EXERCICE I - LE SATELLITE PLANCK

BACCALAURÉAT GÉNÉRAL SUJET ZERO
______ PHYSIQUE-CHIMIE Série S
____ DURÉE DE L'ÉPREUVE : 3 h 30 - COEFFICIENT : 6
______ L'usage d'une calculatrice EST autorisé Ce sujet ne nécessite pas de feuille de papier millimétré
Ce sujet comporte trois exercices présentés sur 15 pages numérotées de 1 à
15. La page des annexes (page 15) EST À RENDRE AVEC LA COPIE, même si elle n'a
pas été complétée. Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont indépendants les uns
des autres.
LE SATELLITE PLANCK (6 points) 1 Synthèse : la mission « Planck »
Les astrophysiciens tirent des informations précieuses de l'étude du
rayonnement électromagnétique en provenance de l'Univers tout entier. Le
satellite PLANCK a été conçu pour détecter une partie de ce rayonnement
afin de mieux connaître l'origine de l'Univers. Les documents utiles à la résolution sont donnés aux pages 3 et 4. À l'aide des documents et en utilisant vos connaissances, rédiger, en 30
lignes maximum, une synthèse argumentée répondant à la problématique
suivante : « Comment les informations recueillies par le satellite Planck permettent-
elles de cartographier "l'Univers fossile" ? » Pour cela, présenter le satellite Planck et sa mission. Préciser ensuite
les principales caractéristiques du rayonnement fossile (source, nature,
intensité et direction, longueur d'onde dans le vide au maximum d'intensité
?max). Justifier alors l'intérêt de réaliser des mesures hors de
l'atmosphère et conclure enfin sur la problématique posée, en expliquant
notamment le lien entre cartographie du rayonnement et cartographie de
l'Univers.
2 Analyse du mouvement du satellite Planck
Pour éviter la lumière parasite venant du Soleil, le satellite PLANCK a été
mis en orbite de sorte que la Terre se trouve toujours entre le Soleil et
le satellite. Les centres du Soleil, de la Terre et le satellite Planck
sont toujours alignés.
La période de révolution de la Terre et celle du satellite autour du Soleil
sont donc exactement les mêmes : 365 jours. Représenter par un schéma les positions relatives du Soleil, de la Terre et
de Planck.
Montrer, sans calcul, que cette configuration semble en contradiction avec
une loi physique connue. Proposer une hypothèse permettant de lever cette contradiction. DOCUMENTS DE L'EXERCICE I Document 1 : Découverte du rayonnement fossile
|En 1965, afin de capter les signaux de l'un| |
|des premiers satellites de | |
|télécommunication, deux jeunes | |
|radioastronomes du laboratoire de la Bell | |
|Telephone, Penzias et Wilson, entreprennent| |
|d'utiliser une antenne de 6 mètres | |
|installée sur la colline de Crawford, à | |
|Holmdel (USA). À leur grande surprise, les | |
|deux scientifiques tombent sur un étrange | |
|bruit de fond radio venant de toutes les | |
|directions du ciel. | |
|La très faible intensité du signal détecté | |
|ne varie ni au fil du jour, ni au cours des| |
|saisons. Ce signal est étranger au Soleil | |
|et à la Voie Lactée. | |
|Penzias et Wilson viennent de détecter le | |
|« rayonnement fossile ». Ils reçoivent le | |
|prix Nobel en 1978. | |
|Très vite, le rayonnement fossile procurera la « première image de |
|l'Univers ». Il lèvera le voile sur une époque cruciale : quelques |
|centaines de milliers d'années après le Big Bang. À cette époque, des |
|grumeaux de matière sont déjà assemblés afin de constituer les embryons de |
|nos galaxies. |
|À force d'analyse et de déduction, les spécialistes sont parvenus à |
|retracer ce qu'a pu être le parcours du rayonnement cosmique : |
|L'Univers a rapidement été composé de matière "ionisée" dans laquelle la |
|lumière ne se propage pas ; les grains de lumière, les photons, se heurtent|
|aux particules, sans cesse absorbés puis réémis en tout sens. Le cosmos se |
|comporte alors comme un épais brouillard. |
|Puis l'Univers se dilate, la température s'abaisse. Pour une valeur de la |
|température de l'ordre de 3×103 K, les électrons s'assemblent aux protons. |
|On entre alors dans l'ère de la matière neutre : les charges électriques |
|s'apparient et se compensent. Les atomes se créent. L'Univers devient |
|transparent : quelques centaines de milliers d'années après le Big Bang, le|
|rayonnement émis par l'Univers se comportant comme un corps noir peut alors|
|se propager librement. Le rayonnement fossile détecté de nos jours a ainsi |
|cheminé pendant près de quatorze milliards d'années. Durant cette période, |
|l'Univers s'est dilaté, expliquant ainsi que le rayonnement fossile perçu à|
|l'heure actuelle correspond au rayonnement émis par un corps noir à la |
|température de 3 K. |
|D'après |
|http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosbig/decouv/xcroire/rayFoss/niv1_1.htm | Document 2 : Atmospheric opacity versus wavelength (Opacité de l'atmosphère
en fonction de la longueur d'onde)
D'après Wikipedia
Document 3 : Matière et rayonnement - Loi de Wien : ?max.T = A
A est une constante telle que A = 2,9 mm.K
?max est la longueur d'onde dans le vide au maximum d'intensité émise par
le corps noir de température T.
