Bacs STLspeSPCL STi2D Physique Chimie Redoub

7/28/2019 Bacs STLspeSPCL STi2D Physique Chimie Redoub

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BACCALAURAT TECHNOLOGIQUE

SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L'INDUSTRIE ET DUDVELOPPEMENT DURABLE (STI2D)et

SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LABORATOIRE

spcialit PHYSIQUE ET CHIMIE EN LABORATOIRE(STL SPCL)

- Session 2013 -

preuve de PHYSIQUE CHIMIE

- Candidats redoublants -Ce sujet est traiter par les candidats ayant prsent les preuvesterminales du baccalaurat lors d'une session prcdente (programme

limitatif)

Dure de l'preuve : 3 heures Coefficient : 4

Ds que le sujet vous est remis, assurez-vous quil est complet.Ce sujet comporte 15pages.

Les documents rponse sont rendre avec la copie

L'usage d'une calculatrice est autoris.

Il est rappel aux candidats que la qualit de la rdaction, la clart et la prcision des explications

entreront dans l'apprciation des copies. Toute rponse devra tre justifie.


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BIENTT LES VACANCES

Maurice, passionn de cyclotourisme depuis de nombreuses annes, aimeraitcomprendre la Physique qui se cache derrire ses efforts. Pour cela, il utilise le livre de

Franois Piednoir Pdaler intelligent, la biomcanique du cycliste (Editeur : FFCTFdration Franaise de Cyclotourisme) et son vieux livre de physique du lyce.

Suite des ennuis de sant, il dcide de squiper pour ses prochaines vacances dunvlo assistance lectrique (V.A.E). Son choix se porte sur le modle dont un descriptiftechnique est donn dans lannexe B1.Il souhaite voyager en gardant une grande autonomie (communication, alimentation,),se protger efficacement des rayons du soleil et privilgier des hbergements co-responsables pour la nuit.

Afin de prparer son voyage dans de bonnes conditions, Maurice se pose un certainnombre de questions relatives aux sciences physiques et chimiques. Vous l'aiderez trouver les rponses ses interrogations.

Le sujet comporte quatre parties A, B, C et D indpendantes entre elles.

Chaque partie ncessite dutiliser les annexes (A, B, C et D) et les documentsrponses(DR1 DR6) placs la fin du sujet et rendre avec votre copie.

Partie A : les questions de Maurice.

Partie B : le vlo assistance lectrique (V.A.E.).

Partie C : les quipements personnels de Maurice.

Partie D: la sant et lhygine.


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Partie A - Les questions de Maurice

Maurice s'interroge sur les notions de braquet, de dveloppement, de frquence de pdalage et de force motrice .de sa bicyclette (sa randonneuse ).Aidez-le comprendre

A.1. Braquet et dveloppement

A.1.1. En vous aidant de l'annexe A2, expliquer la signification d'un braquet 30/15.

A.1.2. Pourquoi le braquet (not Br) est-il exprim sans unit ?

A.2. Frquence de pdalage

Avec un plateau de 43 dents, le braquet idal dun cyclotouriste que lon notera Br2doit tre le plusproche possible de 2,5.

A.2.1. Calculer le dveloppement D (en m) de la bicyclette lorsque le dveloppement est

Br =

= 2,53 (annexe A1 et A2)

A.2.2. En dduire la frquence de pdalage fp de Maurice, exprime en tour.min-1, lorsquil roule

une vitesse v = 22,5 km.h-1(la frquence de pdalage correspond aux nombres de tours depdalier effectus en une minute).

A.2.3. Vrifier que cette valeur est conforme aux frquences de pdalages descyclotouristes (annexe A3).

A.3. La force motrice

Reprsenter l'chelle sur le document rponse DR1 rendre avec la copie, le vecteur force

motrice F qui permet Maurice de rouler vitesse constante sur une route rectiligne ethorizontale. En utilisant l'annexe A4, justifier la rponse.


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ANNEXE A- Les questions de Maurice

LebraquetBr est le rapport entre le nombre de dents de la couronne du pdalier (leplateau) et le nombre de dents de la couronne de la roue libre (le pignon).

Par exemple, le braquet correspondant un plateau de 43 dents et un pignon de 18 dentss'crit 43/18, soit Br = 2,39.

