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TSPhysique ChimieLivre du professeurEnseignement de spcialitNouveau programmeCollection Dulaurans DurupthySous la direction de Thierry DULAURANSLyce Fernand-Daguin MrignacAndr DURUPTHYLyce Paul-Czanne Aix-en-ProvencePhysique ChimieTEnseignement de spcialitLivre du professeurSMichel BARDELyce Marcel-Pagnol MarseilleNathalie BARDELyce Saint-Charles MarseilleJean-Philippe BELLIERLyce Michel-Montaigne BordeauxVincent BESNARDLyce Montesquieu BordeauxMarc BIGORRELyce des Graves GradignanJulien CALAFELLLyce Bellevue Toulouseric DAINILyce Paul-Czanne Aix-en-ProvenceMaryline DAINI-DINCANLyce Maurice-Janetti Saint-Maximin-la-Sainte-Baume Marie des Neiges DE FLAUGERGUESLyce du Grsivaudan MeylanMagali GIACINOLyce Paul-Czanne Aix-en-ProvenceNicolas LESCURE Lyce Michel-Montaigne BordeauxVanina MONNET Lyce Michel-Montaigne BordeauxBruno POUDENS Lyce des Graves GradignanIsabelle TARRIDELyce Val de Durance Pertuis Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 2SommaireErratum ............................................................................... 3Thme 1 : Leau1 Eau et environnement ................................................. 42 Eau et ressources ......................................................... 133 Eau et nergie .............................................................. 22Thme 2 : Son et musique4 metteurs et rcepteurs sonores ............................... 295 Instruments de musique .............................................. 356 Son et architecture ....................................................... 46Thme 3 : Matriaux7 Cycle de vie des matriaux ......................................... 518 Structure et proprits des matriaux ....................... 619 Nouveaux matriaux .................................................... 73Pages Bac : exercices et TP ............................................... 80Complmentsvaluation des incertitudes de mesure ............................ 86Couverture : Pierre-Antoine RambaudSuivi ditorial : Patricia LamyMaquette intrieure et composition : PCA / CMB GraphicSchmas : Patrick Hanequand et Jean-Luc Maniouloux Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 3ErratumLors de la rimpression de louvrage, certaines erreurs ont t corriges. Il est donc possible quil y ait diffrentes versions dans votre classe. Voici la liste des corrections qui nous semblent importantes.Les lments modifis sont surligns en jaune.Chapitre 4Page 68, document 3Dans le graphique, il faut remplacer la valeur 1 000 par 1 600 .Chapitre 5Page 95Dans la question 3, il faut lire : r2 = dd.Chapitre 6Page 111La seconde question 3 doit tre numrote 4.Page 121, problme 4Dans lnonc, il faut lire : ...Cette salle possde deux portes en bois, de hauteurs respectives d1 = 2,0 m et d2 = 1,0 m (la surface de ces deux portes est de 4,0 m2), et deux baies vitres, de surfaces respectives S1 = 16 m2 et S2 = 10 m2. On a dispos dans cette salle des chaises en bois dont la surface dabsorption quivalente totale est de 100 m2 . Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 4Analyse et synthse de documents scientifiques1ChapitreEau et environnement1 SO2 + H2O H2SO3 H2SO3 + H2O HSO3 + H3O+ HSO3 + H2O SO32 + H3O+ SO3 + H2O H2SO4 H2SO4 + H2O HSO4 + H3O+ HSO4 + H2O SO42 + H3O+2 a. Ce sont les missions dues lactivit humaine (du grec anthropos signifiant homme ). Valeurbasse:V(combustion)V (total) = 160160 + 80 +10= 0,64 = 64 % Valeurhaute:V(combustion)V (total) = 240240 + 200 +20= 0,52 = 52 %b. Elles auraient tendance dcrotre, car des mesures gouvernementales ont t prises pour limiter les missions industrielles de dioxyde de soufre.3 Les gaz azots qui participent la formation des pluies acides sont le monoxyde dazote, NO, et le dioxyde dazote, NO2. Le gaz chlor est lacide chlo-rhydrique, HCl.4 Bilan Les pluies acides rsultent de la dispersion dans latmosphre de polluants comme le dioxyde de soufre (SO2) et les oxydes dazote (NOx). Ces pol-luants peuvent tre produits naturellement par les ruptionsvolcaniques, ladcompositionbiologique,les ocans, les feux de forts, etc. Dans latmosphre, les polluants sont disperss par le vent. Lesplus lourds retombent proximit; les 1 a. V (Pacifique)V (hydrosphre) = 715 1061 409 106 = 0,51 = 51 %b. V (calottes)V (ocans) = 29 1061 370 106 = 2 102 = 2 %2 S (ocans)S (Terre) = 361 106510 106 = 0,71 = 71 % V (ocans)V (hydrosphre) = 1 370 1061 409 106 = 0,97 = 97 %3 a.Leaubiosphriqueest leau contenuedansles tres vivants.b. V(biosphre)V (hydrosphre) = 0,000 6 1061 409 106 = 4 107 = 4 105 %.4 Bilan a. Dans latmosphre, il y a vaporation, puis condensation; leau ruisselle ensuite vers lesocans et sinfiltre dans les roches (pdosphre et lithosphre).b. Lrosion est la dgradation, lusure des roches de lcorce terrestre par un agent extrieur (eau, agents atmosphriques). Le degr drosion dpend des proprits des roches (duret, dilatation, composi-tion chimique, etc.).La concrtion correspond des agrgats de parti-cules en un corps solide. Par exemple, les stalac-tiques se forment par concrtion. La dissolution est le passage en solution dune espce solide, liquide ou gazeuse. Par exemple, la dissolution dans leau du trioxyde de soufre (gaz). Par laction de leau (ruissellement), des rigoles de dis-solution se forment sur les sols. La roche est dchique-te; apparaissent alorsdesasprits,des trous,descrevasses, etc. Lactionde lrosionest ingale : lesroches les plus rsistantes forment des reliefs, alors que les roches les moins rsistantes forment des creux. Les gouffres sont le plus souvent forms par leffon-drement de la vote dune cavit souterraine au cours de la dissolution, par les eaux, des minraux formant les roches. Lorsque leau circule dans le sous-sol, elle se chargedionsetpeutdboucherdansunecavitsouterraine:unphnomneinversedeladissolution va se produire.Des concrtions se forment telles que les stalactites, stalagmites, draperies, piliers, etc. Dissolution des espces : les pluies acides (p. 13)2Mers et ocans, rservoirs deau sur Terre (p. 12)1 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 5Courants ocaniques, rgulateurs du climat (p. 14)3plus lgers voyagent dans les hauts courants ariens sur des milliers de kilomtres. Les pluies acides entranent lacidification des sols et des cours deaux et donc une modification, voire une disparition, de la flore et de la faune. La dissolution de mtaux toxiques comme laluminium est favori- se. Mme si leurs causes ne sont pas encore claire-ment identifies, les dprissements forestiers se mul- tiplient. Les constructions urbaines ne sont pas pargnes : les surfaces mtalliques srodent, lesmonuments en pierre calcaire ou en grs seffritent peu peu.1 Toutes les espces chimiques, quelles soient naturelles, cest--dire naturellement prsentes dans la nature (tels que le dioxygne dissous, les ions phosphate dissous, PO43, etc.), ou anthropiques (pes-ticides, produits de la fusion thermonuclaire, etc.) transitent dans locan et constituent donc des tra-ceurs chimiques.Fron est le nom commercial dune famille de gaz hydrochlorofluorocarbons (HCFC) ou chlorofluoro-carbons (CFC). Ces gaz sont ou ont t utilisscomme rfrigrants, gaz propulseurs, intermdiaires de synthse, etc. 2 a. Le tritium se transforme en hlium 3 selon la ractionsuivante:31H 32He + 10eDans la nature, la plupart des noyaux datomes sont stables.Cependant,certainsatomesontdesnoyauxinstables qui se dsintgrent spontanment. Ladsintgration radioactive dun noyau donn est un phnomnealatoire.Lactivit(mesureenbecque-rel; 1 Bq = une dsintgration par seconde) dunchantillon radioactif diminue avec le temps du fait de la disparition progressive des noyaux instablesquil contient. Ces noyaux radioactifs se caractrisent par leur dure de demi-vie, ou priode radioactive, tempsauboutduquellamoitidesnoyauxradioac-tifs initialement prsents a disparu. En valuant la quantit de tritium restant dans un volume deau donn, on dispose de chronomtres utiles pour tu-dier les diffrentes cintiques de processus prsents dans la colonne deau. Ils permettent de suivre, dans letempsetlespace,letransportdesmassesdeau:ce sont les traceurs de la circulation ocanique.b.Letritiumpntreenprofondeurparlenord:ilat entran par des courants plongeants.3 a. Ladvection est le transfert dune masse deau par un mouvement naturel.Les isolignes sontdescourbesdgalevaleurdunegrandeur, traces sur un schma ou un diagramme deux ou trois dimensions.b. Le flux de frons se dirige vers le sud-est.4 Bilan La prsence, dans les eaux profondes, de traceurs anthropiques, mis dans latmosphre il y a plusieurs