- L'intensité du rayonnement émis par une source dépend de sa densité de
matière.
Document 4 : Domaines du spectre électromagnétique en fonction de la
longueur d'onde (échelle non respectée) Document 5 : Lancement du satellite Planck Le satellite Planck a été lancé le 14 mai 2009 par Ariane 5 depuis le
Centre Spatial Guyanais à Kourou. Les premières observations du ciel ont
commencé le 13 août 2009 pour 15 mois de balayage du ciel sans
interruption. Planck balaie l'intégralité du ciel et fournit une cartographie du
rayonnement cosmique fossile.
Le signal détecté varie légèrement en fonction de la direction
d'observation. L'analyse du signal permet de révéler l'inhomogénéité de l'Univers
primordial. Ces observations donnent des informations uniques sur l'origine
et l'assemblage des galaxies, et permettent de tester différentes
hypothèses sur le déroulement des premiers instants qui ont suivi le Big
Bang. D'après des communiqués de presse du CNES
L'ANESTHÉSIE DES PRÉMICES À NOS JOURS (9 points) Pendant longtemps la chirurgie a été confrontée au problème de la
douleur des patients. Ne disposant d'aucun produit permettant de la
soulager, le médecin ne pouvait pratiquer une opération « à vif » du
patient.
L'éther diéthylique était connu depuis le XVIème siècle, mais ce n'est
qu'en 1840 que William T.G. Morton eut l'idée de l'utiliser afin d'endormir
un patient. Et il fallut attendre l'automne 1846 pour que, dans deux
amphithéâtres combles, le docteur John Warren, assisté de William Morton,
réussisse deux opérations chirurgicales indolores pour les patients.
L'anesthésie venait de naître et allait permettre un essor bien plus rapide
de la chirurgie ...
Données : |Composé |Éthanol |Éther |Eau |Éthylène |
| | |diéthylique | |ou Ethène |
| | |ou Ether | | |
|Formule brute |C2H6O |C4H10O |H2O |C2H4 |
|Température |78 |35 |100 |-104 |
|d'ébullition sous une | | | | |
|pression de 1 bar (en°C| | | | |
|) | | | | |
|Masse molaire (g.mol-1)|46 |74 |18 |28 |
> Masse volumique d'une solution aqueuse d'hydroxyde de sodium : ( = 1,0
g.mL-1 ;
> Masse volumique de l'éthanol : (éthanol = 0,81 g.mL-1 ;
> Masse volumique de l'éther diéthylique : (éther = 0,71 g.mL-1 ;
> L'eau et l'éther ne sont pas miscibles ;
> La température du laboratoire est de 20°C.
Partie A : Synthèse de l'éther diéthylique
1 Choix d'un protocole
La synthèse de l'éther diéthylique peut se faire par déshydratation de
l'éthanol. Cependant selon les conditions opératoires choisies, la
déshydratation peut aboutir à deux produits différents.
Les deux équations de réaction correspondantes sont les suivantes : CH3-CH2-OH > CH2=CH2 + H2O
2 CH3-CH2-OH > CH3-CH2-O-CH2-CH3 + H2O La température joue un rôle important dans l'orientation de la réaction :
une température moyenne favorise la formation de l'éther diéthylique, une
température élevée cel