Transcript CORRECTION EXERCICE SPE 2

CORRECTION EXERCICE SPE 2
Exercice 4 page 153
Des compteurs de photons
1. Le régime supraconducteur se caractérise par une conduction du courant infini donc par une résistance nulle (et par
l’effet Meissner c’est-à-dire un rejet de tout champ magnétique).
2. a. L’arrivée d’un photon à la surface du matériau supprime la supraconductivité.
b. Ce phénomène peut s’expliquer par un apport d’énergie par le photon et donc une augmentation de température.
3. A l’aide de matériaux supraconducteurs, on peut fabriquer des détecteurs de photons. En effet, l’arrivée d’un photon
mettant fin aux propriétés supraconductrices, l’intensité du courant dans un circuit électrique serait diminuée et donc
un voyant lumineux pourrait ne plus être allumé.
Exercice 7 page 153
La chaine de mesures de température
Exercice 8 page 154
La caractéristique d’une photodiode
1. L’oscilloscope ou le système d’acquisition ne pouvant afficher que des tensions, on peut avoir une ≪ image du
courant ≫ traversant la photodiode en les branchant aux bornes d’une résistance de valeur connue R. En mesurant la
tension UR aux bornes de la résistance, on accède à l’intensité du courant en utilisant la loi d’Ohm : I = UR/R.
2. On utilisera à cet effet un générateur de tension alternative de type GBF, qui permet de faire varier la tension.
b. Il faudra inverser la voie 2 pour bien avoir I = UR/R et non I = - UR/R.
5. a. La lumière a pour effet de créer un courant au niveau de la photodiode.
b. On utilisera une photodiode en inverse (U < 0), car l’objectif est d’utiliser le
courant électrique génère par la photodiode, ce qui n’est le cas que quand U < 0.
Exercice 10 page 155
Comment obtenir une image numérique ?
1. a. Un semi-conducteur peut être utilise comme capteur photographique car les photons provenant d’une lumière
incidente peuvent arracher des électrons présents dans les matériaux et leur conférer suffisamment d’énergie pour
qu’ils puissent assurer la conduction du courant. La présence d’un courant électrique traduit la présence de lumière.
b. L’énergie des photons incidents est transférée aux électrons.
2. Eléments de la chaine de transmission d’information qui permet à un caméscope ou à un appareil photographique
numérique d’obtenir l’image numérique d’un objet photographie :
photodiodes/capteur CCD - amplification – convertisseur analogique-numérique
Exercice 11 page 155
Les codes-barres, comment ça marche
1. a. Une LED émet dans l’infrarouge (IR) si l’énergie libérée lors de la désexcitation d’un électron est telle que la
longueur d’onde associée soit dans le domaine de l’IR.
b. Une photodiode peut être sensible aux IR si l’énergie associée à ce rayonnement est telle qu’elle permet d’exciter
les électrons présents initialement dans le matériau semi-conducteur.
2. a. Pour mesurer le courant dans le circuit ≪ récepteur ≫, on utilise une résistance de valeur R connue et on mesure
la tension U aux bornes de cette résistance pour accéder a l’intensité I grâce à la loi d’Ohm : I = U/R.
b. On utilise une résistance de 1 MW dans le circuit ≪ récepteur ≫ car l’intensité du courant est faible et on cherche à
mesurer une tension (plus R est importante, plus U mesurée est importante d’après la loi d’Ohm U = R ・ I).
3. a. En face d’une bande noire, il y a aucun rayonnement réfléchi, donc on ne mesure aucun courant.
b. En face d’une lumière blanche, il y a un rayonnement réfléchi, donc on mesure un courant électrique.
4. Un détecteur de code-barres est constitué de plusieurs LED
Exercice 12 page 156
Qu’est-ce que l’énergie solaire ?
1. a. Les particules qui arrivent à la surface du matériau photovoltaïque sont les photons.
b. Au contact du matériau semi-conducteur, leur énergie est transférée aux électrons du matériau.
2. a. Les électrons libres dans les fils conducteurs assurent la conduction du courant ainsi produit.
b. Les cellules photovoltaïques branchées en parallèle permettent obtenir une intensité de courant plus importante.
