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M. DOUËZY et M. MEUNIER Devoir Commun
Physique Chimie Le 8 décembre 2008
Toute réponse doit être rédigée avec une phrase. Chaque résultat doit être souligné ou encadré.
La clarté, la précision de l’explication ainsi que l’orthographe rentrent en compte dans la notation de votre copie.
Le barème (sur 40 points) est indicatif, il est susceptible d’être modifié.
La calculatrice programmable est autorisée. Tout document est bien sûr interdit.
~ CHIMIE ~
Exercice 1: Description d'un système chimique 8 pts
On réalise une réaction chimique entre 11,2 g de fer et le gaz dichlore Cl2 contenu dans un récipient de 6 L afin d'obtenir un solide de formule FeCl3. L'expérience est réalisée à 25°C et à une pression de 1,013 bar.
1. Ecrire l'équation bilan de la réaction
2. Dresser le tableau d'avancement pour déterminer l'avancement maximal de la réaction et le réactif limitant.
3. Décrire le système dans l'état final.
4. En déduire à l'état final:
- la masse ou le volume du corps en excès - la masse de fer obtenu
5. Afin que le mélange soit stœchiométrique, déterminer la masse de fer à brûler dans un flacon de 1L de dichlore
Données: masse molaire atomique :Fe= 56; Cl=35,5 g/mol; Constante des gaz parfaits : 8 ,31 uSI.
Exercice 2: Dissolution de sulfate d’aluminium 4 pts
On veut préparer une solution contenant 0,10 mol/L en ions Al3+(aq) à l’aide d’une fiole jaugée de 100mL.
Pour cela on pèse une masse m de sulfate d’Aluminium anhydre (Al2(SO4)3) que l’on introduit dans la fiole jaugée et que l’on complète avec de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge.
1. Exprimer la concentration molaire c du soluté (sulfate d’aluminium) en fonction de m, V et M(Al2(SO4)3). 1pt
2. Ecrire l’équation de dissolution du soluté dans l’eau. 1pt
3. Pourquoi chaque ion s’entoure t-il de molécule d’eau ? Comment appelle t-on ce phénomène ?
Prenez l’exemple de l’ion Al3+(aq) et dessinez les molécules d’eau autour de cet ion. 2pt 4. Calculer la masse m de soluté à peser (Il faut penser à la relation entre concentration en
soluté et concentration en ions). 1.5pts
Données : en g/mol : M(Al)=27.0 ; M(S)=32.1 ; M(O)=16.0
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Exercice n°3 : Dissolution et dilution 3pts
On a obtenu une solution S de chlorure de fer (III) de concentration c=1,00.10-1 mol/L par dissolution de chlorure de fer III hexahydraté (solide de formule FeCl3, 6H2O (s)).
1. Ecrire l’équation de la réaction de dissolution.
2. Quelles sont les concentrations molaires des ions dans la solution ?
3. Comment obtenir, à partir de la solution S, 100mL de solution S’ de concentration c’=5,00.10-3 mol/L par dilution de S. On précisera le nom et le volume de la verrerie nécessaire.
~ PHYSIQUE ~
Exercice 1 : Réalisation d'un dynamomètre 9 pts
Donnée : on prendra g = 10 N.kg-1.
Pour réaliser un dynamomètre à 1’aide d’un ressort, on effectue un étalonnage. Pour cela, le ressort est suspendu à un point fixe par une de ses extrémités.
L’autre extrémité porte un index et se déplace devant une règle maintenue verticalement par un support fixe.
On accroche à l’extrémité libre différentes masses marquées et on lit, à l’équilibre, les indications correspondantes de l’index sur la règle graduée. On obtient :
m (kg) 0 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60 1,80 2,00 x (cm) 0 2,6 5,2 8,0 10,7 13,3 16,0 18,6 21,5 24,0 26,5 1. On considère le système « masse marquée» dans le référentiel terrestre.
a. Quelles sont les forces qui agissent sur le système à l’équilibre ? (Donner toutes les caractéristiques sans calculer aucune norme).
b. Que peut-on dire de la somme de ces forces et pourquoi ?
c. En déduire une relation entre m (valeur de la masse suspendue) et T (norme de la force exercée par le ressort sur la masse).
2. Construire le graphique donnant T en fonction de x. Que représente cette longueur ? 3. En déduire, en justifiant, la valeur de la raideur du ressort et son unité.
