BAC Physique Chimie Specialite 2008 S .pdf



Nom original: BAC_Physique-Chimie-Specialite_2008_S.pdf
Titre: Physique-Chimie Specialite - 2008 - Scientifique

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BACCALAUREAÏGENERAL

2008
sEssroN

PHYSIQUE-CHIMIE
Série S

NURÉEOT I'ÉPREUVË: 3 h

bes ESTautorisé.
Ges

site pas de feuillede papier
millimétré.
es donnéessonf en italique.

Ce sujet comporteun exercicede CHIMIE et deux exercicesde PHYSIQUE
présentés
de 1 à 13.
sur 13 pagesnumérotées

Le candidatdoit traiterles trois exercicesdans I'ordrequ'il souhaite,ceux-ciétant
indépendants
les unsdes autres.

SPYSSMEl

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l. LESCOULEURSDU BLEUDE BROMOTHYMOL(6,5points)
EXERCTCE
Les indicateurscoloréssonf des entitéschimiquesétonnantesqui ont la propriétéde changerde
couleuren fanctiondu pH de la solutionaqueusequi les contient.
le premierindicateurcoloréfut un extrait
lJtiliséau XVtlté* srêclepour desdosagesacido-basiques,
de tournesol.Ptusieursautresindicateursnaturelsfurentufillséscommele chou rouge,l'artichautou
Ia betterave.Le XIX'^" sièclevoit l'essorconsidérablede ta chimieorganiqueet la miseau point de
nouveIIes suôsfancesqui serviront d'indicateurscolorés.
étudié est le bleu de bromothymolque I'on note
Dans cef exercice,l'indicateurcolaréacido-basique
souventBBT.ll constitueun coupleacide/basedont la forme acide,notéeHln, et la forme basique
notéeln-, ant desfeinfesdifférentesen solutionaqueuse.
L'objectifde cet exercice est d'étudierun titrage acido-basiqueen présencede bleu de bromothymol,
puisde caractériser
cet indicateurcoloré.
Danstout l'exercice,la températuredes so/utionsesf égaleà 25 "C.
1. Titrageacido-basiqueavec le bleu de bromothymol.
*
Au laboratoire,un flacon de solution aqueused'hydroxydede sodium (Na + HO -) a une
concentrationmolaireinconnue.L'objectifde cette partieesf de déterminerpar titragela concentration
molaire cs d'hydroxydede sodium dans cette solutionnofée S. On admettradans cette partieque le
bleu de bromothymolconvientpour ce titrage.
Protocole:
On prélève avec précisionun volume Vs = 10,0 mL de la solutionS gue I'on verse dans un
erlenmeyer.On titre cet échantillonpar de I'acide chlorhydrique(HsA' + C(, ) dont la concentration
molaireesf ca=1,00 x 10-1mol.L-1, êfr présencede quetquesgoulfesde bleu de bromothymot
commeindicateurde fin de titrage.ll faut verserun volumeVe = 12,3mL de ta solutiontitrantepour
nce.
atteindre l'équivale
supportdu titrage.
de la réaction
1.1.Écrirel'équation
misen jeu danscetteréaction.
1.2.ldentifierles couplesacide/base
d'untitrage.
1.3.Définirl'équivalence
partir
molaireca d'hydroxydede
déterminerla concentration
1.4. À
des résultatsexpérimentaux,
S.
sodiumde la solution
du bleude bromothymol."
2. Questionsautourdu coupleacido-basique
de I'acideHlnavecI'eau.
de la réaction
2.1.Êcrirel'équation
la
constanted'aciditéKa du coupleHln(aq)lln-(aq).Donnerson
2.2. Rappelerla définitionde
à partirde l'équationde la réactionprécédente.
expression
du pKadu bleu de bromothymol.
3. Détermination
on relèvelesvariationsde /?bsorbanceA des formes acideet
3.1. Â l'aide d'un spectrophotomètre,
basiqued'une solutiande bleude bromothymolen fonctionde la longueurd'andel de la radiation
(figure1) :
lumineusetraversantla solution.On obtient/es courbessur'vanfes

