Transcript BACCALAURÉAT BLANC PHYSIQUE-CHIMIE

BACCALAURÉAT BLANC
Lycée de la Matheysine
10 avril 2014
PHYSIQUE-CHIMIE
ENSEIGNEMENT OBLIGATOIRE
DURÉE DE L’ÉPREUVE : 3 h 30
L’usage de la calculatrice EST autorisé
Ce sujet ne nécessite pas de feuille de papier millimétré
Ce sujet comporte 3 exercices présentés sur 10 pages, y compris celle-ci et une feuille annexe en fin de
sujet, QUI SERA À RENDRE AVEC LA COPIE.
Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont indépendants les uns des autres :
I.
Etude de l'ibuprofène (8 points)
II. Détermination du rapport e/m pour l’électron (7 points)
III. La lumière, une onde ( 5 points)
EXERCICE I : ETUDE DE L’IBUPROFENE ( 8 points)
L'ibuprofène est un anti-inflammatoire non stéroïdien. Il est indiqué, chez l'adulte et l'enfant, dans le
traitement de courte durée de la fièvre et/ou des
douleurs telles que maux de tête, états grippaux,
douleurs dentaires, courbatures et règles douloureuses.
Il est formellement contre-indiqué chez l'enfant en cas
de varicelle et chez la femme enceinte au delà de six
mois, le paracétamol étant plus indiqué dans ces deux
cas3.
L’ibuprofène est commercialisé sous divers noms
commerciaux, par exemple Brufen, Advil, Nurofen,
Upfen, Motrin, Algifen, Algifor...
molécule d’ibuprofène.
Données :
Masse molaire de l’ibuprofène : M(C13H18O2) = 206 g/mol.
Produit ionique de l’eau : Ke = 1,0.10-14 à 25°C
1. Etude de la molécule.
1.1. Donner la définition d’une molécule chirale.
1.2. La molécule d’ibuprofène est-elle chirale ? Justifier.
1.3. Représenter les deux stéréoisomères de configuration de l’ibuprofène en
représentation de CRAM et donner le nom de la relation d’isomérie existant entre ces
deux molécules.
1.4. Diverses techniques d’analyse ont permis de connaître la structure de la molécule
d’ibuprofène. La spectroscopie IR (infrarouge) en est un exemple.
Donner l’origine des bandes d’absorption 1 et 2 du spectre infrarouge IR (document 1)
en exploitant les données du document 2.
Document 1
Spectre infrarouge de l’ibuprofène
Document 2
Bandes d’absorption IR de quelques types de liaisons chimiques
2. Titrage de l'ibuprofène.
Nous souhaitons réaliser le titrage de l’ibuprofène contenu dans un comprimé d’« ibuprofène
400mg » afin de vérifier la quantité annoncée.
Nous réalisons un titrage acido-basique selon le protocole suivant :
Étape 1. Préparation de la solution aqueuse d’ibuprofène.
- On réduit en poudre le comprimé dans un mortier à l’aide d’un pilon.
- On mélange la poudre obtenue avec 20 mL d'éthanol. Seul l'ibuprofène se dissout dans l'éthanol.
Les excipients restent sous forme solide.
- On filtre la solution obtenue.
- On laisse évaporer l'éthanol afin d'obtenir de l'ibuprofène solide pur.
- On introduit la poudre obtenue dans un bécher et on ajoute environ 40mL d’eau distillée.
Étape 2. Titrage de la solution aqueuse d’ibuprofène.
- Le titrage est effectué à l’aide d’une burette graduée contenant une solution aqueuse d’hydroxyde
de sodium (Na+(aq) ;HO–(aq)) de concentration molaire apportée Cb = 0,20 mol/L. Le titrage est suivi
par pH-métrie et les courbes obtenues sont données en annexe.
2.1 Dans l'annexe entourer le groupe caractéristique de l'ibuprofène et donner son nom.
2.2 Justifier que l'on puisse doser l'ibuprofène par un titrage pHmètrique.
On note, à présent, l’ibuprofène R-COOH. Le couple acide/base auquel il appartient est noté
R-COOH / R-COO .