Le dveloppementDest la distance

parcourue (en m) chaque tour de pdalier.Il dpend du braquet et du rayon r de la roue :D = Br x 2 x r

A2 - Dfinitions du braquet et du dveloppement

Dans la pratique, la frquence de pdalage fpest trs variable selon le moment,l'endroit, le cycliste, son style et ses motivations. Il y a de grands moulineurs et descyclistes frquence plus lente.Elle est leve en comptitions (de l'ordre de 100 tours de pdalier par minute), plusmodre chez les cyclotouristes chez qui elle est situe aux alentours de 70-80 toursde pdalier par minute.

A3 - La frquence de pdalage fp

Maurice:ge : 55 anstaille : 1,70 mmasse : m1= 70 kg

Randonneuse de Maurice:roues de 26 pouces (rayon r = 315 mm)masse du vlo : m2= 11,5 kgmasse des bagages : m3= 16 kgplateaux (nombre de dents) : 50-43-30pignons : 13-14-15-17-19-21-23-25-28

A1 - Les donnes : Maurice et sa randonneuse

Pour un observateur terrestre, tout corps persvre dans son tat de repos ou demouvement rectiligne uniforme, si les forces qui s'exercent sur lui se compensent .

A4 - Le rinci e dinertie


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Partie B - tude du vlo assistance lectrique (V.A.E.).

Avec son vlo assistance lectrique (V.A.E.), Maurice souhaite raliser, en trente jours,un Tour de France dune distance de 2400 km environ. Il prvoit quelques tapes demontagne. Vous devez lui expliquer :

- le fonctionnement de l'accumulateur,- le principe de l'assistance lectrique illustr par des cas concrets,- les avantages du V.A.E. par rapport sa "randonneuse".

B.1. Laccumulateur Li-Mn

B.1.1. Vrifier si le choix du type d'accumulateur (batterie) est judicieux pour raliser un trajetjournalier moyen et pour recharger laccumulateur (annexe B1).

B.1.2. Prciser quelles grandeurs physiques correspondent les indications 8,8 Ah et 422 Wh quifigurent sur le descriptif technique en annexe B1.

B.1.3. Calculer lintensit I du courant constant pouvant tre dbit pendant un dure de 6 hjusqu la dcharge complte de laccumulateur.

B.1.4. Calculer la duret dutilisation de laccumulateur (jusqu sa dcharge complte) si lapuissance consomme par le moteur et les quipements vaut P = 140 W.

B.1.5. Aprs avoir consult le principe de laccumulateur Li-Mn (annexe B2), complter ledocument rponse DR2 rendre avec la copieen indiquant : les sens de dplacement des porteurs de charges (lectron et ion lithium) et le sens du

courant I lorsque la batterie se dcharge. les polarits de l'accumulateur. les noms des lectrodes et des ractions qui s'y produisent.

Justifier chacune des rponses et crire notamment l'quation de la raction chimique quise produit au niveau de l'lectrode en carbone (C).

B.1.6. Lors de la recharge de l'accumulateur, donner la nature (continue ou alternative) et lavaleur de la tension U (annexe B3).

B.2. Lassistance lectrique

B.2.1. Dfinir le moment de la forceF en donnant son expression et en compltant le documentrponse DR3 rendre avec la copie.

B.2.2. Donner la relation du moment C du couple moteur en fonction de la puissance mcaniqueP du moteur et de la vitesse de rotation (rad.s-1). Calculer la vitesse de rotation (enrad.s-1 puis en tr.min-1) si le moment du couple moteur vaut 40 N.m pour une puissancemcanique de 100 W.

B.2.3. L'objectif est de complter deux chanes nergtiques qui correspondent deux situationsdiffrentes explicites ci-dessous.

Sur les documents rponses DR4 et DR5 rendre avec la copie,indiquer les rsultatsnumriques ainsi que tous les transferts par des flches ( ).Une absence de transfert sera note .X


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a) Situation 1 DR4 ( rendre avec la copie)La route est rectiligne et horizontale, Maurice circule vitesse constante, il n'y a pas devent, le moteur dveloppe une puissance de 100 W, le moment moyen du couple(suppos constant) exerc par le cycliste vaut 30 N.m, la vitesse angulaire du pdalierest 3,5 rad.s-1.