dcennies, indique que les eaux ont t en contact avec latmosphre durant ces dernires dcennies. Le traceur est absorb par leau, lasurface de locan. Si cette eau quitte la surface et plonge en profondeur, elle est isole de latmosphre 1 La circulation thermohaline (circulation perma-nente grande chelle de leau des ocans) est due aux carts de tempratures et de salinits des masses deau.2 a. Les eaux sales sont plus denses que les eaux doucespuisqueduselestdissous:pourunvolumedonn,lamassedelasolutionestplusgrande;ainsi,la masse volumique de leau sale (et donc la densit) augmente. Les eaux liquides de surface sont trs sales dans les rgions polaires, car le sel non pig dans la glace se dissout dans leau liquide des ocans souslabanquise.b. Les eaux froides sont plus denses que les eaux chaudes et les eaux sales sont plus denses que les eauxdouces : une eau froide et sale a donc ten-dance plonger.3 Bilan Le Gulf Stream est un courant ocanique qui prend sa source entre la Floride et les Bahamas (Golfe du Mexique), longe la cte amricaine, se dirige vers le nord-est de locan Atlantique en remontant vers le Groenland aprs avoir long les ctes europennes. Il est pouss par les vents domi-nants du sud-ouest et se refroidit progressivement. Il dplace leau chaudedes zones subtropicales versles ples et constitue un facteur important de la rgulation du climat europen. La chaleur ainsi stoc-ke dans leau des zones tropicales est restitue vers latmosphre aux plus hautes latitudes. Comme lat-mosphre, les courants marins comme le Gulf Stream rpartissentlachaleurautourduglobe. Locan joue unrledterminantsurleclimat:leauserchauffemoins vite que lair, mais se refroidit aussi moins vite. Locan a une mmoire plus longue que latmos-phre:delordredunesaisonpourlescourantsdesurfaces, dune dizaine dannes pour les masses deaux profondes. Les traceurs chimiques (p. 15)4http://fr.wikipedia.org/wiki/Courant_marinhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Floridehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Bahamashttp://fr.wikipedia.org/wiki/Groenland Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 6et la quantit de tritium quelle renferme diminue par dcroissance radioactive (voir les complments la question 2a ci-dessus). Ces traceurs sont suivis comme des colorants injects grande chelle dans locan. Ils permettent de tracer la ventilation des eaux profondes, cest--dire le renouvellement de ces eaux par mlange avec des eaux ayant t plus rcemment au contact avec latmosphre, donc plus riches en traceur. Pollution au ptrole : Deepwater horizon (p. 17)61 a.Leshydrocarburessonthydrophobes:ilsnesedissolvent pas dans leau et, entrans par les cou-rants, ils saccumulent dans des zones particulires des ocans. b. Il existe quatre grandes familles de produits chimiques de lutte contre la pollution : les disper-sants, les produits de lavage, les dsmulsifiants et lesbiodgradants.Les dispersants sont pulvriss par moyens ariens oupar embarcations. Les dsmulsifiants sont desproduits liquides destins briser les mulsionspteuses deau dans le ptrole que lon rcupre sur le littoral ouenmer. Simultanment, il faut absolu-ment veiller contenir la nappe polluante laide de barragesflottants.Unepollutionpeuttrecontenueavec des barrages absorbants (absorbants hydro-phobespourrcuprerlesproduitsapolairesetfixerle polluant par imprgnation) ou des barrages dertention gonflables (fabriqus en tissus polyesterhautedensitenduitsdePVC).2 Bilan a. La crainte majeure tait une pollution des ctes, mais surtout que la nappe ne rejoigne le Gulf Stream et soit donc disperse trs loin. b. Le Loop Current a maintenu la nappe prs des ctes et les Loop Eddies ont pig le ptrole et ont contribusafragmentation.Pollution aux plastiques : le 8e continent (p. 16)51 Les polymres (du grec pollus signifiant plu-sieurs et mros signifiant parties ) sont forms de macromolcules renfermant des centaines, voire des milliers datomesde carbone.Cesmacromolculessontfabriquespartirdungrandnombredemol-cules plus petites, que lon appelle monomres, relies entre elles par des liaisons covalentes.La photodgradation est la transformation de mol-cules en fragments plus petits sous linfluence de la lumire(absorptiondephotons).Un perturbateur endocrinien est une espce chimiqueagissantsurlquilibrehormonal.Un xnobiotique est une substancetrangre unorganisme vivant (du grec xenos qui signifie tran- ger et bios qui signifie vie ).Une substance hydrophobe repousse leau ou est repousse par leau (du grec hydro signifiant eau et phbos signifiant peur ).2 Selon leur nature, les polymres rsistent loxydation,auxacides,auxbases,auxsolvants,etc.Le rejet et laccumulation des matires plastiques dans lenvironnement navaient donc pas t jugs alarmants.3 a.Lespolychlorobiphnyles (PCB), parfois appe-ls pyralnes , sont des composs aromatiques organochlorsdrivsdubiphnyle:3 2546(Cl)n2' 3'6'4'5' (Cl)nLesPCBsonttoxiques,cotoxiquesetreprotoxiques(dans le systme international dtiquetage des matires dangereuses, ils sont classs H373, ce qui correspond un risque prsum deffets graves pour les organes la suite dexpositions rptes ou dune exposition prolonge, et H410, cest--dire trs toxiques pour les organismes aquatiques, qui entranent des effets nfastes long terme).b.LesPCBsontdesaromatiquesconstitusdenom-breux atomes de carbone; ce sont desmolcules trs peu polaires malgr la prsence datomes de chlore. Ils se concentrent donc prfrentiellement dans les matires plastiques (composes dun grand nombredatomesdecarbone)pluttquedansleaudes ocans. 4 Denombreux adjuvants (plastifiants, stabilisants,etc.) sont incorpors auxmatires plastiques : cesxnobiotiquespeuventsavrertrsdangereux.5 Bilan Les matires plastiques se fragmentent sous leffet de la lumire, des variations de tempra-ture, de laction mcanique des courants, etc. Les courants marins les accumulent dans des zones parti-culires des ocans. http://fr.wikipedia.org/wiki/Mati%C3%A8res_dangereuses Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 7Pratique exprimentaleDosage du dioxyde du soufre (p. 18)1 Unesolutionaqueusededioxydedesoufre; une solution aqueuse de permanganate de potassium 10 mmol L1; unesolutionaqueusedhydroxydedesodium; unesolutionaqueusedechloruredebaryum; unepipette; unepipettejaugeetunepropipette; quatretubesessais; uneburettegradue; unerlenmeyerouunbcher; un agitateur magntique et un barreauaimant.Matriel et produitsB tude qualitative1 Uneractionseproduit,carilyadcolorationdela solution.2 Il se forme des ions manganse, Mn2+ (aq), et des ions sulfate, SO42-(aq).3 Les couples impliqus sont SO42 (aq) / SO2 (aq) et MnO4 (aq) / Mn2+ (aq).Lquationdelaractionest:2 MnO4 (aq) + 5 SO2 (aq) + 2 H2O () 2 Mn2+ (aq) + 5 SO42 (aq) + 4H+ (aq)4 Lorsquon poursuit laddition de permanganate, la solution ne se dcolore plus, car les ions perman-ganate sont en excs.5 Cette raction peut tre utilise puisquil y a chan-gement de couleur de la solution lorsquil y a chan-gement de ractif limitant.C tude quantitative6 n (SO2)introduit = 52 n (MnO4)vers7 Pour une prise dessai de volume V2 = 10,0 mL, on a trouv V1q=9,7mL,soit:[SO2] = 2,4 102 mol L1.8 n(S) = m (S)M (S) = 1,0032,1 = 3,11 102mol;soit:[SO2] = 3,11 102 mol L1. Lcart constat vient du fait que tout le dioxyde de soufre dgag ne se dissout pas dans leau.Le moteur des courants ocaniques (p. 19)2 Unelampeincandescenceoulampehalogne; unaquarium; unmorceaudeglace(environ1L); unecartouchedencre; quatrebchers; deleausale; des glaons deau douce et deau sale colo-rsavecdelencre; un disque tournant vitesse constante, un glaon.Matriel et produits A Rle de la temprature et de la salinit de leau1 Lencre colore suit les mouvements de leau et permetdoncde suivre le courant qui stablit.Cecourant plonge du ct du glaon, circule au fond de laquarium jusquau ct oppos o se trouve la lampe, puis il remonte.2 Cette circulation deau est de la diffrence de densitentre leau froideet leauchaude :ductPage13:http://www.inra.fr/audiovisuel/films/environnement/pluie_acidePage14:http://www.ifremer.fr/lpo/cours/index.htmlhttp://video.sciencesetavenir.fr/video/xq8byg_oceans-dans-les-tourbillons-des-courants-oceaniques_tech.htmlhttp://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosclim/contenu/alternative/alter2_textes.htmlPage15:http://www.ice.uvsq.fr/web/webICE13.html#systeme_climPage16:http://www.sciencesetavenir.fr/nature-environnement/20110623.OBS5764/petits-plastiques-gros-degats-en-mediterra nee.htmlPage17:http://www.cedre.fr/fr/accident/deepwater_horizon/dossiers.phphttp://www.usatoday.com/news/nation/oil-spill-map.htmPour aller plus