SPYSSMEl

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550

Figure1
600nm
La forme açide Hln du bleu de bromothymol
donne en solution agueuse une coloration 750 nm
jaune.
On rappellequ'une solutionest coloréesi elle
absorbe une parlie des radiations de Ia
lumièreblanche.
Sur l'étoile ci-contre (figure 2), la lumière
perçue(c'esf â dire la couleurde la solution) 400 nm
est /a couleur diamétralementopposéeà la
couleurabsorbée.

580nm

530nm

480 nm
Figure2
de la forme basiqueIn- du bleu de
3.1.1. Pour quelle longueurd'onde I'absorbance
est-ellemaximale?
bromothymol
correspondante
?
3.1.2.Quelleestla ceuleurde la lumièreabsorbée
par
en
In
la
forme
basique
du
bleu de bromothymol
donnée
En
déduire
la
couleur
3.1.3.
agueuse.
solution
de la forme
afinque I'absorbance
3.2.À quellelongueurd'ondeÀ faut-ilréglerle spectrophotomètre
maximale?
acidesoitquasimentnulleet cellede la formebasiquedu bleude bromothymolsoit
de so/ufionsde volumeV -- 10,0mL dont les valeursdu pH sont
3.3. On a préparétreize échantillons
on ajouteun volumeVo= 1,AmL de
croissanles(voir tabteauci-après).À chacun des échantillons,
molairec6= 3,Ax 10-a mal.L- 1.
sotutionSode b/eude bromothymolde concentration

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An appellec la concentrationmolairedu bleu de bromothymolapportédans ces so/uflons.
: c = {Hlnl* + ftn' luo
On rappelle
Aprês réglage du zéra du spectrophotomètre,on peut admettreque I'absorbancede lelles so/ufions
s'exprimepar: A = A*n * A,nrespecfivesdes espècesHln et ln-.
où An, et A,, sonl les absorbances
à la
On mesurealorsle pH de chacunede ces softrûonsef aprdsavoir réglé un spectrophotomètre
longueur d'onde As précédemmentdéterminée,on mesurel'absorbanceA de chacune de ces
solufionsen utilisantdes cuyesidentiques.Les résuffafssontregroupésdans les tableauxcr'-dessous.
s2
s3
s4
Sg
S6
Sz
5,2
4,4
4,8
5,8
7,0
6,1
6,7
0
Absorbance
A
a
0
0,004 0,008 0,260 0,424
Couleurde la solution JAUne Fune jaune Iaune laune verte verte
Salution

Sr

pH

Solution

S6

Se

Sro

Sr

Srz

Sra

pH

7,6
8,2
7,3
8,7
9,5
8,8
AbsorbanceA
0,630 0,794 1,050 1,490 1,094 A^"r= 7,094
Couleur de la solution vefte vefte bleue bleue bleue
bleue

3.3.1.Calculerla quantitéde matièrenssl ên bleu de bromothymol
apportédans chaque
solution.
molairec en bleu de bromothymol
3.3.2.Montrerque la concentration
apportédanschaque
-5
=2,7
vautc
x 10 mol.L-l.
solution
des
3.3.3.En utilisantla question3.2, montrerqu'àla longueurd'onded'étuded l'absorbance
peuts'écrirei A - A,n-.
sofutions
On peut montrer que I'absorbancedes sorufions esf alorc donnée par :
A = A,,- = k Ûn' leooù k est une canstantede proportionnalité.
3.3.4. Dans la solution513,l'absorbanceesf maximaleet a pour valeurAr"r. An peut alors
supposerque la concentration
effectiveen Hln dansceffe solutionest négligeabledevantcelle
en ln-.
Quelleest alorsla relationentreAr"* et c ?
"3.3.5.
À partirdes questions3.3.3 et 3.3.4,montrerque dans les solutionsétudiées,la
concentration
effectiveen In - peutse calculerpar :
A ."
lrn
lléq =
L
Ar",

3.4. À paftir des rnesures précédentes,i/ esf possible de calculerles concentrations effectives des
formes acide (fHln]éq:c-1ln-16r) et basique du bleu de bromothymol dans chacun des treize
échantillons et ainsi de construire le diagramme de distribution des espêces du couple Hln/ln
(figure 3).

