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2de 3 DEVOIR SURVEILLE DE PHYSIQUE-CHIMIE N°3 Corrigé
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Exercice 1 Eau et lumière …
On vise la surface de l’eau d’un aquarium avec une radiation laser de longueur d’onde 590 nm. Dans ces conditions, l’indice de réfraction de l’eau vaut 1,330.
1- Faire un schéma clair et légendé de la situation en faisant apparaître toutes les données habituelles.
( voir cours )
2- L’angle d’incidence vaut 30°. Calculer l’angle de réfraction.
2 ème loi de Descartes : n1 sin i = n2 sin r ( ici le milieu 1 est l’air d’indice n1 = 1 ) donc sin r = ( n1/ n2 ) sin i = ( 1 / 1,330 ) sin 30 = 0,376
d’où r = 22,082 °
3- On augmente progressivement l’angle d’incidence. Quel sera l’angle de réfraction maximal atteint ? L’angle de réfraction maximal sera atteint pour i = 90°
Dans ces conditions, sin r = ( 1 / 1,330 ) sin 90 = 1 / 1,330 = 0,752 soit r = 48,753 °
4- On ramène l’angle d’incidence à 30°et on remplace l’eau de l’aquarium par du toluène dont l’indice de réfraction vaut 1,4968 pour cette même radiation. L’angle de réfraction obtenu sera-t-il inférieur ou supérieur à celui obtenu en 2- ? ( Justifier sans calculs )
L’indice de réfraction d’un milieu correspond à sa « capacité » à dévier la lumière. Si l’indice augmente, l’angle de réfraction diminue.
5- Calculer la vitesse de propagation de cette radiation dans le toluène.
v = c / n = 3.10 8 / 1,4968 = 200427578,8 m.s-1
6- Quelle est vraisemblablement la couleur de la lumière produite par le laser utilisé ? ( Justifier )
La longueur d’onde du laser de 590 nm correspond à une lumière de couleur rouge dans le spectre de la
lumière blanche.
Exercice 2 Spectre d’une étoile 1ère partie
Une lampe à incandescence est munie d’un variateur permettant de modifier son éclairement. On observe le spectre obtenu à l’aide d’un spectroscope.
1- Schématiser ci –dessous les spectres observés pour une température faible puis une température élevée du filament de la lampe.
température faible température élevée
On observe un spectre continu complet allant du rouge au violet.
On observe un spectre continu privé de la partie correspondant au bleu et au violet.
2- Expliquer comment ce phénomène permet d’évaluer approximativement la température d’une étoile ? La couleur d’une étoile nous renseigne sur sa température. Plus elle est chaude, plus sa lumière est blanche.
3- On observe ensuite une lampe à vapeur de sodium à l’aide du spectroscope, quel est le type de spectre observé ? Expliquer la différence avec le spectre de la lampe à incandescence.
La lampe a vapeur de sodium nous fournit un spectre de raies d’émission. Ce spectre est discontinu contrairement à celui observé pour une lampe à incandescence.
2ème partie
398 nm 407 nm
Le spectre d’une étoile est représenté ci-contre. ( le fond blanc est coloré en réalité )
434 nm 486,1 nm
400 nm 410 nm
1- Expliquer la présence des raies noires dans ce spectre. Donner son nom.
Les gaz d’atomes présents dans l’étoile absorbent certaines longueurs d’onde. On observe donc un spectre de raies d’absorption.
hydrogène 398 410 434 486
hélium 380 403 414 447
Le tableau ci-contre donne, en nanomètre, les longueurs d’onde des raies d’émission des éléments hydrogène et hélium.
2- Ces éléments entrent-ils dans la composition de cette étoile ? ( Justifier avec précision )
Un élément absorbe aux mêmes longueurs d’onde qu’il émettrait. Certaines raies d’absorption présentes dans le spectre de cette étoile correspondent aux raies d’absorption de l’élément hydrogène. On peut en conclure que cet élément est présent à l’état gazeux dans cette étoile. Par contre elle ne contient pas d’hélium.
3- Serait-il possible de déterminer avec précision la température de cette étoile ? La loi de Wien permet de la déterminer avec une bonne précision.
Exercice 3 Constitution d’un atome
Un atome d’étain de symbole Sn a pour nombre de masse A =120 et un numéro atomique Z = 50 On donne : mN = mP = 1,67.10-27 kg e = 1,6.10-19 C.
1- Quel est le nombre de protons de l’atome d’étain. 50
2- En déduire la charge électrique totale portée par son noyau. 50 × e = 50 × 1,6 . 10-19 = 8 .10-18 C 3- Quel est son nombre de neutrons ? 120 – 50 = 70
4- Combien d’électrons possède cet atome ? 50
5- Calculer la masse de cet atome. Cette masse est-elle exacte ? Pourquoi ? m = 120 × 1,67 . 10 -27 = 2 . 10-25 kg
Cette masse est approchée car il faudrait rajouter la masse des électrons. Néanmoins l’approximation reste
très bonne.
6- Calculer le nombre d’atomes présents dans un échantillon d’étain de masse m = 20 g. n = 20 / 2 . 10-22 = 1023 7- Donner la structure électronique de cet atome.
Cela devrait être ( K )2 ( L )8 ( M )8 ( N )8 ( 0 )8 ( P )8 ( Q )8 !
En réalité, à partir de Z = 18, le remplissage subit des exceptions et les couches contiennent davantage d’électrons.
La structure correcte serait plutôt ( K )2 ( L )8 ( M )18 ( N )22 ( non exigible en seconde ! ) Exercice 4 Cousins ou jumeaux ?
1- Comment appelle-t-on les entités chimiques 147N et 157N ? Ce sont des isotopes.
2- Appartiennent-elles au même élément chimique ? Pourquoi ? Oui car ils ont le même Z.
3- Ont-elles les mêmes propriétés chimiques ? Pourquoi ?
Oui, car c’est le nombre d’électrons qui régit les propriétés chimiques.
Exercice 5 Elément phosphore
Le phosphore de symbole P, de numéro atomique 15 et de nombre de masse 31, se transforme facilement en ion phosphure de symbole P3-.
1- Combien d'électrons possède cet ion ? Expliquer.
18 car il y a gain de 3 e-
2- Cet ion appartient-il à l’élément phosphore ? Expliquer.
Oui car il a le même Z. ( le nombre de protons est inchangé. )
3- Expliquer pourquoi certains atomes comme le phosphore ont tendance à former des ions.
Il s’agit de satisfaire à la règle de l’octet afin d’obtenir une entité plus stable.
Sous réserve de fautes de frappe et autres erreurs, évidemment !