loinhttp://www.inra.fr/audiovisuel/films/environnement/pluie_acidehttp://www.ifremer.fr/lpo/cours/index.htmlhttp://video.sciencesetavenir.fr/video/xq8byg_oceans-dans-les-tourbillons-des-courants-oceaniques_tech.htmlhttp://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosclim/contenu/alternative/alter2_textes.htmlhttp://www.sciencesetavenir.fr/nature-environnement/20110623.OBS5764/petits-plastiques-gros-degats-en-mediterranee.htmlhttp://www.sciencesetavenir.fr/nature-environnement/20110623.OBS5764/petits-plastiques-gros-degats-en-mediterranee.htmlhttp://www.cedre.fr/fr/accident/deepwater_horizon/dossiers.phphttp://www.usatoday.com/news/nation/oil-spill-map.htm Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 8du glaon, les eaux froides plus denses plongent alors que, du ct de la lampe, les eaux sont ensuite rchauffesetdoncmoinsdenses:ellesremontent.3 Des courants amnent des eaux froides dans les zones tropicales chaudes et inversement, les eaux chaudes des zones tropicales repartent vers les ples.4 Glaon deau douce Glaon deau saleEau douceLeau douce et froide du glaon plonge sous le glaon, le milieu shomog-nise (1).Leau sale et froide duglaontomberapidement vers le fond, une pellicule incolore se forme en surface (3).Eau saleUnepelliculecolorese forme en surface (2).Leau sale froide du glaon plonge sous le glaon, le milieu shomognise (4).5 Lobservation(2)montrequedeleaufroidepeuttremoins densequede leau sale. Les observa-tions (1) et (4) montrent que des eaux froides ont ten-danceplonger:ellessontplusdensesquedeseauxplus chaudesdemme composition. Lobservation(3) montre que leau sale et froide est nettement plus dense que de leau douce.Les eaux sales et froides de lAtlantique Nord et de lAntarctique plongent effectivement pour alimenter les courants deaux profondes. Ces eaux rchauffes souslesTropiquesontbientendanceresterensur-face.6 La circulation thermohaline est une circulation deau lie la temprature (thermo) et la salinit (haline).B Rle de la force de Coriolis, due la rotation de la Terre7 a.Danslerfrentieldulaboratoirelatrajectoiredu glaon est rectiligne (1re loi de Newton).b. Lorsque le disque tourne, vu de dessus, dans le sens trigonomtrique, le glaon est dvi vers la droite de son mouvement, dans le rfrentiel du disque. Lorsquil tourne dans le sens horaire, le glaon est dvi vers la gauche de son mouvement, dans le rfrentiel du disque.c. La force de Coriolis est une force dinertie qui sexerce sur tout corps en mouvement dans un rf-rentiel en rotation par rapport un rfrentiel gali-len. Elle sexerce perpendiculairement au mouve-ment. Cette force peut tre qualifie de fictive, car ellenersultepasdelinteractionentredeuxobjets.Pour un observateur plac dans le rfrentiel dulaboratoiresupposgalilen, leglaonnesubitquedeux forces (poids et raction du support) qui se compensent : le mouvement est rectiligne et uni-forme.Pourunobservateurplacsurledisquetournant,lemouvement nest pas rectiligne et uniforme, les forces sappliquant sur le glaon ne se compensent pas:celaestdlaforcedeCoriolis.8 a. Le Gulf Stream est un courant ocanique qui prend sa source entre la Floride et les Bahamas, par-court locan Atlantique en remontant vers le Groen-land aprs avoir long les ctes europennes.b. Le Gulf Stream remonte vers le nord, o il est dvi par la force de Coriolis vers la droite de son mouvement, cest--dire vers lest. Les agents dispersants (p. 20)3 Deux cadres mtalliques avec fils (voir les docu-ments5et6,p.20); uncristallisoir; duliquidevaisselle; uneplaquedeverretrspropre; unepipettepasteur; unecoupelle; untrombone; deuxbchers; uneprouvettede10mL; delhuile; un agitateur en verre.Matriel et produitsA Tension superficielle1 Le fil est soumis des forces exerces par les dif-frents films. Ces forces se compensent lorsque tous les films sont intacts. Lorsquun des films est perc, la surfacedelautrefilmdiminue: lefilmdeausavon-neuse exerce donc des forces attractives (diriges du fil vers le film). On peut identifier ces forces aux forces de tension superficielle qui sexercent sur la surface dun liquide.2 Schmatisation des expriences :cFAB CcF cFAB CcF cFAB Chttp://fr.wikipedia.org/wiki/Courant_marinhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Floridehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Bahamashttp://fr.wikipedia.org/wiki/Oc%C3%A9an_Atlantiquehttp://fr.wikipedia.org/wiki/Groenlandhttp://fr.wikipedia.org/wiki/Groenland Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 93 La cohsion des molcules deau est assure par des forces lectrostatiques (liaisons hydrogne et forces de van der Waals). lintrieur du liquide, le milieu est homogne, la somme des forces qui sexer-cent sur une molcule est en moyenne nulle. En revanche, pour les molcules de la couche superfi-cielle, le milieu nest plus homogne et elles ne subissent que lactiondesmolculesdeau endes-sous delles. Il en rsulte lapparition de forces, dites de tension superficielle, sexerant sur les molcules de surface et diriges vers lintrieur du liquide.B Action des tensioactifs4 La goutte deau a une forme plus ronde que la goutte du mlange eau-dtergent qui stale davan-tage sur la plaque de verre. Lasurfacedecontactaveclair(surfacelibre)deleauest infrieure celle du mlange savonneux. Les forces de tension superficielle tendent diminuer la surface libredunliquide.Letrombonepeutflottersurdeleau,maiscoulesurde leau savonneuse. Le pouvoir mouillant de leau savonneuse est suprieur celui de leau. Les valeurs des forces de tension superficielle sont plus grandes dans le cas de leau que dans celui du mlange.5 Un tensioactif augmente la surface de contactentre un liquide et le milieu extrieur, il diminue la valeur des forces de tension superficielle.C Dispersion dune nappe dhuile6 Le dtergent permet de crer une mulsion eau-huile et donc dassurer la dispersion de lhuile dans leau.7 Les chanes hydrophobes des tensioactifs se tournent vers la nappe de ptrole, les ttes hydro-philesdirigesversleaudemer;paragitationnatu-relle de leau de mer, il se forme des micelles dans lesquelles se trouve un liquide hydrophobe (leptrole); les micelles se dispersent par rpulsionlectrostatique et donc sont mises en suspension dansleau;puisellessontensuitedispersesparlescourants marins.8 Dans lexprience 5, il est trs difficile de rcup-rerlhuilelapetitecuillre;toutcommeilestdiffi-cile de rcuprer directement du ptrole sur la sur-facedesmers.Ilestdoncprfrabledavoirrecoursaux agents dispersants. Le systme des carbonates dans les ocans (p. 21)4 UnpH-mtre; de leau minrale gazeuse et de leau non gazeuse; deuxbchersde200mL; deuxbchersde100mL; unerlenmeyerde250mL; unentonnoir tulipecomprenantunrobinetavecbouchonetbulleur (voir ledocument7,p.21dumanuel); ducarbonatedecalciumsolide; delacidechlorhydrique5molL1; dubleudebromothymol; desprouvettesgraduesde20mL; deleaudechauxfrache; unebalance; untubeessais; unesolutiondetamponcarbonate(voirprpara-tiondelaquestion6,p.21dumanuel); une solution de soude de pH gal celui du tamponcarbonate.Matriel et produits1 2 H3O+ (aq) + CO32 (aq) 3 H2O () + CO2 (g)2 a.Le dioxyde de carbone gazeux se dissout etragit avec leau pour donner CO2,H2O(aq).Puis:CO2,H2O (aq) + H2O () HCO3 (aq) + H3O+ (aq)b.Lorsquedudioxydedecarboneestdissousdansleau, il ragit enproduisantdes ionsoxonium : le pH diminue (exprience 2 : pour leau du robinet pHinitial = 7,85 et pHfinal= 6,55).c.Demme, ledioxydedecarboneatmosphriquepeut se dissoudre dans leau des mers, des ocans, des lacs, des rivires, etc. (hydrosphre) et ainsi les acidifier.3 a.Il sagitdexploiter lexprience3 : ledioxydede carbone gazeux se dissout et ragit avec leaupour donner CO2, H2O (aq).CO2,H2O (aq) + 2 HO (aq) CO32 (aq) + 2 H2O () et CO32 (aq) + Ca2+ (aq) CaCO3 (s)b.Ledioxydede carbonedissouspeut ragir avecles ions prsents dans la lithosphre pour donner ducarbonatedecalciumsolide,cest--direducal-caire .4 a. CO2,H2O (aq) + CO32 (aq) 2 HCO3 (aq) b.Lexcsdedioxydedecarboneconsommelesionscarbonate, leprcipitde carbonatede calcium sedissoutetilseformedesionshydrognocarbonate.Ceux-cineprcipitentpasavec les ionscalcium: letroubledeleaudechauxdisparat.5 UnesolutiontamponestunesolutiondontlepHvarie peu par ajout modr deau, dacide ou de base.pH Solution tampon SoudepH initial 9,60 9,60pH final 9,58 6,606 CO2,H2O (aq) + CO32 (aq) 2 HCO3 (aq) CO2,H2O (aq) + 2 HO (aq) CO32 (aq) + 2 H2O ()Dans le cas de la soude, des ions hydroxyde sont consomms:lepHdiminue.Danslecasdutamponcarbonate,unebaseragitavecunacidepourformerlespceamphotre:lepH varie peu. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 1010Les eaux souterraines ne contiennent plus que 38 % dunombredenoyauxdedpart,N0.Ainsi: N (t) = 38100 N0soit: N (t) = 0,38 N0 (1)La loi de dcroissance radioactive scrit N (t) = N0 etor: = In2t1/2ainsi: N (t)= N0 e(In2 tt1/2)ilenrsulte: N (t)N0 = e(In2 tt1/2) (2)Lesexpressions(1)et(2)conduisent: e(In2 tt1/2) = 0,38 ln (e(In2 tt1/2)) = ln (0,38)soit:In2 tt1/2 = ln (0,38)do:t = In (0,38)In2 t1/2 = In (0,38)In2 3,01 105 = 4,2 105 ans.Les eaux souterraines ont un temps de rsidence estim 4,2 105 ans. Rsolution de problmes scientifiques2 Un traceur deaux souterraines (p. 24)3 Le carbone 14 (14C) : un traceur ocanique (p. 25)Le document 1 permet de comprendre que le tra-ceur voqu est dorigine radioactive, cest--dire quil se dsintgre de faon alatoire au cours du temps.Le document 2 prcise que si le traceur 14C reste en contact avec latmosphre, sa quantit reste constante, car sa disparition est compense par la production de 14C dans latmosphre. En revanche, sil est isol de latmosphre (donc, dissous dans locan), sa quantit diminue selon une fonction du temps. Les documents 3 et 4 montrent, dune part, que la mesure de la quantit de 14C restant une profon-deur donne permet dvaluer le temps de sjour de ce traceur dans locan et, dautre part, quen pro-fondeur le courant connat une circulation caractri-se par sa lenteur. Il faut bien comprendre, pourrsoudreceproblme,queleauquiremontelePaci-fique Nord est la mme que celle qui est descendue de lAtlantique Nord voici plusieurs centaines dan-nes, via la circulation thermohaline. Pour valuer lordre de grandeur de la vitesse moyenne de la circulation ocanique profonde, il faut exploiter le document montrant lge des eaux pro-fondes 3 000 m de profondeur et utiliser le fait que de lAtlantique Nord au Pacifique Nord (soit un par-cours denviron 4 104 km), le traceur a mis 1 700 ans environ. t = 1 700 365 24 3 600 = 5,4 1010 sD = 4 104 km = 4 107 mdo:v = Dt = 4 1075,4 1010 = 7,5 104 m s1 = 0,75 mm s1;ordre de grandeur de v:1mms1.4 Le systme des carbonates dans locan (1) (p. 26)Lnonc demande de prvoir si les coraux synth-tiserontducarbonatedecalcium,CaCO3 (s), en cas daugmentationdelaconcentrationenacidecarbo-nique, CO2,H2O (aq), de leau de mer.Pour cela, il convient dcrire lquation de la rac-tionquialieuentrelacidecarboniqueetlioncarbo-nate, puis de discuter des effets dune augmentation delaconcentrationenacidecarbonique.Si PCO2atm augmente, alors [CO2,H2O] augmente dans les eaux froides. Si PCO2atm augmente, Les eaux chaudes dgazent (rejettent)moins dedioxydede carbonedans lat-mosphre. Ainsi, dans tous les ocans, [CO2,H2O] augmente. Lesocansstockentdoncledioxydedecarbone.Lacidecarboniqueenexcsragitaveclesionscar-bonate,CO32(aq),selonlaractiondquation:CO2,H2O (aq) + CO32 (aq) 2 HCO3 (aq)La concentrationen ions carbonate [CO32] dans les ocans diminue. Comme la concentration en ions cal-cium, [Ca2+], est constante, le produit [Ca2+] [CO32] peut devenir infrieur 4,47 107. Le solide CaCO3 (s) se dtruit et la raction se fait dans le sens de lqua-tion:CO32 (aq) + Ca2+ (aq) CaCO3 (s). Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 1111Lnonc demande de dterminer si une augmen-tation de 50 % de PCO2atm a une influence sur le pH de locan. Pourcela,ilfaut: dterminer les concentrations respectives des diffrentes espces carbones en utilisant lesexpressions des constantes KA1 et KA2, ainsi que celles entre la concentration [CO2ocan] et PCO2ocan; endduirelavaleurduDIC; calculer les nouvelles valeurs de PCO2ocan, DIC et [CO2ocan]; donner lexpression du DIC en fonction de [CO2ocan] et [H3O+]; rsoudre lquation du second degr en [H3O+].Daprs le document 2, pHocan=8,0 : lespcemajoritaire est HCO3.[CO2ocan] = PCO2ocan = 2,803 102 3,80 104 = 1,07 105 mol L1[HCO3] = KA1 [CO2ocan][H3O+] = 1,392 106 1,07 105108,0 = 1,48 103 mol L1[CO32] = KA2 [HCO3][H3O+] = 1,189 109 1,48 103108,0 = 1,76 104 mol L1.DIC = [CO2ocan] + [HCO3] + [CO32] = 1,07 105 + 1,48 103 + 1,76 104 = 1,67 103 mol L1 PCO2ocan = PCO2atm = 1,50 PCO2atm = 1,50 3,80 104 = 5,70 104bar. DIC = 1,05 DIC = 1,05 1,67 103 = 1,75 103 mol L1 [CO2ocan] = PCO2ocan = 2,803 102 5,70 104 = 1,60 105 mol L1. DIC = [CO2ocan] + [HCO3] + [CO32] = [CO2ocan] + KA1 [CO2ocan][H3O+] + KA1 KA2 [CO2ocan][H3O+]2 Ainsi, on peut crire une quation du second degr en [H3O+]:(1 DIC[CO2ocan]) [H3O+]2 + KA1 [H3O+] + KA1 KA2 = 0 (1 1,75 1031,60 105) [H3O+]2 + 1,392 106 [H3O+] + 1,392 106 1,189 109 = 0 109 [H3O+]2 + 1,392 106 [H3O+] + 1,655 1015 = 0 Enrsolvantcettequation,ontrouve:[H3O+] = 1,39 108 mol L1pH = 7,9Locan sacidifie un peu.6 Lacide nitrique des pluies (p. 27)Lnonc demande de dterminer si, dans une eau depluie,lecarbonatedezincpeutseformer.Pour cela, il faut exploiter les relations donnes au document 5, cest--dire pour un pH = 5,6 et une concentration [Zn2+] = 0,4 mol L1 :1. montrer que [CO32] = 3,24 106 [CO2 , H2O] ;2.montrer quil y a prcipitation du carbonate dezinc si [CO2 , H2O] 7,7 106 mol L1 et exploiter le document1pourconclure;3. interprter le document 3.1. [CO32] = KA1 KA2 [CO2,H2O][H3O+]2 = 4,27 107 4,79 1011(105,6)2 [CO2,H2O] [CO32] = 3,24 106 [CO2,H2O]2.Ledocument5indiquequencasdeprcipitation: [Zn2+] [CO32] 1,0 1011soit: [CO32] 1,0 10110,4 = 2,5 1011 mol L1 3,24 106 [CO2,H2O] 2,5 1011 mol L1 [CO2,H2O] 2,5 10113,24 106 = 7,7 106 mol L1Le document 1 explique que la concentration [CO2,H2O] dans une eau de pluie est environ gale 1,2 105 mol L1. Or, 1,2 105 7,7 106 :il y a donc prcipitation du carbonate de zinc.3. Les documents 3 et 4 montrent quen prsence de carbonatede zinc (zinc vieux ), les ionsoxo-nium prsents dans un acide ne ragissent quasiment pasaveclezinc;dolalongvitdesgouttires.7 La pollution au plomb (p. 28)Lnonc demande de dterminer la quantit mini-male de terre ou de plante ingrer pour quun enfant ou un adulte soit intoxiqu.Pourcela:1.crirelaloideBeer-Lambertpourlmission;2.calculerlesconcentrationsenplombdanslaterreet dans la plante, puis en dduire le facteur de dconcentrationdanslesplantestudies;3. dterminer la masse minimale de terre pour quun enfant ou un adulte soit contamin. 5 Le systme des carbonates dans locan (2) (p. 26) Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 121.La loi deBeer-Lambert, pour llmentplomb,scrit:I = k[Pb]2. [Pb]terre = I terrek = 1 115 9609 200 = 121,3 mg L1 (121,3mgdeplombparlitredesolution).Lchantillon de 1 g de terre a t dissous dans 20mLdesolution,donc:[Pb]terre = 121,3 20 103= 2,426 mg g1 (2,426mgdeplombpargrammedeterre).[Pb]plante = I plantek = 115 0009 200 = 12,50 mg.L1 (12,50mgdeplombparlitredesolution).Lchantillon de 1 g de plante a t dissous dans 40mLdesolution,donc:[Pb]plante = 12,50 40 103= 0,500 mg g1(0,500mgdeplombpargrammedeplante).Facteurdedconcentration:F = [Pb]plante[Pb]terre = 0,5002,426 = 0,206 = 20,6 %Prs de 21% du plomb de la terre passe dans laplante.3. Il faut exploiter le seuil lgaldedangerdonndans le texte et les taux de transfert dans le sang.Enfantmterre = (100 106 30,50 ) ( 12,426 103) =0,25g;mplante = (100 106 30,50 ) ( 10,500 103) = 1,2 g.Pour 50% de transfert (taux de transfert maximal) dans le sang, on a 0,25 g de terre et 1,2 g de plante.Adultemterre = (100 106 50,10 ) ( 12,426 103) =2,1g;mplante = (100 106 50,10 ) ( 10,500 103) = 10 g.Pour 10 % de transfert (taux de transfert maximal) dans le sang, on a 2,1 g de terre et 10 g de plante.Unenfantseradoncplusrapidementintoxiqu. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 13Analyse et synthse de documents scientifiques2ChapitreEau et ressources1 Une eau sale contient des sels dissous (chlo-rure de sodium, sulfate de magnsium, etc.) et pas seulement du sel (chlorure de sodium). Une eau saumtre est une eau sale, mais de concen-tration infrieure celle de leau de mer (donc gn-ralement comprise entre 1 et 10 g L1).2 a. Pour comprendre la ncessit de rduire la pression dans leffet (n + 1), il faut regarder le docu-ment 3 qui donne lvolution de la temprature dbullition de leau en fonction de la pression. Lorsque la pression diminue, la temprature dbulli-tion diminue aussi : leau svapore une tempra-ture plus basse.b. La vapeur produite dans le premier effet se condense pour produire de leau douce dans le deuxime effet o rgne une pression infrieure.c. Lnergie thermique est cde au milieu extrieur lors dune condensation.d. Le procd est bas sur le principe de lvapora-tion, sous pression rduite, dune partie de leau de mer prchauffe une temprature variant entre 70 et 80 C. Dans le premier effet, lvaporation de leau a lieu sur une surface dchange. Lnergie thermique transfre au travers de cette surface est appor- te par la vapeur produite par la chaudire. Lnergie quelle cde permet dvaporer une partie de leau de mer contenue dans le deuxime effet (et ainsi de suite). Seule lnergie ncessaire lvaporation dans le premier effet est dorigine externe. La multiplication du nombre deffets permet donc de rduire la consommation spcifique. 