Devoir en sciences physiques (Contrôle n°2/2020)

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Lycée rue Taieb Elmhiri _ 4ème année mathématiques _ Sciences physiques

Exercice n°1 (4 points)

On réalise la réaction d’estérification entre l’éthanol et l’acide méthanoïque d’équation :

+ ⇄ +

Dans une série de tubes à essai équipées de réfrigérant à air. On introduit dans chaque tube a mol d’éthanol et 2a mol d’acide méthanoïque. A t = 0, on place ces tubes dans un bain marie porté à la température de 60 °C. A des instants de dates t différentes, on retire l’un de ces tubes, on le met dans un bain de glace puis on dose l’acide restant par une solution aqueuse (S) de soude NaOH de concentration molaire = , . en présence du phénolphtaléine. Les dosages effectués à ces différentes dates ont permis de tracer la courbe de la figure 1, donnant l’évolution temporelle de la quantité de matière d’ester formé.

1) Indiquer le rôle de : bain de glace ; la phénolphtaléine

2) Choisir parmi les propositions suivantes celle qui convient au rôle du tube capillaire.

 rendre la réaction totale ;

 laisser le mélange réactionnel au contact de l’air libre afin d’éviter tout risque d’expérimentation.

 de condenser les vapeurs d’ester formées et d’empêcher que l’un des constituants ne s’échappe 3) Dresser le tableau d’avancement de la réaction.

4)

a) Déterminer la valeur du taux d’avancement final de la réaction. En déduire un caractère de la réaction.

b) Vérifier que la constante d’équilibre relative à cette estérification est K = 4.

c) Au bout de quelques heures le volume de la solution (S) de soude nécessaire au dosage de la quantité d’acide restant dans l’un des tubes ne varie plus et se fixe à VBF = 14 mL.

) Montrer que = .

) Déduire la composition du mélangeà l’équilibre

5) Le système étant en équilibre (E1), on ajoute , d’eau.

a) Préciser le sens d’évolution du système ;

b) En déduire la nouvelle composition du système au nouvel état d’équilibre (E2).

6)

a) Déterminer le volume du mélange initial dans chaque tube.

b) Déterminer le volume d’eau ajouté à l’équilibre (E1).

On donne :

 Masses molaires atomiques : M = 12 g. mol ; M = 1 g. mol ; M = 16 g. mol .

 Masses volumiques en g. cm : ρ_é = ρ = 0,8 ; ρ _{é ï} = ρ = 1,22 ; ρ = ρ = 1 Commissariat régional

de l’éducation Nabeul

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Lycée rue Taieb Mhiri Menzel Temime

Classe : 4^ème année mathématiques Pr : Taoufik BACCARI

Devoir en sciences physiques (Contrôle n°2/2020)

Date : Janvier 2020 Durée : 2 heures

CONSIGNE L’utilisation d’un appareil numérique ou digital autre que la calculatrice est strictement interdit.

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Lycée rue Taieb Elmhiri _ 4ème année mathématiques _ Sciences physiques

On considère le système chimique fermé siège de la dissociation du diiode gazeux en atomes d’iode à l’état gazeux. L’équation de cette transformation est : ( ) ⇄ ( ) .

La réaction directe est endothermique.

A l’instant t = 0 s, le mélange réactionnel, de volume V = 10 L, est constitué de 2 mol de . Pour une valeur θ1 = 1473 °C de la température θ du système chimique, le taux d’avancement final est = , . 1)

a) Déterminer l'avancement final de la réaction dans ces conditions.

b) Le système chimique est en état d'équilibre dynamique. Expliquer cette expression.

2)

a) En faisant varier la température θ1 de 200 °C, le système occupe à la température θ2, un nouvel état d’équilibre caractérisé par un taux d’avancement final de valeur τf2= 0,184.

Déduire la valeur θ2 .

b) On garde la température θ constante à la valeur θ1 et on augmente la pression du mélange réactionnel en diminuant le volume. En utilisant la loi de modération, préciser le sens d’évolution du système réactionnel suite à cette opération.

c)

) Indiquer, en justifiant la réponse, deux méthodes permettant d'augmenter le taux d'avancement final de la réaction de décomposition de diiode.

