pour capter le signal à un endroit où l’émetteur n’est pas visible : on dit qu’on est en condition de Non Line Of Sight (NLOS), c’est-à-dire que l’on n’a pas une ligne de vision directe. Mais les réflexions et diffractions peuvent également être nuisibles lorsqu’elles font
apparaître de multiples chemins possibles entre l’émetteur et le récepteur. »
D’après WiFi professionnel : La norme 802.11, le déploiement, la sécurité Aurélien Géron
Schéma : exemple de chemins multiples
Les signaux transmis en WiFi se dégradent avec la distance et avec les obstacles, ce qui limite la portée et le débit de la liaison.
L’objectif de cette partie est de mettre en évidence quelques phénomènes physiques qui influencent la qualité de la transmission des informations en WiFi.
On aborde les problèmes de transmission entre le drone et le téléphone portable lorsque le drone se déplace à une vitesse de croisière de l’ordre de 3 m.s-1.
Grandeur caractéristique d'une onde :
2.1. Calculer la longueur d'onde des signaux émis en WiFi et en déduire à quel domaine d'onde elles appartiennent.
Effet Doppler :
2.2. Qu' appelle-t-on effet Doppler ?
2.3. Comment évolue la fréquence reçue lorsque le drone s'éloigne du téléphone ? 2.4. Calculer le décalage Doppler.
Diffraction :
2.5. Un tronc d'arbre placé sur le trajet des ondes WiFi est-il susceptible de diffracter ces ondes ? Justifier On admettra qu'un arbre a un diamètre variant de 10 cm à 1m
2.6. Peut-on espérer guider le drone alors qu'il n'est plus directement visible du téléphone ? Interférences :
La superposition d'ondes ayant parcouru des chemins différents peut provoquer des interférences 2.7. Après description du phénomène d'interférence, dire dans quelle condition on obtient des interférences
destructives. Dans ce cas , quelle sera la conséquence sur la valeur de l'intensité du signal reçu par le téléphone ?
2.8. d1 et d2 représentent respectivement les distances du trajet A-C-B et A-B entre le drone et le téléphone (voir le document 3 un schéma de chemins multiples).
On définit la différence de marche : δ = d1 – d2.
Parmi les 5 valeurs de δ suivantes, indiquer celle(s) qui conduit(conduisent) à des interférences destructives.
Justifier votre réponse.
; ; k ; k + ; k k est un entier naturel
2.9. Application : On prend les distances suivantes : AC = 16,5 m ; CB = 20 m et AB = 30 m.
A quel type d'interférences a-t-on affaire dans ce cas ? justifier
II. La fermentation malolactique des vins (7 points)
Après récolte et pressage des raisins, deux fermentations ont lieu, d’abord la fermentation alcoolique, puis la fermentation malolactique.
Pour qu’un vin puisse être mis en bouteille, il convient de vérifier que la fermentation malolactique, objet d’étude de cet exercice, est terminée.
La fermentation malolactique, généralement assurée par une espèce de bactérie lactique, Oenococcus oeni, désigne la désacidification biologique du vin. Lors de cette transformation, l'acide malique présent dans le vin se transforme en acide lactique, acide plus faible, avec production de gaz ; La transformation est modélisée par la réaction d’équation suivante :
La désacidification du vin qui résulte de la fermentation malolactique est un phénomène généralement recherché, auquel on doit l'assouplissement des vins jeunes.
D'après www.vignevin-sudouest.com et http://www.futura-sciences.com
Le 15 octobre 2016, un vigneron suit la fermentation malolactique d’un vin contenu dans une cuve de 10 m3. La température ambiante est de 15 °C lorsque la fermentation malolactique débute. La concentration massique initiale en acide malique dans le vin est de 3,0 g.L-1 . L’évolution au cours du temps de la masse d’acide lactique formé est donnée par le graphique situé en annexe page 10 , à rendre avec la copie.
Données :
Masse molaire de l'acide malique : Mmal = 134,0 g.mol-1
Masse molaire de l'acide lactique : Mlac = 90,0 g.mol-1 1. Fermentation malolactique
1.1. Déterminer la nature du gaz G produit. Quel test permettrait de le mettre en évidence ? 1.2. Montrer que la quantité de matière initiale en acide malique dans la cuve vaut 2,2 × 102 mol.
1.3. En s’appuyant sur le graphique en annexe, déterminer la quantité de matière d’acide lactique formé à l’état final.
1.4. La fermentation malolactique est-elle une transformation chimique totale ? Justifier.
2. Cinétique
2.1. Définir le temps de demi-réaction d'une transformation chimique.
2.2. Montrer que la masse d’acide lactique formé est proportionnelle à l’avancement de la réaction.
2.3. Déterminer graphiquement le temps de demi-réaction pour cette fermentation malolactique. Une construction graphique est attendue.
2.4. A partir de quelle date le viticulteur pourra-t-il mettre en bouteille le vin de ses cuves ? Justifier.
2.5. Représenter sur le graphique situé en annexe page 10 , l’allure de la courbe de suivi de la fermentation malolactique si la température ambiante est de 20 °C.