Exercice 2 page 170
Mayonnaise
A. 1. L’eau présente dans la mayonnaise provient du jaune d’œuf et de la moutarde.
2. Il faut agiter énergiquement pour disperser les molécules d’huile dans l’eau.
3. Micelle d’huile dans l’eau :
5. a. D’après le tableau ≪ Composition pour 100 g ≫, un jaune d’œuf est constitué de 34,4 % de lipides, parmi lesquels
25 % sont de la lécithine d’après l’énoncé. Donc un jaune d’œuf de 20 g contient : 20 * (34,4/100) * (25/100) = 1,7 g de
lécithine.
b. D’après la photographie, la taille des gouttelettes d’huile est comprise entre 1 et 10 mm, donc d’après le tableau la
mayonnaise est une macro-émulsion.
Ceci est en accord avec le fait que la mayonnaise est opaque et préparée par une ≪ agitation mécanique vigoureuse ≫.
c. Puisqu’un jaune d’œuf contient environ 1,7 g de lécithine, il permet de préparer, d’après le modèle simplifié, proposé
par l’énoncé, 1,7 kg de mayonnaise.
d. L’huile étant introduite en grande quantité et la lécithine permettant d’obtenir une grande quantité de mayonnaise,
l’eau est le facteur limitant la quantité de mayonnaise pouvant être obtenue.
e. Ainsi, il convient de rajouter de l’eau, par exemple grâce à la moutarde.
B. 1. Les blancs en neige étant constitués d’air dispersé dans un liquide, ils constituent une mousse.
2. On en déduit que l’ovalbumine est un tensioactif.
3. Les blancs d’œufs contiennent un tensioactif, donc ils peuvent être utilises pour obtenir une émulsion : il est donc
possible d’obtenir une mayonnaise a partir de blancs d’œufs.
C. 1. Il est possible de réaliser une mayonnaise sans œuf. Dans le cas de l’aioli, les tensioactifs nécessaires à l’émulsion
sont apportés par l’ail.
2. Le mortier permet de broyer les cellules d’ail pour qu’elles libèrent les molécules tensioactives qu’elles contiennent.
3. Les cellules d’oignon et d’échalotes contiennent aussi des protéines et phospholipides ayant des propriétés
tensioactives : il est donc tout à fait possible de réaliser une mayonnaise a base d’oignon ou d’échalote.
Exercice 3 page 171
Microfiltration du vin
1. La microfiltration est utilisée pour la clarification et la stabilisation microbiologique du vin.
2. Ce procède préserve la qualité du vin tout en ayant un fonctionnement automatique et continu, avec réduction des
pertes et des rejets polluants.
3. a. Tout au long du fonctionnement, les particules filtrées s’accumulent sur la membrane et bouchent ainsi ses pores :
on parle de colmatage.
b. Une membrane colmatée laisse passer un débit de vin moins important. Le colmatage diminue les performances du
procédé.
4. Pour diminuer le colmatage, on utilise la retro filtration.
5. a. La retro filtration consiste a inverser le flux passant à travers la membrane pendant un court instant, et de façon
périodique, pour déboucher les pores de la membrane et diminuer le colmatage.
b. D’après la courbe, le débit de filtration avec retro filtration est bien supérieur à celui obtenu sans retro filtration au
bout d’un temps donne. Par ailleurs, d’après le tableau de valeurs, la retro filtration permet de traiter des débits deux à
trois fois plus importants que le procédé sans retro filtration. On en conclut que la retro filtration est vraiment efficace.
6. a. Volume traite = débit ・ temps ・ surface = 95 * 0,50 * 0,5000 = 24 L avec retro filtration.
b. Sans retro filtration, le volume serait : 24 * 31/95 = 7,8 L.
c. Le vin rouge contient plus de particules en suspensions (tanins) que le vin blanc ; ainsi le colmatage est toujours
moindre dans le cas du vin blanc, ce qui conduit à des débits traites toujours supérieurs à ceux du vin rouge.
Exercice 7 page 172
Comment optimiser l’extraction du pétrole ?
1. a. Les liquides ont tendance à remonter le long d’un tube très fin du fait de la tension superficielle du liquide qui
s’oppose à la gravite. La capillarite est d’autant plus marquée que le diamètre du tube est faible (on parle de capillaire).
C’est ce qui explique qu’un buvard ou un sucre trempe dans l’eau s’imbibe.
b. Les tensioactifs diminuent la tension superficielle, ce qui se traduit par une diminution des effets capillaires.