2.3 À quel couple acide/base appartient l’ion hydroxyde HO– ?
2.4 Écrire l’équation de la réaction support du titrage.
2.5 Quelles caractéristiques doit posséder une réaction chimique pour être utilisée lors d’un
titrage ?
2.6 Définir l’équivalence d’un titrage.
On rentre dans un tableur-grapheur les différentes valeurs du pH mesurées en fonction du volume
Vb de solution d’hydroxyde de sodium ajouté. On utilise les fonctionnalités du tableur-grapheur pour
dériver le pH par rapport à Vb, la grandeur obtenue est notée dpH/dVb
Les courbes tracées suite au titrage pH-métrique sont pH = f(Vb) et dpH/dVb= f(Vb). (Voir annexe).
2.8 Parmi les courbes 1 et 2, quelle est celle qui représente pH = f(V b) et celle qui représente
dpH/dVb = f(Vb) ? Justifier.
2.9 Déterminer la valeur du volume équivalent par une méthode de votre choix que vous
expliquerez.
2.10
Déduire de la question précédente et de la question 2.7 la quantité de matière
d'ibuprofène titré.
2.11
Déduire du résultat précédent la masse expérimentale m exp d’ibuprofène titré.
2.12
Calculer l'écart relatif entre la masse expérimentale et théorique.
3. Etude de la solution d'ibuprofène et de la solution d'hydroxyde de sodium.
Le pKA du couple auquel appartient l’ibuprofène est, à 25 °C, pKA = 4,5.
3.1 Placer sur un diagramme les domaines de prédominance des espèces du couple de
l'ibuprofène : R-COOH / R-COO .
3.2 En utilisant les courbes de l'annexe, déterminer quelle espèce prédomine en début de
titrage. Justifier.
Pour le titrage on a utilisé une solution d’hydroxyde de sodium de
concentration Cb = 0,20 mol/L.
3.3 Calculer le pH de cette solution aqueuse dans l’hypothèse d’une
solution diluée.
3.4 Quelles précautions d’utilisation convient-il de prendre lors de la
manipulation de cette solution ? Justifier.
Pictogramme de
l'hydroxyde de
sodium
4. Incertitude sur la mesure de la masse d'ibuprofène.
On souhaite évaluer l’incertitude absolue m sur la masse m liée aux différentes sources d’erreurs.
Dans ces conditions :
• l’incertitude sur la mesure du volume versé par cette burette est V = ± 0,16mL;
• l’incertitude sur la concentration en hydroxyde de sodium est Cb = ± 0,010 mol/L.
L’incertitude relative
sur la masse est:
√(
)
(
)
4.1 Calculer l'incertitude relative sur la masse.
4.2 En déduire l'incertitude absolue m.
4.3 Présenter le résultat de la valeur de la masse m sous la forme m ± m.
5. Utilisation d'un indicateur coloré.
5.1 Parmi les indicateurs colorés acido-basiques proposés dans le tableau ci-après, quel est
celui qui est le mieux adapté au titrage précédent ? Justifier votre réponse.
5.2 Comment repère-t-on l'équivalence à l'aide d'un indicateur coloré ?
Indicateur coloré
couleur de la forme
acide
pH de la zone de
virage
couleur de la forme
basique
Vert de bromocrésol
jaune
3,8 à 5,4
bleu
Phénolphtaléine
incolore
8,2 à 10
rose
Jaune d'Alizarine
jaune
10,1 à 12,0
rouge orangé
EXERCICE II : DETERMINATION DU RAPPORT E/M POUR L’ELECTRON
(7 points)
Document 1 : La deuxième expérience de Thomson
Le physicien anglais Joseph John Thomson utilisa un tube à vide, dans lequel une cathode émet
des électrons. Ceux-ci sont accélérés dans un champ électrostatique créé par des anodes de
collimation. À la sortie de ces anodes, les électrons forment un faisceau très étroit. Ce faisceau
passe ensuite entre deux plaques métalliques de charges opposées. Les électrons, soumis à un
nouveau champ électrostatique, sont alors déviés de leur trajectoire et viennent frapper un écran
constitué d'une couche de peinture phosphorescente.