) Les deux méthodes proposées sont elles valables dans le cas de la réaction symbolisée par : ( ) ⇄ ( ) + ( ) sachant que la dissociation du chlorure d’hydrogène HCl est endothermique.

PHYSIQUE (13 points) Exercice n°1 (6 points)

On réalise le circuit électrique de la figure 1 comportant : un générateur de tension de fém E ; un résistor de résistance R ; une bobine d’inductance L et de résistance r ; un ampèremètre ; un voltmètre ; un interrupteur.

1) A l’instant t = 0, on ferme l’interrupteur K.

a) Etablir l’équation différentielle régissant l’évolution temporelle de la tension uR(t) aux bornes du résistor.

b) La solution de l’équation différentielle précédente peut s’écrire sous la forme ( ) = ( − ). Déterminer les expressions des constantes et  en fonction de L, R, r et E.

2) Dans le but de déterminer les caractéristiques r et L d’une bobine, deux groupes d’élèves (G1) et (G2) réalisent respectivement les expériences (E1) et (E2) ci-après.

a) Expérience (E1) : Cette expérience consiste à faire varier la résistance R du résistor et déterminer à chaque fois la valeur de la constante de temps .Cette étude a

permis de tracer la courbe ¹

τ= ( ) donnée sur la figure 2.

) Justifier théoriquement, l’allure de la courbe obtenue.

) En déduire les valeurs de L et r.

b) Expérience (E2) : Cette expérience consiste à mesurer :

 A l’instant = , la tension aux bornes de la bobine ;

 A l’instant = d’établissement du régime permanent :

 la tension aux bornes de la bobine ;

 l’intensité du courant qui y circule.

Les mesures donnent : = ; = ; = , . ) Déterminer l’inductance L et la résistance interne r de la bobine.

) Quelle est la valeur de la résistance R pour cette expérience.

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ou E du circuit. A l’aide d’un oscilloscope à mémoire, il visualise la courbe représentée sur la figure 3.

a) Identifier en justifiant, la courbe observée.

b) Quelle est la caractéristique modifiée ? Déterminer sa nouvelle valeur.

Exercice n°2 (7 points)

On dispose d’un circuit RLC série comprenant un conducteur ohmique de résistance R=100 Ω, un condensateur de capacité C réglable et une bobine d’inductance L et de résistance interne r.

A l’aide d’un oscilloscope à deux voies X et Y, on se propose de suivre la réponse en intensité de ce dipôle lorsqu’on lui applique aux bornes une tension alternative sinusoïdale délivrée par un GBF.

Pour une valeur de la capacité = et pour les réglages de l’oscilloscope sous-indiqués, on obtient l’oscillogramme de la figure 1, représentant les chronogrammes des tensions u(t) et u

(t) respectivement aux bornes du GBF et aux bornes du

condensateur. Les réglages de l’oscilloscope sont : 0,5 ms/division et 5V/division pour les deux voies.

1) Faire un schéma clair du circuit électrique sur lequel on précisera les branchements de l’oscilloscope. (la voie X visualise la tension aux bornes du GBF et la voie Y visualise la tension aux bornes du condensateur).

2) Les oscillations sont qualifiées de « forcées ». Expliquer ce qualificatif.

3) Déterminer la fréquence des oscillations forcées.

4) Déterminer les tensions maximales U

et U

mesurées sur les voies X et Y de l’oscilloscope.

5)

a) Montrer que le circuit est siège d’une résonance d’intensité. En déduire l’indication d’un ampèremètre monté en série dans le circuit.

b) Calculer les valeurs de r et L.

c) Justifier que l’énergie de l’oscillateur électrique se conserve.

6) On modifie la valeur de la capacité, pour une valeur , la tension u

(t) est décalée d’une division par rapport à la courbe de la tension u(t).

a) Déterminer le déphasage par rapport de u(t) de l’intensité i(t). En déduire le caractère du circuit.

b) En s’aidant d’une construction de Fresnel, déterminer la valeur de la capacité .

c) Sachant que l’axe des phases est porté par la tension aux bornes de la bobine, déterminer

l’expression de l’intensité instantanée i(t) du courant.