0708-1S-16mai-compo3.doc

NOM : 16 mai
2008
COMPOSITION DE PHYSIQUE ET CHIMIE
Première S4
Durée : 3h30 TOTAL : 60 points
Calculatrice autorisée
PHYSIQUE
Remarque : toutes les grandeurs en « gras » dans l'énoncé sont des
vecteurs.
Exercice 1 (12 points / ( 55 min)
On place une aiguille aimantée horizontale au centre d'un solénoïde
horizontal dont l'axe est perpendiculaire au plan du méridien magnétique du
lieu (plan contenant ce lieu et les pôles magnétiques terrestres). Le
solénoïde de longueur 50 cm comporte 500 spires. 1 . En l'absence de courant dans le solénoïde, comment est orientée
l'aiguille par rapport à l'axe du solénoïde ? (1 pt)
2 . On fait passer dans le solénoïde un courant électrique d'intensité I
ajustable.
a . Le schéma ci-dessous représente la situation vue de dessus.
Compléter le schéma en y faisant figurer la composante horizontale BTH du
champ magnétique terrestre, le champ magnétique BS créé par le courant dans
le solénoïde et le champ magnétique B résultant. Noter ( l'angle entre le
champ résultant B et le champ terrestre horizontal BTH. (2 pts)
[pic] b . Quelle relation peut-on écrire entre (, BTH et BS ? En déduire
une relation entre (, BTH et I. (2 pts)
c . On mesure l'angle ( pour différentes valeurs de I. Les valeurs
sont regroupées dans le tableau suivant :
I (mA)
|0 |
5
|
10
|
15
|
20
|
25
|
30
|
35
|
40
| |( (°) |0 |18 |32 |43 |51 |57 |62 |65 |68 | |
Grâce à une représentation graphique adéquate, déterminer la valeur de BTH.
(4 pts)
3 . L'aiguille aimantée est ensuite accrochée à un étrier et placée à
l'extérieur du solénoïde. Placée dans le plan méridien magnétique, elle
s'incline d'un angle ( par rapport à l'horizontale (voir schéma ci-
dessous). [pic] Soit BTV la composante verticale du champ magnétique terrestre.
a . Quelle relation peut-on écrire entre (, BTH et BTV ? (1 pt)
b . On mesure un angle ( de 64,5 °. Calculer BTV. (1 pt)
4 . Calculer la valeur du champ magnétique terrestre BT. (1 pt) Donnée : (0 = 4( . 10-7 SI Exercice 2 ( 23 points / ( 1h15min)
I . Une barre cylindrique conductrice de longueur l = 20 cm, de masse m =
30 g, est posée sur deux rails métalliques horizontaux distants de d = 10
cm, perpendiculaires à la barre et reliés à un générateur continu imposant
une tension UPN= 24 V constante aux bornes du circuit. On note I l'intensité du courant électrique qui circule dans le circuit (et
donc dans la barre) lorsque le générateur fonctionne.
La résistance par unité de longueur des deux rails ainsi que de la barre
cylindrique est r = 50 (.m-1. (cela signifie que 1 mètre de rail ou de
barre a une résistance de 50 ohms) La barre glisse sans frottements sur les rails. L'ensemble est placé dans
un champ magnétique vertical de valeur B = 0,5 T.
On attache à cette barre un fil relié à une masse. Une poulie transforme le
mouvement horizontal de la barre en un mouvement vertical pour la masse. On
suppose que la masse est soulevée à la vitesse constante v. (voir schéma ci-
dessous) [pic] 1 . Représenter sur le schéma ci-dessus le sens du courant électrique dans
le circuit ainsi que le vecteur champ magnétique. (1 pt)
2 . Représenter sur le schéma, sans souci d'échelle, les différentes forces
qui agissent sur le système (barre cylindrique(. (2 pts)
3 . Que peut-on dire des intensités de la force de Laplace et de la tension
du fil qui s'appliquent sur le système étudié ? (2 pts)
4 . En déduire l'expression de l'intensité électrique I du courant dans le
circuit en fonction de m, g, d et B. (1 pt)
5 . Le dispositif « rail + barre plongés dans le champ magnétique » peut
être considéré comme un moteur électrique. Comme pour tout moteur, le bilan
de puissance peut être schématisé de la manière suivante :
[pic]
On néglige la résistance des fils conducteurs reliant le générateur aux
rails. On suppose dans cette première partie que la résistance totale R du
circuit ne varie pas lors du mouvement de la barre. a . Exprimer la puissance électrique Pélec reçue par le moteur. (1 pt)
b . Exprimer en fonction de m, g et v, la puissance mécanique Pméca fournie
par le moteur. (1 pt)
c . Exprimer la puissance dissipée par effet Joule PJ en fonction de R, m,
g, d et B. (1 pt)
II . Les deux rails précédents sont maintenant fixés sur un plan incliné
formant un angle ( de 30° avec l'horizontale.