Tube utilisé par Thomson pour montrer la déviation de particules chargées par un champ
électrostatique :
Anodes de collimation
Peinture phosphorescente
Cathode émettrice
d’électrons
Faisceau d’électrons
Plaques de déviation
Document 2 : Création d'un champ électrostatique
Deux plaques métalliques horizontales portant des charges opposées possèdent entre elles un
champ électrostatique uniforme ⃗ caractérisé par :
 sa direction : perpendiculaire aux plaques
 son sens : de la plaque chargée positivement vers la plaque chargée négativement.
Document 3 : Force électrostatique subie par une particule
chargée dans champ électrique E
Champ électrostatique
Force subie par la
particule chargée
⃗
⃗
Charge de la particule
Pour un électron : q = - e ; e étant la charge élémentaire.
Joseph John Thomson
(1856 -1940),
physicien anglais
Document 4 : Interactions entre particules chargées
Deux particules de charges de même signe se repoussent ; deux
particules de charges opposées s'attirent.
Document 5 : Expérience de laboratoire ; détermination du rapport e/m pour l'électron
Le montage ci-dessous reprend le principe de la deuxième expérience de Thomson. Il comporte un
tube à vide dans lequel un faisceau d'électrons est dévié entre deux plaques de charges opposées.
On mesure la déviation verticale du faisceau d'électrons lors de la traversée des plaques sur une
longueur L, afin de déterminer la valeur du rapport e/m.
Plaque positive
y
Canon à
électrons
+++++++++++++
j
i
E
v0
x
O
–––––––––––––
L
Plaque négative
Données de l'expérience :
Les électrons sortent du canon à électrons avec une vitesse v0 = 2,27  107 m.s1.
Le faisceau d'électrons passe entre les deux plaques chargées et est dévié d'une hauteur h quand
il sort des plaques.
L'intensité du champ électrostatique entre les deux plaques est : E = 15,0 kV.m 1.
La longueur des plaques est : L = 8,50 cm.
On fait l'hypothèse que le poids des électrons est négligeable par rapport à la force électrostatique
⃗ .
1.
Détermination du caractère négatif de la charge de l'électron par J.J. Thomson.
1.1. À l'aide du document 2, représenter sur L'ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE le
vecteur correspondant au champ électrostatique ⃗ .
On prendra l'échelle suivante : 1,0 cm pour 5,0 kV.m 1.
1.2. J.J. Thomson a observé une déviation du faisceau d'électrons vers la plaque métallique
chargée positivement (voir document 1).
Expliquer comment J.J. Thomson en a déduit que les électrons sont chargés négativement.
1.3. À l'aide du document 3, donner la relation entre la force électrostatique ⃗ subie par un
électron, la charge élémentaire e et le champ électrostatique ⃗ . Montrer que le sens de
déviation du faisceau d'électrons est cohérent avec le sens de F .
2.
Détermination du rapport e/m pour l'électron.
On étudie le mouvement du système {électron}, assimilable à un point G, dans le repère
(0,⃗⃗⃗ , ). L’origine des dates est choisie lorsque l’électron est en O.
2.1. En appliquant la deuxième loi de Newton à l'électron assimilable à un point G, montrer que
les relations donnant les coordonnées de son vecteur accélération ⃗
sont :
ax = 0 et ay =
eE
m
2.2. Déterminer les coordonnées du vecteur vitesse ⃗
puis celles du vecteur position ⃗⃗⃗⃗⃗
.
2.3. Montrer que la courbe décrite par les électrons entre les plaques admet pour
équation :
eE 2
y
x
2mv 02
À la sortie des plaques, en x = L, la déviation verticale du faisceau d'électrons par rapport à l'axe
(Ox) a une valeur h = 1,85 cm.