Calculer pour une dure de 15 minutes : W1: travail fourni par Maurice ; W2: travail fourni par le moteur lectrique ; W3: travail du poids ;

b) Situation 2 DR5 ( rendre avec la copie)La route est en descente. Maurice ne pdale pas et ajuste son freinage pour maintenirsa vitesse constante 35 km.h-1.Indiquer uniquement les sens des transferts.

La lgislation impose que lassistance lectrique cesse partir dune vitesse de 25 km.h-1Pour des raisons de scurit, le moteur passe mode dbray (il se coupe) lorsque l'on actionne lesfreins et bascule en mode rcupration d'nergie (il fonctionne en alternateur).

B.2.4. Sachant que la puissance maximale utile du V.A.E. de Maurice est de 250 W, l'aide del'annexe B4 :

a) Dterminer le pourcentage maximal de la pente sur laquelle Maurice peut rouler

15 km.h-1

en maintenant sa puissance musculaire gale 60 W.

b) Dterminer la puissance musculaire que devrait avoir Maurice pour maintenir sa vitesseconstante 15 km.h-1sur une monte 6 % ?

B.3. Les avantages chiffrs du V.A.E.

Lascension de lAlpe dHuez (14,4 km ; 1120 m de dnivel ; 21 virages et une pente moyenne de8 %) avec le V.A.E. une vitesse de 10 km.h-1, ncessite une puissance de 308 W (puissance dumoteur 248 W, puissance musculaire 60 W). Maurice souhaite dterminer la puissance musculairequ'il aurait d dvelopper sans assistance lectrique pour effectuer ce trajet avec sa randonneuseet ses bagages dans les mmes conditions (voir donnes en annexe A1). Pour cela vous devez :

B.3.1. Dterminer le travail du poids P de l'ensemble {Maurice, vlo, bagages} lors de cetteascension ; on prendra g = 9,8 N.kg-1.

B.3.2. Sachant que l'nergie perdue lors de cette ascension, en raison de l'ensemble desfrottements, est de 130 kJ, calculer l'nergie musculaire E qu'aurait d dvelopper Maurice.

B.3.3. Calculer la dure du trajet et en dduire la puissance musculaire qu'aurait d dvelopper

Maurice pour faire lascension avec une vitesse constante de 10 km.h-1.


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ANNEXE B - Les quipements du vlo assistance lectrique (V.A.E).

Motorisation lectrique : Moteur 250 W ; 48V High Torque Brushless BionX

Nombre de programmes moteur : 4 en assistance / 4 en rgnration + booster+ mode piton 6 km/h + rcupration dnergie.

Principe dassistance : proportionnel leffort de pdalage - capteur de coupleintgr au moteur.

Console Ordinateur de bord LCD avec indicateur de charge batterie - gchette -Commande squentielle de changement de mode et booster.

Batterie Li-Mn 48 V 8,8 Ah 422 Wh downtube amovible avec antivol et indicateur

de charge intgr. Temps de recharge batterie : 5 7 h (80 100 %).

Autonomie mini 80 km ; autonomie maxi 130 km.

B1 - Extrait du descriptif technique

B2 - Principe d'un accumulateur Li-Mn

Dans un accumulateur Lithium-ion, des atomes de lithium s'intercalent dans les cavitsdes rseaux cristallins. On utilise une lectrode en oxyde mtallique lithi (LiMnO2) etune lectrode en carbone C spars par un lectrolyte : on obtient ainsi unaccumulateur dcharg. Puis, l'aide d'un gnrateur, on force le lithium passer,sous forme ionique Li+, travers l'lectrolyte, pour rejoindre l'lectrode en carbone, oil rencontre un lectron pour reformer un atome de lithium.Thoriquement, 6 atomes C peuvent accueillir 1 atome Li. Lorsque toutes les cavitssont occupes, la batterie est charge son maximum de capacit. Le lithium est alorsprt pour le voyage retour ! Ci-dessous, un accumulateur charg.

lectrolytenon aqueux

MnO2C

cavit non occupecavit occupe par un atome Li


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U

I++

~

Secteur230 V ; 50 Hz

Transformateurabaisseur

(230 / 48) V ; 50 Hz

~

Convertisseur

de tension

Accumulateur

Li-Mn

B3 - Recharge de laccumulateur

B4 - Gain de puissanceapport par l'assistance lectrique

pente (en %)

P (en W)

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Puissance utile P que devrait fournir un moteur de V.A.E.en fonction de la pente

Le graphique ci-dessus reprsente la puissance que devrait apporter le moteur lectrique enfonction de la pente (exprime en %) pour maintenir une vitesse constante de 15 km.h-1lorsque la puissancede Maurice est de 60 W.