3 Leau de mer est chauffe par la vapeur dans une chaudire saumure. Elle est maintenue sous pres-sion pendant le chauffage. Vers une temprature de lordre de 120 C, leau est introduite dans une 1 a. Les eaux de surface peuvent natre de la fonte des glaciers, du ruissellement des pluies, de la rsur-gence des eaux souterraines. b. Vlac Bakal = 0,13 0,20 = 0,026 million de km3 = 2,6 104 km3, soit environ les 23 000 km3 annoncs en lgende de la photographie du document 2.2 Les ressources mondiales disponibles sont elles seules insuffisantes pour alimenter les populations.3 Lempreinte dun tat sur leau est le volume deau ncessaire pour la production des biens et des services consomms par ses habitants : 2 483 m3/personne/an aux tats-Unis (696 109 m3/an) ; 2 332 m3/personne/an en Italie (140 109 m3/an) ; 1 875 m3/personne/an en France (110 109 m3/an) ; 1 682 m3/personne/an en Suisse (12 109 m3/an) ; 1 103 m3/personne/an en Pologne (43 109 m3/an) ; 675 m3/personne/an en thiopie (43 109 m3/an) ;La moyenne mondiale est de 1 243 m3/personne/an (7 452 109 m3/an).4 Bilan Soit V, le volume valuer.V = 1 400 0,03 0,26 = 11 millions de km3 environ(volume valu 9,5 millions de km3 dans le docu-ment 2).Daprs la question 3, la consommation mondiale est voisine de 7 500 109 m3/an, cest--dire 7 500 km3/an. En labsence de renouvellement de ces eaux et pour la seule consommation, 1 500 annes de res-sources seraient a priori disponibles.Ces rserves ne suffisent pas, car elles sont ingale-ment rparties puisque 26 pays reoivent moins de 1 000 m3 deau par an et par habitant.Lune des principales consquences se situe dans la dsertification des pays. Les ressources alimentaires agricoles, directement dpendantes de leau, sont particulirement exposes.De leau sale leau potable (p. 31)2Leau douce sur Terre (p. 30)1 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 14Production deau potable et cologie (p. 32)3enceinte o rgne une pression rduite. Leau se vaporise instantanment par dtente, appele flash. La fraction de leau vapore se recondense sur des tubes et leau liquide est recueillie. Dans le procd de distillation dtentes tages (ou MSF pour Multi-Stage Flash distillation), lvaporation et la condensation sont rptes par dtentes successives dans des chambres pressions de plus en plus rduites.4 Bilan Lhomme a besoin de sels minraux pour vivre. Sil ne buvait que de leau pure (sans sels dis-sous), des phnomnes dosmose viendraient appau-vrir lorganisme en ions dissous. 1 a. Ladsorption est le phnomne par lequel des molcules (adsorbats) se fixent sur une surface solide (adsorbant).b. Selon la taille des pores des membranes utilises, des molcules de tailles diffrentes seront retenues. 2 a. Elle se justifie du fait de lquation suivante : ClO (aq) + H+ HClO (aq) b. Cl2 (aq) + H2O () HClO (aq) + Cl (aq) + H+ (aq)3 2 NH4+ (aq) + 3 O3 (g) N2 (g) + 3 O2 (g) + 3 H2O () + 2 H+ (aq) 2 NH4+ (aq) + 3 Cl2 (g) N2 (g) + 6 Cl (aq) + 8 H+ (aq)4 Bilan a. Les traitements subis par une eau brute sont le dgrillage, le tamisage, la floculation, la dcantation, la filtration, lozonation et la chloration.b. Les normes europennes de potabilit peuvent tre recherches partir des liens ci-dessous (voir complment ci-dessous).1 a. Les risques majeurs sont les modifications (voire la disparition) de la faune et de la flore marines.b. Procd dosmose inverse La saumure est deux fois plus concentre en sel que leau de mer : Csaumure = 38 2 = 76 g L1. 1 m3 de saumure est rejete par m3 deau douce produite :msaumure = 7,6 104 g (76 kg) rejete par m3 deau douce produite. Procd de distillation La saumure est 10 15 fois plus concentre en sel que leau de mer : 380 g L1 ~ Csaumure ~ 570g L1. 9 m3 de saumure sont rejets par m3 deau douce produite :380 103 9 ~ msaumure ~ 570 103 9 g rejete par m3 deau douce produite 3,4 106 g ~ msaumure ~ 5,1 106 g 3,4 tonnes ~ msaumure ~ 5,1 tonnes.Le procd dosmose inverse est celui qui affecte le moins lcosystme par les rejets en saumure.c. Les rejets contiennent des rsidus chimiques qui polluent les eaux.2 Bilan Les usines de dessalement par distillation gnrent des rejets en saumure plus levs, leur consommation nergtique est plus grande, elles consomment des nergies fossiles et rejettent des gaz effet de serre. Le traitement des eaux (p. 33)4Arrt du 11 janvier 2007 relatif aux limites et rfrences de qualit des eaux brutes et deseaux destines la consommation humaine mentionnes aux articles R. 1321-2, R. 1321-3, R. 1321-7 et R. 1321-38 du code de la sant publique : http://www.legifrance.gouv.fr/affichTexte.do?cidTexte=JORFTEXT000000465574&dateTexte=&categorieLien=id http://www.legifrance.gouv.fr/affichCodeArticle.do?idArticle=LEGIARTI000006686387&cidTexte=LEGITEXT000006072665&dateTexte=20100825&fastPos=5&fastReqId=59829070&oldAction=rechCodeArticle http://www.sante.gouv.fr/resultats-du-controle-sanitaire-de-la-qualite-de-l-eau-potable.htmlComplmenthttp://www.legifrance.gouv.fr/affichTexte.do?cidTexte=JORFTEXT000000465574&dateTexte=&categorieLien=idhttp://www.legifrance.gouv.fr/affichCodeArticle.do?idArticle=LEGIARTI000006686387&cidTexte=LEGITEXT000006072665&dateTexte=20100825&fastPos=5&fastReqId=59829070&oldAction=rechCodeArticlehttp://www.legifrance.gouv.fr/affichCodeArticle.do?idArticle=LEGIARTI000006686387&cidTexte=LEGITEXT000006072665&dateTexte=20100825&fastPos=5&fastReqId=59829070&oldAction=rechCodeArticlehttp://www.sante.gouv.fr/resultats-du-controle-sanitaire-de-la-qualite-de-l-eau-potable.html Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 15Mtaux : polluants ou ressources minrales ? (p. 34)51 a. La pollution par les mtaux lourds peut tre due aux rejets des fonderies de la mtallurgie et des incinra-teurs dordures, ainsi quaux installations minires abandonnes. Les pluies entranent les mtaux dans les ocans par lessivage.b. Arrt du 25 janvier 2010 relatif aux mthodes et critres dvaluation de ltat cologique, de ltat chimique et du potentiel cologique des eaux de surface pris en application des articles R. 212-10, R. 212-11 et R. 212-18 du code de lenvironnement :http://www.legifrance.gouv.fr/affichTexte.do?cidTexte=JORFTEXT000021865356 Arrt du 11 janvier 2007 (publi le 06 fvrier 2007) relatif aux limites et rfrences de qualit des eaux brutes et des eaux destines la consommation humaine mentionnes aux articles R. 1321-2, R. 1321-3, R. 1321-7 et R. 1321-38 du code de la sant publiquehttp://www.legifrance.gouv.fr/affichTexte.do?cidTexte=JORFTEXT000000465574&dateTexte=&categorieLien=id2 a. Mtal Masse (million de tonnes) Mtal Masse (million de tonnes)Mn 0,44 Co 0,0038Fe 0,09 Ti 0,009Ni 0,020 Al 0,044Cu 0,019Nom de la substance CODE SANDRE NQE MOYENNE annuelle (g / L)*Arsenic dissous 1 369 4,2Chrome dissous 1 389 3,4Cuivre dissous 1 392 1,4Zinc dissous 1 383Duret infrieure ou gale 24 mg CaCO3/L : 3,1Duret suprieure 24 mg CaCO3/L : 7,8* Ces normes ont un caractre provisoire car elles ne correspondent pas pleinement la dfinition dune NQE. Ces valeurs ne sont protectrices que pour les organismes de la colonne deau et ne prennent notamment pas en compte lintoxication secondaire.PARAMTRESLiMiTES DE QuALiTuNiTS NOTESCadmium 5,0 g/LChrome 50 g/LCuivre 2,0 mg/LMercure 1,0 g/LNickel 20 g/LPlomb 10 g/LLa limite de qualit est fixe 25 g/L jusquau 25 dcembre 2013. Les mesures appropries pour rduire progressivement la concentra-tion en plomb dans les eaux destines la consommation humaine au cours de la priode ncessaire pour se conformer la limite de qualit de 10 g/L sont prcises aux articles R. 1321-55 et R. 1321-49 (arrt dapplication).Lors de la mise en uvre des mesures destines atteindre cette valeur, la priorit est donne aux cas o les concentrations en plomb dans les eaux destines la consommation humaine sont les plus leves.http://www.legifrance.gouv.fr/affichTexte.do?cidTexte=JORFTEXT000021865356http://www.legifrance.gouv.fr/affichTexte.do?cidTexte=JORFTEXT000000465574&dateTexte=&categorieLien=id Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 16b. Source : http://wwz.ifremer.fr/drogm/Ressources-minerales/Nodules-polymetalliques/Environnement Les engins de ramassage progressant sur les fonds marins pour rcuprer les nodules laissent derrire eux une trace assez importante due la remobilisa-tion de la partie suprieure des sdiments. En mme temps, au fur et mesure quils progressent, ils pro-duisent un nuage de sdiments en