Devoir commun de sciences physiques Mercredi 05 mai 2004 (8h10 -10h10 ) Classe de seconde








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Devoir commun de sciences physiques Mercredi 05 mai 2004 (8h10 -10h10 ) Classe de seconde
Les 3 exercices sont à traiter dans l’ordre de votre choix. Il est simplement rappeler qu’il est important d’indiquer le numéro des questions auxquelles vous répondez. Il sera tenu compte de la présentation matérielle de la copie et de la clarté de la rédaction..
EXERCICE 1 (physique) : Les spectres (6 points -  20min)
Données :

Les limites des longueurs d’ondes (en nm) des couleurs du spectre d’une lumière blanche sont les suivantes :

Violet

Bleu

Vert

Jaune

Orange

Rouge

400-424

424 – 491

491-575

575-585

585-647

647-700


Longueurs d’ondes (en nm) de quelques raies émises par différents éléments chimiques à l’état gazeux :

Nom

Symbole chimique

Longueurs d’ondes

Hydrogène

H

397 ; 410 ; 434 ; 486 ; 656 ;

Hélium

He

447 ; 471 ; 492 ; 501 ; 587 ; 668

Mercure

Hg

432 ; 547 ; 575 ; 580 ; 670 ; 690

Néon

Ne

439 ; 443 ; 585 ; 597 ; 618 ; 640




    1. Identification d’un gaz

Un laboratoire possède diverses lampes qui contiennent des vapeurs de gaz. Il est possible de réaliser le spectre d’émission de raie du gaz enfermé dans l’ampoule à l’aide du dispositif ci-contre :


  1. Quel dispositif faut-il placer entre la fente et l’écran pour observer le spectre du gaz enfermé dans l’ampoule ?




Un professeur, suite à une maladresse, a renversé de l’encre sur l’étiquette collée sur l’ampoule. La nature du gaz était représentée par son symbole chimique qui est partiellement masqué par la tache d’encre (voir l’étiquette ci-contre).
Le spectre observé sur l’écran a permis d’obtenir le document suivant :




  1. Donner les longueurs d’ondes des différentes raies du spectre puis indiquer la couleur de chacune.

  2. En déduire la nature du gaz enfermé dans l’ampoule.




    1. Etude d’un filtre.

Dans ce laboratoire on dispose d’un filtre en gélatine coloré. Le graphe ci-contre donne la courbe représentant la lumière transmise (c'est-à-dire non absorbée) par ce filtre en fonction de la longueur d’onde de la radiation qui le traverse.

  1. Donner l’intervalle des longueurs d’ondes des radiations que laisse passer ce filtre. 

  2. En déduire la couleur du filtre s’il est éclairé en lumière blanche.




    1. Utilisation du filtre.

On interpose le filtre précédent entre l’écran et la fente du montage représenté au I. Dessiner puis qualifier le spectre observé sur l’écran.

EXERCICE 2 (physique) : Oscillations d’une masse accrochée à un ressort (14 points -  40min)

Les trois parties de cet exercice sont indépendantes



Une bille de masse m1 = 100 g est suspendue à un ressort vertical à l’aide d’un support (voir schéma ci-contre)




Données :

    • Intensité de la pesanteur : g=9,8 N.kg-1 

    • Masse de la Terre MTerre = 5,98 . 1024 kg

    • Rayon de la Terre RTerre = 6,38 . 103 km

    • Loi de gravitationnelle universelle : avec G = 6,67.10-11 S.I (constante universelle) ; M1 et M2 masse en kg et D distance en mètre


I- La bille est en équilibre

  1. Rappeler la relation existant entre la valeur du poids P et la masse m de la bille (en précisant les unités des grandeurs figurant dans cette relation). Calculer la valeur du poids de la bille.

  2. Enoncer le principe d’inertie.

  3. Montrer qu’il existe une autre force que le poids appliquée à la bille.

  4. Reproduire le schéma ci-contre puis représenter les forces appliquées sur la bille.

  5. Déterminer la valeur de la force gravitationnelle exercée par la Terre sur la bille FTerre/bille et la comparer à la valeur du poids de la bille.


II- La bille oscille

On étire l’ensemble bille-ressort verticalement vers le bas et on le lâche. La bille oscille de part et d’autre de sa position d’équilibre. Le phénomène est périodique (au cours de son mouvement, la bille passe régulièrement par les mêmes positions). On mesure la période T des oscillations (c'est-à-dire la durée d’un aller et retour de la bille).

Pour des billes de masses différentes, on mesure la période T des oscillations. Le graphique ci-dessous donne la représentation de la période des oscillations au carré (T²) en fonction de la masse (m) de la bille.





m (g)

0,5

1,0


  1. La période T des oscillations dépend-elle de la masse de la bille ?

  2. Tracer la courbe obtenue sur le graphique au dos.

  3. Quelle est la période des oscillations d’une bille de masse m2 = 20 g. Faire apparaître la méthode utilisée sur le graphique.

  4. Quelle est la nature de la courbe obtenue ? Déterminer son coefficient directeur exprimé en s².kg-1.

  5. En déduire la relation entre T2 et m.

  6. Calculer la période des oscillations d’une bille de masse m3 = 0,18 kg.

  7. Calculer la valeur de la masse qui permettrait d’avoir une période d’une seconde avec ce même ressort.

III- Une bille se détache
Une bille se détache du ressort et chute. La chronophotographie (à droite) de cette chute donne les positions de la bille à intervalles de temps égaux.
1. Caractériser le mouvement de la bille. Justifier vos réponses.