Le montage est placé dans un champ magnétique uniforme perpendiculaire au
plan incliné de valeur B = 0,5 T.
On note x la distance de la tige à la base des rails (voir schéma ci-
dessous). [pic] 1 . Représenter sur le schéma ci-dessus le vecteur champ magnétique pour
que la barre cylindrique subisse une force de Laplace dirigée vers le
sommet du plan incliné. (1 pt)
2 . Pour une position quelconque x de la barre, exprimer la longueur L du
circuit (on ne prend pas en compte les fils de connexion qui relient le
générateur aux rails). (1 pt)
3 . En déduire l'expression de la résistance R du circuit en fonction de x,
d et r. (1 pt)
4 . En appliquant la loi d'Ohm, exprimer la valeur de l'intensité I du
courant électrique dans le circuit en fonction de x, d, r et UPN. (1 pt)
5 . En déduire une expression de l'intensité de la force de Laplace qui
agit sur la barre en fonction de x, d, r, UPN et B. (1 pt)
6 . Pour quelle valeur de x la tige est-elle en équilibre ? (On écrira la
condition d'équilibre sous la forme d'une équation vectorielle que l'on
projettera sur un repère convenablement choisit) (3 pts) III . Le dispositif précédent est légèrement modifié. En effet, les rails
ne sont plus parallèles. Ils sont séparés à leur base par une distance d et
forment entre eux un angle ( = 20°. Leurs extrémités supérieures sont très
proches l'une de l'autre sans pour autant être en contact électrique.
Le montage est placé dans un champ magnétique uniforme vertical de valeur B
= 0,5 T.
On note x la distance de la tige à l'extrémité supérieure des rails et y la
longueur de barre effectivement parcourue par le courant électrique.
Le générateur débite dans le circuit un courant électrique d'intensité I =
6 A [pic] 1 . Représenter sur le schéma ci-dessus le vecteur champ magnétique pour
que la tige subisse une force de Laplace qui la pousse vers le sommet du
plan incliné. (1 pt)
2 . Exprimer la valeur de l'intensité de la force de Laplace qui s'exerce
sur la barre en fonction de x, I, B et (. (2 pts)
3 . Pour quelle valeur de x la tige est-elle en équilibre ? (On écrira la
condition d'équilibre sous la forme d'une équation vectorielle que l'on
projettera sur un repère convenablement choisit) (3 pts) Donnée : g = 9,81 N.kg-1
CHIMIE Exercice 1 (21 points / ( 1h15min)
( Dans un ballon bicol de 250 mL, introduire une masse m = 10,0 g de
cyclohexanol C6H11OH et un volume V = 65,0 mL d'acide acétique pur.
Réaliser un montage à reflux et placer un volume V' = 110 mL d'eau de Javel
dans l'ampoule de coulée (voir schéma ci-après). L'eau de Javel est une
solution aqueuse ionique contenant, entre autres, des ions hypochlorite ClO-
(aq) ; dans celle utilisée, ( ClO- (aq) ( = C = 1,10 mol.L-1 ( Ajouter goutte à goutte la solution d'eau de Javel en agitant et en
maintenant le mélange à une température inférieure à 20°C à l'aide d'un
bain eau-glace. En fin d'addition, agiter le mélange pendant une demi-heure
tout en continuant à le refroidir. ( Dans un tube à essai contenant 1 mL de solution d'iodure de potassium,
ajouter une goutte du mélange obtenu. Une coloration brune due à la
formation de diiode apparaît. Elle indique la présence d'un excès d'oxydant
dans le ballon. ( Ajouter alors goutte à goutte une solution d'hydrogénosulfite de sodium,
Na+(aq) + HSO3-(aq), jusqu'à ce que la solution contenue dans le ballon
perde sa teinte jaune et donne un test négatif avec l'iodure de potassium.
Verser ensuite le mélange dans 150 mL de solution aqueuse glacée et saturée
en chlorure de sodium. A l'aide d'une ampoule à décanter, éliminer la phase
aqueuse et rincer la phase organique avec une solution d'hydrogénocarbonate
de sodium Na+(aq) + HCO3-(aq), jusqu'à ce que la solution ait un pH
voisin de 7 (test au papier pH). ( Récupérer la phase organique dans un erlenmeyer ; y ajouter deux ou trois
spatules de sulfate de magnésium anhydre pour éliminer les traces d'eau.
Filtrer. Peser le liquide obtenu. 1 . Légender le schéma du montage utilisé pour cette réaction. (2,5 pts)
2 . Quel est l'intérêt d'un tel montage ? (1,5 pts)
3 . Donner la formule développée du cyclohexanol. A quelle famille de
composés organiques cette molécule appartient-elle ? (1 pt)
4 . Donner la formule développée de l'acide acétique (encore nommé acide
éthanoïque). A