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Page

'll13

'16o(x 10'smol.L'1)
[Hln]noet !n

Légende :
--r-

: [ln -]60

-*

: filnlno

Figure3
3.4.1.Pourquellevaleurde pH la concentration
effectiveen Hln est-elleégaleà celleen In -?
trouverla relationentiele pH et le pK4.
À partirde la question2.2 appliquéeà ce cas particulier,
à 25"C.
Endéduirele pKndu bleude bromothymol
3.4.2. On considèrequ'une solutionde bleu de bromothymol,éclairéeen lumièreblanche,
prend <<sa teinteacide> lorsquepH < pKe- I et qu'elleprend < sa teinte basique> Iorsque
PH >PK o+l.
desespècesacideet basiquedu bleude bromothymol.
Donnerle diagramme
de prédominance
de la solutionde bleude bromothymol.
Ajoutersur le diagrammelescouleursrespectives
de bleude bromothymoldans
la zonede virage?
3.4.3.Quelleestla couleurde la solution
4. Utilisationdu bleu de bromothymolpour le titragede la partie1.
? Comment
contenue
dansI'erlenmeyer
4.1.Quelleestla couleurde la solution
avantl'équivalence
repère-t-on
l'équivalence
?
4.2. Lorsde ce titragele pH du mélangeréactionnelà l'équivalenceesf égalà 7.
convientpource titrage?
Pourquoipeut-onaffirmerque le bleude bromothymol

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EXERCICE
II. UN

VEILEN DOUCEUR(5,5points

On cormmercialiseaujourd'hui des réveils < éveil tumière / éveit douceur >. Le concept utilisé est te
suivant: larsque l'heure du réveil programmé est atteinte,la lampe diffuse une lumière dont l'intensîté
lumineuse augmente progress/vementjusqu'à une valeur maximale. An évite de cette façon un réveil
trop brutal. La durée nécessairepour atteindre la luminosité maximale est modifiable.
Lors d'un atetier scientifique,deux étèves décidentde construireun circuit électriquepermtettant
de

fairevarierdoucementIa luminositéd'unelampe,en utilisantles

d'unebobine.

Dans une premièrepartie, ces propriétéssont mtses en évidencede façon qualitative.Dansune
secondepartie, les é/ôves déterminentl'inductancede la bobine utilisée.Le fonctionnementest
ensurteétudiéexpérimentalement
à t'aide d'une acquisitioninformatique.
Certainesdonnéesne sontpas utilesà Ia résolutionde I'exercice.
1. lnfluenced'unebobinedans un circuitélectrique.
Les é/êves réalisentle circuit représentésur la figure 4. Ce circuit esf consfifuéd'une sourcede
tensionidéalede foraeélectromotrice(fem)E6 d'une bobined'inductance.Let de résistancer, d'un
conducteurohmiquede résistanceR, de mêmevaleurque r et de deux lampesldentrques(U et (Iù .
Données:
Valeurde la fem : E1= 14 Y.
Valeursdonnéespar le constructeur
: L = 1 H, r = Rt = 7 Q.
Dans cette partie seulement,pour simplifierl'analysequalitative,on supposeque chaquetampea te
mêmecompoftement
électriquequ'unconducteurohmiquede résistanceRyuo,ou.
E1
--------*

L, r

ftr)