Applications :
4. a. On souhaite se servir du dispositif réalisé pour déterminer le volume d’une boite.
On suspend la boite à l'extrémité libre du ressort : l'index indique alors: x1 = 16 cm.
En déduire sa masse en utilisant le graphique.
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b. On immerge maintenant complètement la boite dans une bassine remplie d'eau de façon à ce que la boite ne touche aucune paroi. L’index indique alors x2 = 10 cm.
- Pourquoi la valeur indiquée par l'index a-t-elle diminuée ? - Faire un schéma des forces appliquées sur le système.
- En déduire l’expression littérale du volume de la boite. Calculer sa valeur.
5. On utilise maintenant le ressort pour tester la résistance d’une colle. Pour cela, on colle un petit disque en plastique sur un support et on laisse bien sécher. On fixe ensuite une extrémité du ressort au centre du disque. On tend lentement le ressort, perpendiculairement au disque, jusqu'à l'arrachement. Juste avant que le disque ne se décolle, le ressort était étiré de 20 cm.
Déterminer graphiquement la valeur de la force nécessaire pour produire l’arrachement.
Exercice 2 : Force et mise en mouvement d'un objet 3 pts
Le cylindre schématisé ci-dessous peut tourner librement autour de l'axe Δ. Le cylindre est initialement immobile. En tirant sur le fil dont une des extrémités est attachée au cylindre, on exerce une force sur celui-ci.
1. Indiquer pour chacun des cas, en justifiant la réponse, si la force appliquée peut mettre le cylindre en rotation.
2. Dans le cas d'une réponse positive, indiquer sur un nouveau schéma le sens de la rotation.
Exercice 3 : Force électrostatique 3 pts
En deux points A et B sont placées deux charges ponctuelles qA = -4,0.10-9 C et qB = 8,0.10-9 C, avec AB = 10 cm et k = 9,0.109 S.I.
1. Calculer la valeur de la force exercée par qA sur qB. En déduire celle exercée par qB sur qA. 2. Faire un schéma des forces exercées sur les charges placées en A et en B.
3. Quelle sera la valeur des forces si la distance AB est multipliée par deux ? Si elle est divisée par deux ?
Exercice 4 : Lois de Newton 4 pts
Un mobile sur coussin d’air, attaché à un ressort dont une extrémité est fixe, est lancé sur une table horizontale.
1. Faire le bilan des forces exercées sur le mobile. Faire un schéma.
2. On suppose que les frottements sont négligeables. La résultante des forces exercées sur le mobile se confond alors avec la tension du ressort Tr: justifier.
3. Construire le vecteur vitesse de G aux points M8 et M10 en précisant l’échelle choisie.
4. Faire la construction nécessaire pour déterminer, en appliquant la deuxième loi de Newton, la direction de Trlorsque G est en M9. Comparer avec la direction OM9. Commenter.
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Exercice 5 : Construction des pyramides 6 pts
Pour construire les pyramides, les Egyptiens ont sans doute utilisé la technique de plan incliné. Justifions ce procédé. On prendra pour inclinaison du plan = 20 ° et pour valeur de l'intensité de pesanteur g = 10 N.kg-1) Un bloc de pierre cubique de 1 m de côté a une masse de 2500 kg.
1. Calculer son poids.
2. Combien d'hommes, exerçant chacun une force de 800 N seraient nécessaires pour le soulever.
3. On envisage le bloc de pierre immobile sur un plan incliné.
a. Quel référentiel d’étude choisit-on ? Pourquoi ? b. Quel est le système étudié ?
c. Quelles sont les forces qui agissent sur lui ?
4. Des rouleaux de bois, intercalés entre le bloc de pierre et le sol incliné, rendent les frottements négligeables. Pour maintenir le bloc en équilibre, on exerce une force F
parallèle au sol, dirigée vers le haut de la pente.
a. Que dire de la direction de la réaction R
(force exercée par le sol sur le bloc) ? b. Si le bloc est en équilibre, quelle est la relation qui lie les trois forces ?
c. Comment qualifie t-on le solide ?
d. Représenter sur un schéma les différentes forces exercées sur le bloc, à l'échelle 1 cm 10000 N.
e. En déduire la norme de la force F
(graphiquement ou par le calcul).
f. Quelle doit être la valeur minimale de la force F
pour que le bloc monte le long du plan incliné ? Quel est le nombre d'hommes nécessaires pour cela ?