suspension. Dpendant du rgime des courants de fonds, ce nuage pourra se dposer plus ou moins loin de len-gin et recouvrir toutes les formes de vie sur le fond.Dautres impacts dexploitation tels le bruit des machines, les pertes de carburant et bien dautres accidents peuvent aussi intervenir.Ces impacts auront comme consquences la destruc-tion physique et la perturbation du benthos, laug-mentation de la demande doxygne, la destruction ou le changement dans la chane alimentaire, lassimi-lation de substances dangereuses par les organismes.Les engins de ramassage, mis au point de nos jours, sont prvus pour collecter les nodules sur les fonds marins, les concasser et les remonter en surface sous la forme de pulpe au travers dune conduite prin- cipale laide dun ensemble de pompes hlico- centrifuges. Cette pulpe, au dpart trs liquide, est dcante sur la plate-forme. Lexcs deau, riche en particules, est rejet la mer.Les particules ainsi rejetes formeront un nuage qui aura comme consquence la perturbation du ben-thos, plancton et necton, lattnuation de la pntra-tion de la lumire dans la colonne deau, la rduction possible de la quantit doxygne, la destruction ou changement de la chane alimentaire. Il peut arriver que le transfert du concentr de nodules des plateformes aux navires minraliers et leur transport vers la zone industrielle seffectuent avec la perte dune partie du concentr. Le bruit des machines et bien dautres accidents peuvent aussi intervenir. Les consquences de ces types dimpact pourront avoir comme effet la destruction physique et perturbation du benthos, plancton et necton, lat-tnuation de la lumire due la prsence dun nuage de sdiments, la rduction possible de la quantit doxygne, laugmentation de la demande doxy-gne, la destruction ou changement dune partie de la chane alimentaire, lassimilation de substances dangereuses par les organismes, la bioaccumulation de rsidus toxiques. Lorsque les nodules polymtalliques sont exploits, ils passent par un processus de traitement industriel qui a pour but dextraire les mtaux dintrt cono-mique : le cuivre, le nickel, le cobalt et le manganse. Parmi les nombreux procds mtallurgiques tudis dans ce but, la lixiviation sulfurique (hydromtallur-gie) et la fusion (pyromtalurgie) ont t retenues. Chacun de ces procds comporte une premire phase de concentration, une deuxime phase de raf-finage et une troisime et dernire phase de fabrica-tion dalliages ferro-mangansifres.Le droulement de chacune de ces phases peut tre accompagn par la production dune quantit consi-drable de rsidus solides, liquides ou gazeux, qui pourront tre lorigine de problmes sur lenviron-nement. 3 Bilan Ils peuvent tre lorigine de nombreuses pollutions, mais peuvent aussi reprsenter des res-sources minires conomiquement trs importantes. Les hydrates de gaz, ressources du futur (p. 35)61 Un clathrate, du grec klathron, signifie ferme-ture . Ils sont nomms ainsi, car ce sont des complexes dinclusion de molcules.2 Entre les molcules deau stablissent des liaisons hydrogne et des liaisons de van der Waals entre les molcules deau et de mthane.Pour aller plus loin :http://www.neutron-sciences.org/index.php?option= com_article&access=standard&Itemid=129&url=/ar-ticles/sfn/pdf/2010/01/sfn2010013.pdfComplment3 a. Aux temprature et pression donnes, un cla- thrate est dit mtastable , car la transformation vers ltat stable (dcomposition) est extrmement lente (non observable).b. Une baisse du niveau marin conduirait une modi-fication de la pression et donc la dcomposition des hydrates de gaz.c. Laugmentation de la temprature aurait les mmes consquences quune variation de pression. d. La libration de mthane induirait une augmen-tation de leffet de serre.4 Vhydrate = 20 millions de km3 = 20 106 km3 = 20 1015 m3Vmthane = 160 Vhydrate = 3,2 1018 m3Vconsomm = 3 000 milliards de m3/an = 3,0 1012 m3/anVmthaneVconsomm = 106 annes de ressourceshttp://wwz.ifremer.fr/drogm/Ressources-minerales/Nodules-polymetalliques/Environnementhttp://wwz.ifremer.fr/drogm/Ressources-minerales/Nodules-polymetalliques/Environnementhttp://www.neutron-sciences.org/index.php?option=com_article&access=standard&Itemid=129&url=/articles/sfn/pdf/2010/01/sfn2010013.pdfhttp://www.neutron-sciences.org/index.php?option=com_article&access=standard&Itemid=129&url=/articles/sfn/pdf/2010/01/sfn2010013.pdfhttp://www.neutron-sciences.org/index.php?option=com_article&access=standard&Itemid=129&url=/articles/sfn/pdf/2010/01/sfn2010013.pdf Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 17Pratique exprimentaleLeau : des ocans au robinet (p. 36)1Entonnoir tulipeMembrane semi-permablePlace de fixationSirop de menthelastiqueEau2 La distillation permet dobtenir de leau pure partir deau sale : cest une des mthodes mises en uvre dans le dessalement de leau de mer. Le dis-tillat est de leau pure et le rsidu est une saumure trs concentre.Pour losmose : le niveau monte dans le tube de len-tonnoir, ce qui signifie que de leau entre lintrieur du dispositif. Au niveau de la membrane semi- permable, la pression dans leau est suprieure la pression du sirop de menthe : ceci est modlis par la pression osmotique ; leau va pntrer dans lentonnoir jusqu quilibre des pressions. Leau se dplace du milieu le moins concentr en solut vers le plus concentr : cest le principe de losmose. Dans le dessalement de leau de mer, on utilise los-mose inverse qui consiste exercer une pression sup-plmentaire, suprieure la pression osmotique, du ct de leau sale de faon ce que leau se dplace du milieu le plus concentr vers le moins concentr.Remarque : les tempratures du sirop de menthe et de leau contenue dans le verre doivent tre proches, car des diffrences de temprature peuvent avoir une influence sur le niveau du sirop dans le tube de lentonnoir, en raison des phnomnes de dilatation ou de contraction, et fausser le rsultat.1 ThermomtreNoixPinceRfrigrant oucondenseur eauColonnede VigreuxBallonTte de colonneAllonge coudeSupportlvateur croisillonsDistillatEauEauEauBarreauaimantAgitateurmagntiquechauffant De leau sale 38 g L1 ; une solution de nitrate dargent 0,010 mol L1, un test de flamme, du sulfate de cuivre anhydre ; du sirop de menthe ; une prouvette de 100 mL ; un montage distillation fractionne ; un agitateur magntique chauffant et un barreau aimant ; un entonnoir tulipe ; une pince, une noix et un support (voir document 3, p. 36 du manuel) ; du parafilm et un lastique ; un film pour confiture (membrane semi-permable) ; un verre.Matriel et produitsParafilm Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 18A Ractions1 Mn2+ (aq) + 2 HO (aq) Mn (OH)2 (s) (1)2 4 Mn(OH)2 (s) + O2 (aq) + 2 H2O () 4 Mn (OH)3 (s) (2)B Titrage3 Mn(OH)3 (s) + 3 H3O+ (aq) Mn3+ (aq) + 6 H2O () (3)4 2 Mn3+ (aq) + 2 I (aq) 2 Mn2+ (aq) + I2 (aq) (4)5 Dans la raction (2), une mole de dioxygne dis-sous produit 4 moles dhydroxyde de manganse (III) qui produisent leur tour 4 moles dions manganse (III) dans la raction (3), donc :n (Mn3+) = 4 n (O2)6 Par un raisonnement analogue : n (Mn3+) = 2 n (I2).7 2 S2O32(aq) + I2(aq) S4O62(aq) + 2 I(aq) (5)8 n (S2O32) = 2 n(I2)9 En combinant les rponses aux questions 5, 6 et 8 il vient : n (S2O32) = 4 n (O2)On a donc : n (O2) = 14 n (S2O32) = 14 C1 V110 En ngligeant le volume dacide sulfurique ajout, on a pour V1 = 13,5 mL : [O2] = n (O2)V0 = 0,25 5,00 103 13,5 10350,0 103 = 3,38 104 mol L-1 = 10,8 103 g L1 11 mg L1Remarque : lajout de 10 mL dacide sulfurique dilue la solution. Dans lerlenmeyer initial de 250 mL, on a introduit environ 310 mL deau ; la concentra- tion relle, [O2]relle, en dioxygne est donc gale [O2] relle = [O2] 310 + 10310 = 1,03 [O2]. Lerreur commise est donc de 3 %, do larrondi effectu plus haut.Il nous a sembl quil tait prfrable, dans un pre-mier temps, de passer sous silence cette erreur, car les quations sont dj trs nombreuses. Il est tou-jours possible ensuite de faire rflchir les lves sur ce point.11 Leau du robinet dose est de qualit excel-lente .Lindice permanganate (p. 38)31 MnO4(aq) + 8 H+(aq) + 5 e Mn2+(aq) + 4 H2O() 2 CO2(aq) + 2 e- C2O42(aq)2 MnO4(aq) + 5 C2O42(aq) + 16 H+(aq) 10 CO2(aq) + 2 Mn2+(aq) + 8 H2O() Un erlenmeyer de 250 mL avec bouchon ; un cristallisoir ; une balance ; un erlenmeyer de 400 mL avec bouchon ; une prouvette gradue de 10 mL ; un erlenmeyer de 100 mL ; une burette gradue ; un agitateur magntique et un barreau aimant ; du chlorure de manganse solide ; des pastilles dhydroxyde de sodium ; de la pierre ponce ; de lacide sulfurique concentr ; de liodure de potassium solide ; une solution aqueuse de thiosulfate de sodium 5,00 