P en W

Pente en %


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Partie C - Les quipements personnels de Maurice

C.1. Le tlphone mobile

Maurice souhaite comprendre la signification des caractristiques et le fonctionnement de sontlphone mobile. C'est un smartphone, quadri-bande (850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz et

1900 MHz), disposant d'une coque munie dune batterie et dun panneau solaire photovoltaque.

C.1.1. Calculer la longueur d'onde de l'onde lectromagntique porteuse si sa frquence vautf = 1820 MHz du tlphone mobile.On donne la clrit de la lumire dans le vide : c = 3,00108m.s-1

C.1.2. En vous aidant de l'annexe C1, indiquer quel domaine du spectre lectromagntiqueappartient ce rayonnement. Justifier le fait que certains scientifiques disent qu'uneutilisation prolonge du tlphone mobile peut s'accompagner deffets indsirables.

C.1.3. Quel est, d'aprs l'annexe C2, le nom de l'oprateur tlphonique de Maurice.

C.1.4. partir du document rponse DR6, prciser ce que reprsente les indications 5,5V / 120mA figurant sur la documentation du panneau solaire (annexe C3).

C.1.5. partir de la caractristique tension-intensit U = f(I) du panneau solaire, reprsente surle document rponse DR6 rendre avec la copie, prciser la zone o le panneau solairese comporte comme un gnrateur de tension.

C.1.6. Dans quelle zone le panneau solaire fournit-il une puissance maximale Pmax. Justifier larponse et estimer la valeur de Pmax.

C.2. La combustion du butane

Pour chauffer de l'eau en vue de prparer un th ou un caf, Maurice prvoit d'emporter avec luiun rchaud gaz qui utilise une cartouchede gaz contenant du butane sous pression. Il souhaitesavoir quelle masse d'eau pourrait tre chauffeavec unecartouche neuve.

C.2.1. Rappeler les risques d'utilisation de la cartouche de gaz(annexe C4).

C.2.2. crire l'quation de la raction de combustion complte du butane C4H10 dans ledioxygne, s'il se forme uniquement du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau.

C.2.3. Calculer l'nergie maximale Q que peut fournir tout le butane contenu dans une cartouchede gaz(annexe C4). Expliquer pourquoi on peut s'attendre une nergie utile Q' infrieure Q.

C.2.4. Calculer la masse m de dioxyde de carbone libr lors de la combustion complte de tout lebutane contenu dans une cartouche pleine (neuve).

On donne les masses molaires (en g.mol -1) :

Hydrogne H Carbone C Oxygne O

1,0 12,0 16,0


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ANNEXE C - Les quipements personnels de Maurice

C1 - Une partie du spectre lectromagntique

(en m)

!s!"#e $% (!n&rar'uge)

04.106

m!*r''nes

103

108.106

'nes ,er-!ennes

C2 - Allocation des frquences sur la bande GSM 1800

Caractristiques techniques d'une coque solaire poursmartphone(extrait)Equipe d'une batterie et d'un panneau solaire, cette coque rechargera facilement etrapidement votre appareil.Chargement possible du chargeur solaire par port USB.

La coque permet galement de protger votre smartphone tout en vous permettant decontinuer prendre des photos ou davoir une conversation tlphonique !Recharge environ 60 65 % de la batterie de votre smartphone en 1h30 environ.Capacit de la batterie : 1600 mAhSortie : 5 V / 1 A Entre : 5 V / 800 mAPanneau solaire : 5,5 V / 120 mA (valeurs pour un clairement maximum)

C3 - Caractristiques techniques d'une coque solaire

C4 - Une cartouche de gaz contenant 190 g de gaz butane

Enthalpie de combustion du butane : 49,51 MJ/kg

(c'est le pouvoir calorifique suprieur (PCS) : il tientcompte de la chaleur latente de condensation de lavapeur d'eau forme lors de la combustion).

Pouvoir calorifique infrieur du butane (PCI) : 4575 M/g


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Partie D : la sant et l'hygineLe rayonnement ultraviolet (UV)

Ayant une peau trs sensible au soleil, Maurice choisit de se protger efficacement, tout en ayantun comportement co-responsable quant au choix de sa protection solaire. Il vous demande de luifournir des informations et des explications concernant le rayonnement solaire et les diffrents

types de crmes solaires disponibles sur le march.