2.6. En déduire l’influence de cette nouvelle condition sur la mise en bouteille.
3. Chromatographie sur couche mince d’un vin à mettre en bouteille.
Le viticulteur souhaite mettre le vin d’une cuve en bouteille. Il effectue une chromatographie de contrôle de la fermentation malolactique sur un échantillon de vin de la cuve. Les résultats sont présentés ci-dessous :
Dépôt 1 : acide lactique
Dépôt 2 : acide malique
Dépôt 3 : vin à mettre en bouteille
3.1. Le viticulteur peut-il mettre ce vin en bouteille ? Justifier.
3.2. Quel(s) problème(s) veut-on éviter en suivant l’évolution de la fermentation malolactique dans les vins avant la mise en bouteille ?
4. Spectroscopie RMN du proton et fermentation malolactique
4.1. Parmi les spectres simulés ci-après, lequel pourrait correspondre à l'acide lactique ? Expliciter la démarche mise en œuvre et attribuer rigoureusement les signaux correspondants.
Remarque : les protons portés par les groupes carboxyles sont considérés comme équivalents.
Spectres RMN simulés de l’acide malique et de l'acide lactique
4.2. La spectroscopie RMN pourrait-elle être utilisée pour affirmer que la fermentation malolactique est terminée ? Justifier.
III.
Non-Spécialistes seulement
: Quelle teneur en cuivre dans une pièce de 5 centimes d’euro ? (5 points) La pièce de 5 centimes d’euro est composée d’un centre en acier (constitué essentiellement de fer et de carbone) entouré de cuivre. Elle a un diamètre de 21,25 mm, une épaisseur de 1,67 mm et une masse de 3,93 g.
On cherche par une méthode spectrophotométrique à déterminer la teneur en cuivre d’une telle pièce.
Le cuivre est un métal qui peut être totalement oxydé en ions cuivre (II) par un oxydant puissant tel que l’acide nitrique (H+(aq) + NO3-
(aq)) selon la réaction (non équilibrée) d’équation bilan : Cu(s) + H+(aq) + NO3-
(aq) → Cu2+(aq) + H2O() + NO(g)
Les ions cuivre (II) formés se retrouvent intégralement dissous en solution ; le monoxyde d’azote NO est un gaz peu soluble.
En pratique, on dépose une pièce de 5 centimes dans un erlenmeyer de 100 mL ; on place cet erlenmeyer sous la hotte et on met en fonctionnement la ventilation.
Équipé de gants et de lunettes de protection, on verse dans l’erlenmeyer 20 mL d’une solution d’acide nitrique d’une concentration environ égale à 7 mol.L-1.
La pièce est alors assez vite oxydée et on obtient une solution notée S1.
On transfère intégralement cette solution S1 dans une fiole jaugée de 100 mL et on complète cette dernière avec de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge. On obtient une solution S2 qui contient également des ions fer (III) provenant de la réaction entre l’acide nitrique et le fer contenu dans le centre d’acier de la pièce.
L’absorbance de la solution S2 à 800 nm est mesurée, elle vaut 0,575.
Données : Masse molaire du cuivre M(Cu) = 63,5 g.mol-1 ;
Couples Oxydant/Réducteur mis en jeu : Cu2+(aq)/Cu (s) ; NO3-
(aq)/NO (g)
1. Étalonnage
1.1. Equilibrer l’équation bilan à partir de l’écriture des 2 demi-équations d’oxydoréduction.
1.2. A partir du document 1 page 11, déterminer, en argumentant votre réponse, les couleurs attendues pour une solution d’ions cuivre(II) et pour une solution d’ions fer (III). Pour quelle raison choisit-on de travailler à une longueur d’onde de 800 nm ?
1.3. On fait subir à différents échantillons de métal cuivre pur le même traitement que celui décrit ci-dessus pour la pièce. On obtient alors des solutions d’ions cuivre (II) dont on mesure l’absorbance à 800 nm.
Montrer, en utilisant le document 2 page 10 et en complétant l’annexe page 10 à rendre avec la copie, que la loi de Beer-Lambert est vérifiée pour ces solutions d’ions cuivre (II).
2. Détermination de la teneur en cuivre dans la pièce.
2.1. Déterminer la masse de cuivre contenue dans la pièce de 5 centimes d’euro.
2.2. En déduire la teneur (ou « pourcentage massique ») en cuivre dans la pièce.
NOM : ... Prénom : ... Classe : ...
ANNEXE IV. La fermentation malolactique des vins
V. Non-Spécialistes seulement :Quelle teneur en cuivre dans une pièce de 5 centimes d’euro ? Document 2 : Courbe d’étalonnage
Tableau donnant l’absorbance A à 800 nm de solutions aqueuses contenant des ions cuivre (II), obtenues à partir de divers échantillons de métal cuivre pur :
Masse de l’échantillon de cuivre (en mg) 25,1 50,6 103,8 206,2 300,6 Concentration (en mmol.L-1) 3,95 7,97 16,3 32,5 47,4
Absorbance 0,055 0,121 0,231 0,452 0,649
O O
Document 1 : Spectres d’absorption des ions cuivre (II) et fer (III) dans l’eau.
On donne ci-dessous les spectres d’absorption d’une solution d’ions cuivre (II) et d’une solution d’ions fer (III), ainsi qu’un tableau reliant longueur d’onde d’absorption et couleur complémentaire. Le « blanc » a été fait avec de l’eau pure.