2. Les tensioactifs permettent d’obtenir une émulsion d’eau dans le pétrole.
3. a. Pour des concentrations en tensioactifs inferieures à la CMC, une augmentation de la concentration induit une
baisse significative de la tension superficielle. Au-delà de la CMC, la tension superficielle n’évolue plus avec la
concentration en tensioactif.
b. La CMC est la concentration à partir de laquelle les molécules de tensioactifs s’agglomèrent entre elles pour former
des micelles au sein de la solution. Tout ajout supplémentaire de tensioactif ne modifie plus la tension superficielle car
l’interface est déjà saturée en molécules tensioactives.
c. La CMC correspond à la concentration optimale de tensioactif a utiliser pour abaisser la tension superficielle.
Dépasser la CMC revient a du ≪ gaspillage de tensioactif ≫ induisant des surcouts énormes au regard des quantités
gigantesques de pétrole mises en jeux.
4. a. 10 % du pétrole extrait annuellement nécessitent l’utilisation de tensioactifs, soit 3 milliards de barils :
477. 109 L.
b. Cela correspond à l’utilisation de : 477.1010 g = 4,77 .106 tonnes de tensioactifs annuellement.
c. Une augmentation de seulement 1 % de la concentration d’utilisation des tensioactifs induit une surconsommation de
l’ordre de 5. 104 tonnes, entrainant un important surcout de production. Il est ainsi très important d’étudier la CMC des
tensioactifs pour maitriser les couts de production de l’industrie pétrolière.
Exercice 9 page 173
6+
Elimination des métaux lourds dans les eaux usées
SO32- +
A. 1. 2 Cr + 3
3 H2O  2 Cr3+ + 3 SO42- + 6 H+
2. a. La précipitation permet de séparer les ions Cr3+ présents en solution afin de diminuer leur concentration.
b. Cr3+ (aq) + 3 OH- (aq)  Cr(OH)3 (s).
3. Non : d’après le tableau, la concentration en ion Cr3+ après traitement chimique est très largement supérieure aux
normes en vigueur.
B. 1. Ces trois procédés diffèrent par la taille des pores des membranes utilisées, ce qui conduit à des spectres de
filtration différents.
2. Taux de rétention :
Le taux de rétention, donc aussi l’efficacité, diminue lorsque la concentration en ions Cr6+ augmente.
3. Les eaux usées de chromage ont une concentration en ions Cr6+ de l’ordre de 1 000 mg. L-1 à la fin du traitement
chimique, conduisant après traitement par osmose inverse à un permeat de concentration supérieure à 150 mg. L-1, ce
qui est encore bien au-dessus des normes en vigueur : le traitement n’est toujours pas satisfaisant.
4. Le procédé est vraiment efficace pour des concentrations en ions Cr6+ inferieures à 50 mg. L-1.
C. 1. Ce procédé met en œuvre trois étages d’osmose inverse en série. A chaque étage, on réinjecte le retentât obtenu à
la solution à traiter à l’étage précédant, tandis que le permeat est traite par l’étage suivant.
2. L’intérêt est d’augmenter les performances du procédé.
3. Taux de rétention = (1 000 - 0,09)/(1 000 * 100) = 99,99 %.
4. Oui, les eaux traitées a l’issue de ce procédé ont une concentration en ions Cr6+ d’environ 0,1 mg. L-1, inférieure à 1
mg. L-1.
Exercice 10 page 174
Un adhésif imitant le gecko
1. Nombre de poils = nombre de soies/nombre soies par poil = 2. 109/800.
Le gecko possède 5 000 poils/mm2, ainsi la surface de ses doigts est :
(2. 109/800)/5 000 = 500 mm2 = 5 cm2, ce résultat est réaliste.
2. Les interactions de van der Waals sont des forces de nature électrostatique.
3. Les soies du gecko exercent une force : F = 2 .109 *20. 10-9 = 40 N, ce qui équivaut au poids d’une masse :
m = F/g  4 kg.
Ainsi, le gecko peut supporter une masse de 4 kg avant de se décrocher.
4. Il est difficile d’accrocher une masse de 4 kg sur un animal de 300 g !
5. Dans la première réaction, la polycondensation s’effectue entre deux molécules : elle est donc intermoléculaire
; tandis que dans la deuxième réaction, la polycondensation s’effectue au sein d’une même molécule : elle est
intramoléculaire.
6. Dans la molécule B, on reconnait deux groupes d’atomes caractéristiques de la fonction amine ; dans la molécule C,
deux groupes caractéristiques des acides carboxyliques et une fonction amide.