D.1. Calculer l'nergie E1d'un photon de longueur d'onde1= 350 nm (dans le vide) et prciserd'aprs l'annexe D1 le domaine dans lequel se situe le rayonnement correspondant et s'il estvisible.

On rappelle que : L'nergie transporte par un photon vaut E = h., o h = 6,63.10-34J.s (constante de

Planck),dsigne la frquence en Hz.

La clrit de la lumire dans le vide c vaut 3,00.10

8

m.s

-1

D.2. Calculer l'nergie E2d'un photon de longueur d'onde 2= 300 nm (dans le vide).

D.3. D'aprs les calculs prcdents, et pour une mme intensit du rayonnement, indiquer enjustifiant la rponse, lequel de ces rayonnements semble, a priori, le plus nocif.

D.4. L'annexe D2, modifie-t-elle le jugement apport la question D3. Justifier la rponse.

Maurice s'interroge quant la crme solaire utiliser pour protger la peau des rayonnements. Ilsouhaiterait utiliser de prfrence une crme solaire "bio" dont l'impact sur l'environnement seraitminime. L'annexe D3 reproduit un extrait de presse sur les crmes solaires.

D.5. Expliquer la diffrence de mode d'action entre les deux types de crmes solaires et indiquersi la prfrence de Maurice est justifie.


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ANNEXE D - La sant et l'hygine

Les crmes sol!res

On distingue deux types de crmes solaires pour se protger du rayonnementultraviolet :

les crmes solaires minrales dites "bio" qui agissent comme un cranphysique : elles contiennent des fines particules (ZnO, TiO2, talc,...) quirflchissent les UV. Par le pass, ces crmes taient assez difficiles taler,mais actuellement, l'utilisation de nanoparticules (dont l'innocuit estconteste...) corrige ce dfaut.

les crmes solaires organiques qui agissent comme un filtre chimique : ellescontiennent des molcules organiques (oxybenzone,...) qui absorbent les UV,tout comme la mlanine produite (avec un retard gnant...) par notreorganisme. Elles sont faciles taler sur la peau, incolores, mais sont ensuitedifficiles liminer dans les stations d'puration et dangereuses en casd'ingestion.

D3 - Les crmes solaires

Effets biologiques UVA UVBProduction de vitamine D faible oui Bronzage avec paississement de lpiderme faible oui

Pigmentation immdiate de la peau (sauf phototypes I et II) oui non Coup de soleil faible ouiDommage lADN oui ouiCancers cutans oui ouiVieillissement cutan oui ouiEffets sur lil (cataracte) oui oui

D2 - Principaux effets biologiques des rayonnements UV (extrait)

D1 - Une partie du spectre lectromagntique

lo"#$e$r %&o"%e %"s le '!%e

(en nm)

C !s!"#e $% (!n&rar'uge)

400320280 800

m!*r''nes

106

10 109


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DOCUMENTS RPONSES A RENDRE AVEC LA COPIE (DR)

()1 * +$r!ce ro$l", - '!,esse co"s,",e s$r $"e ro$,e .or!/o",le

(&r'--emen-s)

('!s)

(ra*-!'n)

(&r'--emen-s)

('!s)

(ra*-!'n)

()2 * Acc$m$l,e$r L!*+" l!me",", le mo,e$r %$ VAE

Moteur

lectrolytenon aqueux

MnO2C

Electrode : ....................Raction : .....................

Electrode : ....................Raction : .....................

ion lithium Li+cavit non occupe

cavit occupe par un atome Li


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()3 * Sc.m %$ ss,me %&e",r"eme",

chane

plateau (avant)pignon (arrire)

Fixation

Per-es 1

()4 c."e "er#,!$e ro$,e .or!/o",le

Moteur

nergie

..

1 :;;;

Transmission2 :;;; nergie

..

nergie potentielle

de esanteur

3 :;;;

Per-es 2

e

e : travail lectrique

$ : travail mcaniqueutileQ : transfert thermique

$

Maurice (par ses efforts)

Accumulateur du .A.!

"oids de l#ensem$le

nergie

.


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()6 Crc,r!s,!$e ,e"s!o"*!",e"s!, U :

Documents

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