  1. Que peut-on dire des forces agissant sur la bille pendant son mouvement ?


EXERCICE 3 (chimie) : Extraction par solvant, synthèse et chromatographie (20 points -  50 min)
Les trois parties de ce problème sont indépendantes.
L’eucalyptus est un arbre originaire d’Australie. Ses feuilles contiennent une huile essentielle odorante dont le principal constituant est une molécule appelée l’eucalyptol. Ce principe actif est à l’origine des propriétés thérapeutiques de l’huile essentielle d’eucalyptus, souvent utilisée en inhalation pour lutter contre les problèmes respiratoires.
A- Extraction de l’huile essentielle d’eucalyptus.
On fait bouillir pendant une vingtaine de minutes des feuilles d’eucalyptus émiettées dans de l’eau. On obtient alors un mélange d’eau et d’huile essentielle d’eucalyptus.

On veut ensuite « extraire par solvant » l’huile essentielle de ce mélange. Trois solvants sont à notre disposition : cyclohexane, toluène, éthanol. On donne quelques-unes de leurs caractéristiques ci-dessous :

Solvant


Toluène

Cyclohexane

Ethanol

Miscibilité avec l’eau

Non miscible

Non miscible

Miscible

Solubilité de l’eucalyptol

Peu soluble

Très soluble


Très soluble

Densité

0,87

0,78

0,81




  1. Quel solvant extracteur choisiriez-vous ? Justifier en donnant deux critères.

2. On introduit dans une ampoule à décanter 5 mL du solvant extracteur choisi et le mélange [eau + huile essentielle], on agite puis on laisse décanter.

a- Que signifie « laisser décanter » ?

  1. Faire un schéma légendé de l’ampoule et de son contenu après décantation. Indiquer et justifier l’ordre et le contenu des phases.


B- Synthèse d’une substance odorante courante :
L’acétate d’isoamyle est une substance odorante présente dans beaucoup d’arômes naturels. Cette espèce chimique peut être synthétisée en laboratoire en suivant le protocole décrit ci-dessous :

On mélange tout d’abord dans un ballon V1=5 mL d’alcool isoamylique (C5H12O) avec n2=0,14 moles d’acide acétique pur (C2H4O2). On ajoute ensuite un peu d’acide sulfurique H2SO4 concentré pour accélérer la transformation chimique. L’acide sulfurique n’est pas consommé au cours de la transformation, ce n’est donc pas un réactif.

Au cours du chauffage, il se forme de l’acétate d’isoamyle (C7H14O2) et de l’eau (H2O). Après 20 min de chauffage, on refroidit le ballon sous l’eau froide, puis on verse son contenu dans une ampoule à décanter contenant 50 mL d’eau salée. On agite et on laisse décanter. On observe alors deux phases. On recueille la phase organique.
Données :

  • Masses molaires : M(H)=1g.mol-1 ; M(C)=12g.mol-1 ; M(O)=16g.mol-1 

  • Masses volumiques : 1(alcool isoamylique)= 0,81 g.mL-1 ; 2(acide acétique)= 1,05 g.mL-1 



I- Etude de la molécule d’acide acétique :

L’acide acétique a pour formule brute C2H4O2.

1. L’atome d’oxygène a pour symbole O. Donner, en justifiant, le nombre de protons, d’électrons et de neutrons qui constituent cet atome.

2. Quelle est la structure électronique de l’atome d’oxygène ?

3. Combien de liaisons de covalence cet atome formera-t-il au sein d’une molécule ? (Justifiez votre réponse)

4. Cet atome portera-t-il alors des doublets non liants ? Si oui, combien ? (Justifiez votre réponse)

5. Voici à droite, une proposition pour la représentation de Lewis de la molécule d’acide acétique. Recopier la formule puis entourez les erreurs et proposez une correction.

II- Quantités de réactifs introduites :

1. Calculer la masse molaire moléculaire de l’acide acétique.

2. Calculer la masse d’acide acétique à introduire dans le ballon.

3. En déduire le volume d’acide acétique à introduire dans le ballon.


III- Protocole :

1. Dessiner un schéma légendé d’un montage à reflux.

2. Quels sont les réactifs de cette synthèse ?

3. Quels sont les produits de cette synthèse ?

4. L’équation chimique suivante traduit-elle la réaction chimique réalisée ? Si non, la corriger.

C2H4O2 + C7H14O2 ® C5H12O

C- Etude comparative par chromatographie
On réalise une chromatographie sur couche mince en utilisant comme éluant un mélange de cyclohexane et d’acétate d’éthyle.

- dépôt A : huile essentielle d’eucalyptus extraite des feuilles.

- dépôt B : produit de la synthèse.

- dépôt C : acétate d’isoamyle de référence




1. Préciser la légende du schéma ci-contre en nommant chaque élément numéroté.

2. A-t-on bien synthétisé de l’acétate d’isoamyle ? Justifier.

3. Que pouvez-vous déduire du fait que le dépôt A donne plusieurs tâches après élution ?

4. Quelle(s) espèce(s) pouvez-vous identifier dans l’huile essentielle d’eucalyptus ?

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