2.4. En déduire l'expression du rapport
2.5. Donner la valeur du rapport
e
en fonction de E, L, h et v0.
m
e
.
m
2.6. On donne ci-dessous les valeurs des grandeurs utilisées, avec les incertitudes associées
v0 = (2,27 ± 0,02)  107 m.s1 ;
E = (15,0 ± 0,1) kV.m1 ;
L = (8,50 ± 0,05) cm ;
h = (1,85 ± 0,05) cm ;
e
e
L'incertitude du rapport , notée U   , s'exprime par la formule suivante :
m
m
e e
U  
m m
2
2
 U(h) 2  U(E) 2
 U(v 0 ) 
 U(L)  



4

4


 

 L  

 
 h   E 
 v0 
e
Calculer l’incertitude U   , puis exprimer le résultat de
m
e
 m  avec cette incertitude
 
La lumière, une onde (5 points) non spe
 Le caractère ondulatoire de la lumière fut établi au XIXe siècle par des expériences d’interférences et de
diffraction montrant, par analogie avec les ondes mécaniques, que la lumière peut être décrite comme une onde.
Diffraction de la lumière
Expérience de Fresnel
Fresnel a utilisé les rayons solaires pour réaliser son expérience. Une telle lumière est-elle monochromatique
ou polychromatique ?
Fresnel exploite le phénomène de diffraction de la lumière par un fil de fer. Le phénomène est identique avec
un fil et une fente de même largeur.
Le diamètre du fil a-t-il une importance pour observer le phénomène de diffraction? Si oui, indiquer
quel doit être l’ordre de grandeur de ce diamètre.
Mesure de longueur d’onde par diffraction
 On réalise une expérience de diffraction à l’aide d’un laser vert émettant une lumière monochromatique de
longueur d’onde λ.
 À quelques centimètres du laser, on place des fils verticaux de diamètres connus. On désigne par « a » le
diamètre d’un fil.
 La figure de diffraction obtenue est observée sur un écran blanc situé à une distance D= 1,60 m des fils.
Pour chacun des fils, on mesure la largeur L de la tache centrale. À partir de ces mesures et des données, il
est possible de calculer la demi-ouverture angulaire  du faisceau diffracté (Fig. 1 page Erreur ! Source
du renvoi introuvable.Erreur ! Signet non défini.).
Etablir la relation entre L et D qui a permis de calculer  pour chacun des fils.
L'angle  étant petit, on peut considérer que tan  ≈  (avec  en radians).
Donner la relation liant , λ et a et leurs unités.
On trace la courbe  = f(1/a) (Fig. 2 page Erreur ! Signet non défini.). Montrer que la courbe obtenue est en
accord avec l'expression de  donnée à la question précédente.
Comment pourrait-on déterminer graphiquement la longueur d’onde λ de la lumière monochromatique
utilisée?
En utilisant la figure 2 page Erreur ! Signet non défini., déterminer la valeur de la longueur d’onde λ de la
lumière utilisée.
Mesure de longueur d’onde par interférences
 Le fil ou la fente est remplacé par un écran percé de deux fentes distantes de b (Fig.3 page Erreur ! Signet
non défini.).
Des franges (Fig.4 page Erreur ! Signet non défini.) sont observées sur un écran situé à D= 3,0 m.
Pourquoi la lumière peut-elle arriver en différents points de l'écran ? Pourquoi les franges ne sontelles pas présentes en tout point de l’écran ?
A quelle condition les interférences sont-elles constructives ? Destructives ? Qu’est-ce qui est
observé au centre de l'écran, en yi = 0 ?
La largeur sur l’écran entre le centre d'une première frange lumineuse et le centre de la septième
frange lumineuse consécutive est de 25 mm. Sachant que la distance entre les centres de deux
franges consécutives de même nature (interfrange) est constante et égale à i 
l'écart entre les fentes est b= 0,40 mm, quelle est la longueur d’onde  ?
D
b
, et que
Comparer la valeur de la longueur d’onde  avec celle trouvée à la question 1.2.5.
Est-ce compatible avec la couleur verte du laser ?
Pourquoi mesurer plusieurs interfranges au lieu d'un seul ?
NOM : ................................................
Prénom : ................................................
fig. 1
fig. 2
Classe : ............
EXERCICE III : Etude d’un violon. ( 5 points) spe
La table d'harmonie d'un violon
 Problématique : La table d'harmonie fait toute la qualité d'un violon. Mais quel est son rôle exactement ?
Document 1 : un violon
Document 2 : comment fonctionne un violon ?