Figure4
1.1. lmmédiatementaprès la fermeturede l'interrupteurK, les deux lampes ne s'allument pas
simultanément:unelampebrillequasi-instantanément,l'autre
brilleavecretard.
I'autrelampes'allume-t-elle
la première
? Pourquoi
Quellelampes'allume
avecretard?
1.2. Dansla branchedu circuitcontenantla bobine,on peut obseruersuccessiyernent
deux régimes
différentspour le courantélectrique.
Nommercesdeuxrégimes.
1.3.Quepeut-ondirede la luminosité
desdeuxlampesen fin d'expérience
? Justifier.
1.4. An appeller la çonstantede tempscaractérisant
l'évolutiontemporellede l'intensitédu courant
électriquelors de I'associationen série d'un conducteurahmiquede résLsfance
R et d'une bobine
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d'inductanceL. Dans/e cas étudiéR = Rr * RL"*or.La duréenécessairepour atteindrela luminosité
maximaleest de I'ordrede 5 r.
R.
L et de la résistance
1.4.1.Exprimerla constantede tempsr en fonctionde I'inductance
que I'expression
à un
par analysedimensionnelle,
obtenueest bienhomogène
1.4.2.Vérifier
temps.
parun
estdétectable
1.4.3.Justifierparun calculd'ordrede grandeurle faitquece phénomène
On PrendraR =10 Ç).
observateur.
On préciseque l'æil est capable de distinguerdeux images consécutivesséparéesd'au
moins0,1s.
2. Vérificationde la valeurde l'inductanceL de la bobineutilisée.
Dans cettepaftie, /es é/êyescherchentà déterminerprécisémentla valeurde l'inductanceL de la
bobinegui esf utilisée.lls réalisentle montage,représentésurla figure5, permeftantd'enregistrerla
décharged'un condensateurde capacité C = 22 ltF à travers la bobine. Le condensafeuresf
en position1).
initialementchargésousune tensionEz- 6,AV @ommutateur

L,r

Figure5
Aprèsavoir basculéle commutateuren position2, on enregistrel'évolutionde la tensionaux bornes
au coursdu lemps; la courbeobtenueestreprésentéesurla figure6.
du condensateur
à cetteévolutionde la tensionu6(t)aux bomes
le régimecorrespondant
2.1. Commentnomme-t-on
?
du condensateur
des oscillationsobservésur
2.2. Quelle est la cause,en termes d'énergie,de I'amortissement
I'enregistrement
donnéen figure6 ?
un
totaleemmagasinée
dansle circuiten choisissant
temporelle
de l'énergie
2.3.Qualifierl'évolution
parmi: périodique;croissante;
décroissante
adjectifs
ou plusieurs
;sinusoidale.
2.4. On rappetteque la périodepropre Tod'un circuitLC esf égateà To= 2n Jrc et que dans/e cas
est prochede la périodepropreTç.
estfaible,la pseudo-périodef des oscl//aflons
où I'amortissement
puisI'inductance
L de la bobine.
I desoscillations
Déterminer
la valeurde la pseudo-période
?
avecles donnéesdu constructeur
I calculéeest-ellecompatible
2.5. La valeurde I'inductance

SPYSSMEl

Page 7113

ucenv
6
5
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
4
-5
-6
Figure
3. Étudeexpérimentalede la luminositéd'une lampe dans un circuit électriquecontenantune
bobine.
La luminositéde Ia lampeesf /réeà la puissanceélectriquequ'elle reçoit.On rappelleI'expression,
en
conventionrécepteur,de la pulssanceélectriqueinstantanéep(t) reçue par un dipôte soumisà la
tensionu(t) et traversépar un caurantd'intensitéi(t) :
p(t) = u(t).i(t)
Pour étudierl'évolutiontemporellede /a purcsance électrique reçuepar la lampe,/es é/dves réatisent
maintenantle circuit représentésur la figure 7 et procèdentà une acquisitioninformatiquedes
donnéesà l'aide d'une interfacepossédantdeux bornesd'entréenotées(Y) et (Y) et une rnasse
notée(M). lls utilisent la lampe (8), la babine d'inductanceL, un conducteurohmique dont la
résisfancea pour valeurRs = 1 Q et une sourcede tensioncontinuede fem E .

E
--+

Figure7
3.'1. De quelle (s) manière(s)l'énergieélectriquereçue par la lampe est-elle transféréeà
I'environnement
?
3.2. À quelspointsdu circuit(A, B, C ou D) peut-onbrancher(Yr), (Y2)et (M) pourenregistrertes
tensionsu* et uepsur l'interface
d'acquisition
?
3.3. Les éJêvessouhaitentsuivrel'évolutiontemporellede la pulssanceélectriquereçue par la
lampe(U.Apartir desgrandeursmesuréesu* , uaoet de la résistance
Re,exprimer:
3.3.'1.
la tensionu(t)= usçauxbornesde la lampe;
3.3.2.I'intensité
r(f)du courantélectrique
;
3.3.3.la puissance
p(f)reçuepar la lampe.
électrique

SPYSSMEl

Page 8113

3.4. Pourquoiles élèvesont-ilschoisiun conducteurohmiquedont la valeurde résistance
est très
faible?
3.5. la figureI représentel'évolutiontemporeltede /a puissance électriquep(t) reçuepar ta tampe
(Ll. On esfimeque pour réveitlerun individu,ta tumièreesf suffisantelorsqueceflepuissa
nce atteint
90 % de sa valeurmaximale.
À partirde cettecourbe,déterminer
la duréenécessaire
pourpermettrele réveil.
3.6. Cetteduréeest-ellecompatibleavec I'utilisation
d'un tel montagepour une < lampeà diffusion
douce> ? Quelsparamètres
pouvoirmodifierpourcontrôler-la
faudrait-il
âuréedu phénomène
?
penW
12, 0
10, 0
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
tens

SPYSSMEl

Page 9/13

EXERCICElll . VOUS AVEZ DIT <<WHA-WHA > ? (4 points)
La guitareélectriqueestpourvued'un corpsle plussouventplein,autorisantlesluthiersà lui conférer
des formesoriginales.Elleproduitdes sons grâce à des microscaptantet transformantles vibrations
par divers
des cordes en signal électrique.Ce signalpeut ensuiteêtre madifié électroniquement
pédales
puis
(voir
accessot'res
commedes
amplifié
d'effets,
figureci-dessous).

tête ------->

manche ------ç'

pédaled'effets
micro
o ooooo

sélecteur
d'effets

corps

chevalet

La guitare électrique esf composée de six cordes métalliques de longueur utile entre le sillet et le
chevalet 63,0 cm. L'accord traditionnelà vide esf, de la note la plus grave à la plus aiguë : mi1la1 ré2
sol2 sl2 mis, le chiffre en indice indiquant le numéro de I'octave. Une corde esf drle < à vide t>
lorsqu'elle vibre sur foufe sa longueur, Les fréquences des notes produifes à vide par /es cordes
pincées de la guitare sont donnéesdans le tableau suivant :
n" de corde

note
fréquence (Hz)

1

2

3

4

5

6

fitir

lat

fêz

sol2

sIz

lTlls

196,0

246,9

329,6

82,4

110,4

146,8

Une guitare basse électrique fonctionne sur le même principe ayec des nofes p/us graves.
La diversitédes effefsposslb/esavec une guitare électriqueen fait un instrumentpolyvalentet riche
musicalement.Parmila multituded'effetsaccessrblesgrâceà une pédaled'effetson peut citerI'effet
< wha-wha> popularisépar le célèbreguitaristeJimi Hendrix.

Aucuneconnaissance
musicalepréalablen'esf nécessairepour traitercet exercice.