Données. Longueur de chaque corde du violon :
L = 55,0 cm.
Quatre cordes sont tendues sous une même
tension
T= 245 N.
Célérité d'une onde se propageant le long d'une
corde de masse linéique μ et soumise à une
T
tension T est donnée par la relation v =
μ
Le violoniste fait vibrer les cordes du violon en les frottant
avec son archet. La vibration de la corde est transmise à la
caisse de résonance par le chevalet. La hauteur de la note
dépend de la longueur et du diamètre de cette corde : plus
la corde est longue et plus son diamètre est grand, plus le
son produit est grave. Les quatre cordes ont la même
longueur, mais elles sont chacune de diamètre différent. En
plaquant fermement les cordes sur la touche avec les doigts
de la main gauche, le violoniste raccourcit les cordes à
volonté et produit ainsi toutes les notes de la gamme.
Document 3 : Ode à une table d'harmonie.
« Mais la table... Elle... La table d'harmonie !... Vous voyez
bien... Ce dessus de violon finement galbé, ajouré de deux
ouïes très fines en forme de "S". Ça s'appelle la table
d'harmonie. La table d'harmonie, c'est le marbre de toutes
les valses, le tapis de toutes les prières, le tarmac de toutes les
destinations. La table d'harmonie, c'est elle qui va
transmettre et diffuser les vibrations à tout l'instrument, elle
qui va lui donner sa couleur, son caractère, son impétuosité
et sa douceur, sa générosité et ses caprices de diva.
Qu'elles soient de tristesse ou de joie, un violon ne verse des
larmes que par sa table d'harmonie... »
D'après D.Tiberi, 1
logographies.blogspot.fr/2009/03/table-dharmonie.html
 Questions
Identifier l'excitateur et le résonateur du violon. Quel est le rôle de chacun ?
Comment la hauteur du son émis par une corde est-elle modifiée ?
Par quels éléments les vibrations sont-elles transmises de l'excitateur au résonateur ?
En déduire l'importance de la table d'harmonie dans la qualité du son émis par un violon.
Ondes émises par un violon
 La nature et la tension des cordes sont telles qu'en vibrant sur toute leur longueur (AO = L = 55,0 cm), elles
émettent des notes dont les caractéristiques sont données ci-dessous :
Numéro de la corde
1
2
Note
sol2
ré3
Fréquence de son fondamental (Hz)
196
294
3
la3
440
4
mi4
659
On fait vibrer une corde tendue du violon en la pinçant. On observe un fuseau. Un fuseau désigne ce
qui est observable entre deux nœuds de vibration, autrement dit entre deux points de la corde
qui ne vibrent pas.
Le fuseau est-il dû à l'existence d'ondes longitudinales ou transversales ?
Faire un schéma légendé de la corde.
Expliquer que la longueur L de la corde vibrante soit liée à la longueur d'onde
λ
λ par la relation : L = .
2
Quand on accorde le violon, on règle successivement la tension mécanique des cordes pour qu'elles émettent
un son correspondant à une fréquence donnée dans le tableau de l'énoncé. Pour cela, on tourne une
cheville. Il s’intéresse d’abord à la corde « la3 » et règle la hauteur du son en utilisant un diapason
(440 Hz).
T
μ
Quand la corde la3 de masse linéique μ = 0,9510-3 kg.m-1, est accordée, quelle
est sa tension mécanique T?
Démontrer à partir du document 1 la relation : 2 L f =
Pour jouer une note la3, sur la corde de ré3 un violoniste appuie en un point de celle-ci. En admettant
que cela ne change pas la tension de la corde, quelle grandeur est modifiée ? À quelle distance du
chevalet appuie-t-il sur la corde.
En classe, le son émis par la corde « la3 » du violon d’une part et le son émis par un
diapason 440 Hz sont captés par un microphone relié à l’ordinateur. Un logiciel
permet d’établir les spectres des fréquences reproduits ci-dessous :
Identifier chacun des spectres en justifiant la réponse.
Entre les fréquences 0 et 3000 Hz, pour le spectre 2, quelles sont les
fréquences des harmoniques manquants ?