SpYSSMEI

Page 10/13

1. Analysetemporelled'une notede musique.
Un système d'acquisitioninformatisépermet I'enregistrementet la visualisafiondes fensions
électiques associéesaux différentesnofes que peut produire une guitare électrique.Les figures 9 ef
10 se trouvantà la page 12 présententles signauxenregrsfréspour la mêmenote de musiquejouée
par une guitareélectrique(figure9) et par une guitarebasse (figure 10).
1.1 Quelleest la qualitéphysiologique
communedes deuxsonsenregistrés
? Nommerla grandeur
physiqueassociéeà cettequalitéphysiologique.
1.2 Mesurercette grandeurphysiqueen précisantla méthodeutilisée.En tenant compte de
I'imprécision
de la mesure,en déduirela notede musiquejouéepar les deuxinstruments.
permetde distinguer
1.3Quellequalitéphysiologique
cesdeuxsons?
2. Modespropresde vibrationde la corde 6.
L'analysespectraleesf un précieuxoutilpour lesingénieursdu son.Ellepermet aprèsune acquisition
informatiséeet un traitementnumériquede révélerla < signatureacoustique> d'un son en faisant
apparaîtreles cornposantesde basses fréquences$A Hz - 900 Hz) et de fréquencesé/eyées
p0A Hz - 16 kHz) qui le caractérisent.
La figure11de la page 13 conespondau spectreen fréquencedu sonproduitpar la corden" 6 d'une
guitareélectriquejouée à vide.
2.1.Déterminer
la valeurapprochéede la fréquencenotéefl du fondamental
de ce son à partirde la
figure11.Vérifierquecettevaleurestcohérente
avecla donnéedu texte.
2.2.Déterminerles valeurs approchéesdes fréquences,notées fz et fe, des harmoniques
immédiatement
supérieurs
au fondamental.
2.3. Le silletet le chevaletde la guitaresontséparéspar une distanceL = 63,0cm. La conditianentre
l et L traduisantla conditiond'existenced'.Ineondestationnaireentre cesdeux poinfsfîes esf ;
2L=k À
où k est un entier positif
Ën déduireI'expression
de la longueurd'onde2 du mode fondamental.
Calculercette longueur
d'onde.
2.4. Êcrirela relationentrela longueurd'onde2, la céléritév et la fréquencef d'uneondesinusoidale.
2.5.En déduirela céléritédesondesdanscettecorde.
2.6. En jouant, le guitaristebloquela corde sur l'une des barrettesp/acéessur le manche,appelées
freftes,afind'obtenirla notedésirée.Quelest I'effetproduitsur le son ? Justifier.
On admetque la céléritédesondesle longde la cordeest constante.
3. L'effet< wha-wha>.
Les ftgures12 et 13 de la page 13 représentenl/es specfresen fréquence'dusonde la figure 11 sur
lequel on a appliquél'effet pour deux posiflonsertrêmes de la pédale d'effets.
En comparantces trois spectres,préciserquels sont les effets de la pédalewha-whasur les
propriétés
physiologiques
du sonproduitdansles mêmesconditions
d'attaquede la corde.

SPYSSMEl

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300
200
100
0
- 100
- 200
- 300
- 400
- 500
tèmpsen ms

Figure9 : oscillogrammedu son émis par la guitareélectrique

100

50

0
-50

- 100

- 150

- 200

Figure10 : oscillogrammê
du son émis par la guitarebasse

SPYSSMË1

Page 12113

Spectresen fréquencedu son à vide de la corde 6

I

, J"*Rtituo"

7

7

o

6

5

5

4

4

3

3

2

2

,|

1

0

0

Figure 1l : sans effet < wha-wha >

Figure 12: avec I'effet e wha-wha > activé
(pédale en Position 1)

I
7
o

I

5
4
3
2
4
I

Figure 13 : avec I'effet < wha-wha > activé
(pédale en position 2)

sPYSSMEl

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