10-3 mol L1 ; de lempois damidon ou du thiodne.Matriel et produits Un erlenmeyer de 250 mL ; un rfrigrant air ; une fiole jauge de 100,0 mL ; une prouvette gradue de 20 mL ; un agitateur magntique chauffant et un barreau aimant ; des pipettes jauges de 20 mL avec propipettes ; une burette gradue ; un agitateur magntique ; de lacide sulfurique 2,2 mol L1 ; une solution aqueuse de permanganate de potassium 2,0 10-3 mol L1 ; une solution aqueuse doxalate de sodium 5,0 10-3 mol L1.Remarque : lbullition aprs lajout de la solution de permanganate de potassium doit tre trs douce.Matriel et produitsLe dosage du dioxygne dissous (p. 37)2 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 1919b. Par suite 12 nE = 15 En2 -52 (n1 - n0)R ; soit 52 nE = En2-52 (n1- n0)R donc nE = 25 n2 - n1 + n0 n0 = n1 -25 n2 + nEc. n1 = C1 V1 = 2,0 103 20,0 103 = 4,0 105 mol 25 n2 = 25 C2 V2 = 25 5,0 103 20,0 103 = 4,0 105 molDonc n0 = nE,soit, si leau teste est leau du robinet et VE = 2,5 mL, n0 = nE = C1 VE = 2,0 103 2,5 103 = 5,0 106 mol3 a. ne = 5 n0, car, dans la demi-quation redox relative au permanganate, une mole dions per- manganate ragit avec 5 moles dlectrons. ne = 2,5 105 molb. nox = 12 ne et mox = M (O) nox = 16 12 2,5 105 = 2,0 104 gc. Lindice permanganate est IP = 10 mox, car 100 mL deau ont t doss et lIP est donn pour un litre deau, do :IP = 2,0 103 g L1 = 2,0 mg L14 IP ~ 5 mg L1 : lchantillon test peut tre consomm.Titrage colorimtrique des ions chlorure (p. 39)4A Expriences prliminaires1 Tube a : 2 Ag+ (aq) + CrO42 (aq) Ag2CrO4 (s) Tube b : Ag+ (aq) + Cl (aq) AgCl (s)2 Le prcipit de chlorure dargent se forme en premier. Si lon continue ajouter la solution de nitrate dargent, la couleur du prcipit de chromate dargent apparat : ce prcipit se forme dans un deuxime temps.3 Le prcipit de chromate dargent est le plus soluble dans leau.4 Bcher A : les ions chlorure sont en excs ; bcher B : les ions argent sont en excs.5 Dans le bcher A, il ny a pas formation du prci-pit de chromate de potassium, alors quil se forme dans le bcher B. Il y a changement de couleur au changement de ractif limitant : les ions chromate peuvent servir dindicateur de fin de raction.2 a. tape 2 : 2 MnO4(aq) + 5 C2O42(aq) + 16 H+(aq) 10 CO2(aq) + 2 Mn2+(aq) + 8 H2O() tat initial 0 n1 - n0 n2 excs inutile* inutile excstat final xf n1 - n0 - 2 xf = 0 n2 - 5 xf excs inutile inutile excs* Le remplissage des cases ainsi repres nest pas ncessaire.On obtient xf = 12 (n1 - n0) et n (C2O42)f = n2 - 52 (n1 - n0) tape 3 : 2 MnO4(aq) + 5 C2O42(aq) + 16 H+(aq) 10 CO2(aq) + 2 Mn2+(aq) + 8 H2O()tat initial 0 nE n2 - 52 (n1 - n0) excs inutile inutile excstat final :quivalencexE nE - 2 xE = 0 n2 - 52 (n1- n0) - 5 xE = 0 excs inutile inutile excsOn obtient xE = 12 nE et xE = 15 En2 - 52 (n1 - n0)R Une solution aqueuse de chromate de potassium 1,0 10-2 mol L1 ; une solution aqueuse de chromate de potassium 5,0 10-2 mol L1 ; une solution aqueuse de nitrate dargent 1,0 10-2 mol L1 ; une solution aqueuse de chlorure de sodium 1,0 10-2 mol L1 ; de leau Vichy St-Yorre ; des tubes essais ; des bchers ; des pipettes gradues ; une burette gradue ; un agitateur magntique avec un barreau aimant ; une pipette jauge de 10,0 mL avec propipette.Matriel et produits Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 20Rsolution de problmes scientifiques2 Dosage spectrophotomtrique des ions nitrate dune eau (p. 42-43)2 NO3 (aq) + 3 Cu (s) + 8 H+ (aq) 3 Cu2+ (aq) + 2 NO (g) + 4 H2O ()n (Cu2+)forms = 32 n (NO3)Si S0 S1 S2 S3Ci (mol L-1)2,0 10-2 1,5 10-2 1,0 10-2 0,5 10-21,41,21,00,80,60,40,20,02,5.1025.103 1.102 1,5.102 2.1020C (mol.L1)Ay = 60,38xR2 = 0,999Pour A = 0,366, on trouve C = 6,1 103 mol L1.Cu2+ (aq) + 4 NH3 (aq) Cu (NH3)42+ (aq)Daprs lquation :[Cu2+] i = [Cu (NH3)42+] f = CLa quantit dions cuivre (II) forme est :n (Cu2+)forms = C V = 6,1 103 100 103 = 6,1 104 mol.Donc : n (NO3) = 2/3 n (Cu2+)forms = 4,0 104 mol prsents dans V0 = 5 mL deau pollue.Ainsi, [NO3] = 8,1 102 mol L1 = 5,0 g L1.La limite de qualit est fixe par le dcret 50 mg L1 : leau nest donc pas potable.3 Les ions calcium et magnsium dune eau minrale (p. 43)Lnonc demande de dterminer la somme des concentrations molaires partir des indications four-nies par le document 4.Pour cela, il convient : dexploiter les quations de raction pour en dduire la relation entre ni (Ca2+) + ni (Mg2+) et nvers (Y4 ) au changement de couleur ; den dduire [Ca2+] + [Mg2+] ; de comparer cette valeur celle trouve sur lti-quette aprs avoir converti les concentrations mas-siques donnes sur ltiquette, en concentrations molaires.Au changement de couleur, la quantit dEDTA ver-se et les quantits initiales dions Ca2+ et Mg2+ sont lies par ni (Ca2+) + ni (Mg2+) = nvers (Y4 ).En notant V1 le volume de lchantillon deau min-rale, il vient : [Ca2+] V1 + [Mg2+] V1 = [Y4 ] V2E = C2 V2E[Ca2+] + [Mg2+] = C2 V2EV1 = 5,0 102 7,420,0 = 1,9 102 mol L-1Avec les indications de ltiquette : [Ca2+] + [Mg2+] = t (Ca2+)M (Ca) + t (Mg2+)M (Mg) = 549 10340,1 + 119 10324,3 = 1,86 10-2 mol L1On observe un cart relatif de 2,2 %. B Titrage dans une eau6 Pour une prise dessai de 10,0 mL, on trouve VE = 9,0 mL.7 Ag+ (aq) + Cl (aq) AgCl (s)8 a. [Cl] = 9,0 103 mol L1b. t (Cl) = 3,2 101 g L1c. Utiliser la fiche 3, valuation des incertitudes de mesure, p. 198 du manuel.d. Cest une eau minrale ; elle a donc des proprits thrapeutiques et peut ne pas respecter certains cri-tres de potabilit. Il est possible de la boire, mais il faut varier lorigine des eaux utilises pour la boisson. 4 Recovery magnesium from sea water (p. 44)Lnonc demande de calculer la masse deau, puis de coquillages, c'est--dire de carbonate de calcium quil faut utiliser pour fabriquer une masse donne de magnsium. Pour cela, il faut : crire les quations de toutes les ractions ; relier les quantits de matire de carbonate de cal-cium et dions magnsium la quantit de magn-sium produite. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 211. CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)CaO (s) + H2O () Ca(OH)2 (s)Mg2+ (aq) + Ca (OH)2 (s) Mg (OH)2 (s) + Ca2+ (aq)Mg(OH)2 (s) + 2 H+ (aq) + 2 Cl (aq) Mg2+ (aq) + 2 Cl (aq) + 2 H2O ()Mg2+ (aq) + 2 Cl (aq) Mg (s) + Cl2 (g)2. Une mole de carbonate de calcium et une mole dions magnsium sont donc ncessaires pour fabri-quer une mole de magnsium.La quantit de magnsium produite par an est gale :n (Mg) = (7,5 106 10624,3 ) = 3,1 1011 molPour les coquillages : n (CaCO3) = 3,1 1011 molm (CaCO3) = 3,1 1011 (40,1 + 12,0 + 3 16,0) = 3,1 1013 g = 3,1 107 tonnes, cest--dire 31 millions de tonnes.Pour leau de mer : m (Mg) = 7,5 106 tonnes.Le document 1 nous informe quil y a 6 million de tonnes de magnsium pour un volume deau de mer gal 4,168 181 109 m3. Ainsi : 4,168 181 109 (7,5 1066 106 ) = 5 109 m3, cest--dire 5 milliards de m3.Remarque : lAnalyse et synthse de documents scientifiques 1 du chapitre 1, p. 12, indique que les mers et les ocans ont un volume estim 1 milliard de km3. La totalit du magnsium ne peut pas tre produite par ce procd.5 Adoucissement et dessalement (p. 45)Lnonc demande de dterminer la pression mini-mum exercer pour adoucir leau de Las Cruces et dessaler leau de mer. Pour cela, il faut : calculer la concentration en carbonate de calcium et celle en chlorure de sodium ; calculer les pressions osmotiques aprs avoir dtermin le coefficient de vant Hoff ; comparer la pression exerce la somme de la pression osmotique et de la pression atmosphrique. Eau de Las Cruces : concentration en carbonate de calcium :C = [CaCO3] = TH 10 = 56 10 = 5,6 102 mg L1C = 5,6 10140,1 + 12,0 + 3 16,0 C = 5,6 103 mol L1 pression osmotique :p = i C R T = 2 5,6 103 8,314 (27 + 273) p = 28 kPa = 0,28 atm.On exerce une pression P = 8 atm 1 (p + Patm), donc ladoucissement est possible. Eau de mer : concentration en chlorure de sodium :C = [NaCl] = 3535,5 + 23,0 = 0,60 mol L1 pression osmotique :p = i C R T = 2 0,60 8,314 (27 + 273) p = 3,0 103 kPa = 30 atm.On exerce une pression P = 8 atm ~ (p + Patm), donc le dessalement nest pas possible.6 Les hydrates de mthane (p. 46)Lnonc demande de calculer le nombre de cages 51264 prsentes dans la structure II.Pour cela, il faut exploiter le document 3 en comparant la surface des bandes relatives aux cages 512 et 51264.La surface de la bande 2 910 cm1 est 2 fois plus grande que celle 2 905 cm1, ce qui signifie que la structure II renferme deux fois plus de cages 512 que de cages 51264. La structure II comportant 16 cages 512, elle contient donc 8 cages 51264.7 Titrage conductimtrique des ions sulfate (p. 46)Lnonc demande de calculer la concentration en ions sulfate de leau minrale et de la comparer celle donne par ltiquette.Pour cela, il faut : crire lquation de la raction de prcipitation ; tablir la relation entre les quantits deractifs lquivalence. Ba2+ (aq) + SO42 (aq) BaSO4 (s)[SO42] V1 = C2 V2E [SO42] = 0,100 12,1100,0 = 1,21 102 mol L1 [SO42] = 1,21 102 (32,0 + 4 16,0) = 1,16 g L1 = 1,16 103 mg L1 On lit sur ltiquette dune bouteille deau de Contrexville : sulfate : 1187 mg L1 .Lcart relatif est donc de 2,1 %. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 22Analyse et synthse de documents scientifiques3ChapitreEau et nergie1 Le dihydrogne est une matire premire impor-tante de lindustrie chimique (production dammo-niac, de mthanol, de mdicaments, etc.), de lindus-trie mtallurgique et de la ptrochimie. Il est aussi utilis dans les domaines de llectronique ou du trai-tement des produits alimentaires.Sil devait tre galement utilis pour produire de lnergie, sa production devrait tre augmente et optimise de manire pouvoir le produire en quan-tits beaucoup plus importantes que les quantits actuelles.2 Les 50 millions de tonnes de dihydrogne actuel-lement produites reprsenteraient 1,5 % de la demande mondiale dnergie primaire. Si le dihydro-gne devait tre utilis pour produire la totalit de lnergie primaire actuellement ncessaire, il faudrait en synthtiser une masse M telle que :50 106 = 0,015 M , soit M = 50 1060,015 = 3,3 109 tonnes de dihydrogne.3 quations des ractions mises en jeu lors de la conversion du mthane :CH4 (g) + H2O (g) CO (g) + 3 H2 (g)CO (g) + H2O (g) CO2 (g) + H2 (g)Le bilan de ces deux ractions scrit :CH4 (g) + 2 H2O (g) CO2 (g) + 4 H2 (g)4 a. CnHm + n2 O2 (g) n CO (g) + m2 H2 (g) CO (g) + H2O (g) CO2 (g) + H2 (g)b. Le bilan de ces deux ractions scrit :CnHm + n2 O 2 (g) + n H2O (g) n CO2 (g) + (n + m2 ) H2 (g)c. Les rsidus lourds issus de la distillation du ptrole constituent une matire premire peu coteuse et abondante. 5 La raction du dihydrogne avec le dioxygne se fait facilement selon lquation : H2 (g) + 12 O2 (g) H2OElle libre de lnergie et ne produit que de leau.En revanche, la production de dihydrogne se fait partir de molcules hydrognes telles que leau ou le mthane et ncessite de lnergie.En effet, la conversion du mthane en dihydrogne dont lquation globale est donne ci-aprs se fait haute temprature et ncessite un apport important de chaleur et donc de lnergie : CH4 (g) + 2 H2O (g) CO2 (g) + 4 H2 (g)Llectrolyse de leau dont lquation est donne ci-aprs se fait lorsquun gnrateur lectrique impose le passage dun courant lectrique dans une solution aqueuse dhydroxyde de potassium ou dans une membrane polymre changeuse de protons. Cette opration est trs couteuse en nergie :H2O () H2 (g) + 12 O2 (g)6 a. Les lectrons assurent le passage du courant dans le circuit extrieur llectrolyseur et les lec-trodes.b. Les ions H+ assurent le passage du courant dans llectrolyseur.c. Le gnrateur impose le passage du courant dans llectrolyseur et fournit lnergie ncessaire la raction. La transformation dnergie ralise est la transformation dnergie lectrique en nergie chimique.d. Raction lectrochimique lanode :H2O () 2 H+ + 2 e + 12 O2 (g) Raction lectrochimique la cathode :2 H+ + 2 e H2 (g) e. Actuellement, on utilise galement des solu- tions aqueuses dhydroxyde de potassium comme lectrolyte. f. Un normomtre cube, not Nm3, est un volume de 1 m3 mesur dans les conditions normales de temp-rature et de pression : P = 1,013 bar et T = 0 C.Lalimentation en eau de llectrolyseur est de 1 litre deau par normomtre cube de dihydro- gne produit, soit, daprs la loi du gaz parfait :n (H2) = P VR T = 1,013 105 18,314 273 = 44,6 mol.1 L deau liquide a une masse m = 103 g et contient donc une quantit n (H2O)= mM (H2O) = 55,5 mol.7 a. Stocker le dihydrogne sous pression permet de rduire le volume occup par le dihydrogne. Productions actuelles de dihydrogne (p. 48-49)1 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 23Les productions de dihydrogne du futur (p. 50-51)2b. Les transformations dnergie ralises Vignola sont : des transformations dnergie rayonnante en ner-gie lectrique (panneaux solaires) ; des transformations dnergie lectrique en ner-gie chimique (lectrolyseurs).8 Bilan a. Les principaux modes de production du dihydrogne dans le monde sont la conversion du mthane (gaz naturel), loxydation partielle des hydrocarbures ou du charbon et, pour une trs faible part, llectrolyse de leau (voir document 5).b. Du point de vue des produits forms, le procd le plus cologique est llectrolyse de leau puisque les autres procds produisent du dioxyde de car-bone avec le dihydrogne.La nature du procd ne suffit pas pour rpondre la question. En effet, se pose la question du mode de production de lnergie lectrique consomme lors de llectrolyse.Si les procds de conversion du mthane et doxy-dation partielle des hydrocarbures et du charbon saccompagnent de la squestration du dioxyde de carbone produit, alors ces procds deviennent int-ressants, car ils sont moins coteux. Pour tre cologique, llectrolyse doit utiliser une lectricit peu coteuse et nayant pas ncessit dmissions de dioxyde de carbone. Se pose gale-ment le problme des dchets engendrs par la pro-duction nuclaire dnergie.1 La pile PEMFC est une pile qui fonctionne basse temprature et qui possde un lectrolyte solide, la membrane changeuse de protons.La raction de fonctionnement dune telle pile a pour quation : H2 (g) + 12 O2(g) H2O () lanode, se produit une oxydation : lanode consti-tue la borne ngative de cette pile. la cathode, se produit une rduction : la cathode constitue la borne positive de cette pile.Lion H+ joue un rle important, car cest lui qui assure le passage du courant lectrique lintrieur de la pile.1 a. Cette injection de mthane est source de pro-duction de dioxyde de carbone.b. Sans injection de mthane :2 H2O 2 H2 (g) + O2 (g)Avec injection de mthane :2 H2O + CH4 4 H2 (g) + CO2 (g)c. Le racteur nuclaire permet de produire llec- tricit ncessaire au fonctionnement de llectroly-seur et de produire la chaleur permettant de travail-ler haute temprature sans quil ne soit besoin de consommer de lnergie lectrique pour cela.d. IS dfinit la densit de courant. Llectrolyse haute temprature permet de travailler avec de fortes densits de courant, cest--dire des intensits importantes traversant des surfaces relativement petites, ce qui permet davoir une production impor-tante de dihydrogne pour une installation peu volu-mineuse.2 En additionnant les ractifs des quatre ractions proposes dun ct et les produits de ces quatre ractions de lautre, on obtient le bilan suivant :H2O H2 + 12 O23 Gazification de la biomasse : C6H9O4 + 2 H2O 6 CO + 132 H2Gaz shift : CO + H2O CO2 + H2Bilan : C6H9O4 + 8 H2O 6 CO2 + 252 H24 a. La photosynthse est le processus biologique qui permet aux plantes de synthtiser des matires organiques partir deau et de dioxyde de carbone en prsence de lumire (la lumire solaire).Les algues vertes et les cyanobactries peuvent pro-duire du dihydrogne partir deau en prsence de lumire (la lumire solaire). b. Cette feuille artificielle est une cellule solaire en silice qui, plonge dans de leau et expose la lumire, produit du dihydrogne sur une face et du dioxygne sur lautre face, cest--dire ralise llec-trolyse de leau.c. Dans les deux cas, cest lnergie lumineuse qui est lorigine de la production de dihydrogne partir deau.Les cyanobactries effectuent cette transformation dans un cas et le semi-conducteur base de silice dans lautre cas.5 Bilan Sinscrivent dans le cadre du dveloppe-ment durable la bioproduction de dihydrogne, la photolectrolyse et la transformation biochimique de la biomasse dans laquelle il y a production de dioxyde de carbone, mais ce dioxyde de carbone a t adsorb au pralable par les vgtaux traits ; il ny a donc pas, au bilan, de production de dioxyde de carbone.Les autres mthodes sinscriront dans ce cadre si lnergie lectrique consomme est sans mission de CO2 et sans production de polluants.Les piles combustibles (p. 52-53)3 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 24La structure de la cathode doit tre hydrophobe puisquil y a production deau lors de la rduction cathodique et cette eau est limine.2 H2 + 2 HO 2 H2O + 2 e 12 O2 + H2O + 2 e 2 HOdo lquation de la raction globale de fonction-nement : H2 (g) + 12 O2 (g) H2O ()Schma rcapitulatif de la pile en fonctionnement :electrolyte :solution aqueused'hydroxydede potassiumChaleurMH2e+HOHOHOHOHOH2 + 2 HOH2(+ H2O)2 HO2 H2O + 2 eO2 + H2O + 2 eCathode :Anode :O2O2123 H2 + O2 H2O + 2 e 12 O2 + 2 e O2do lquation de la raction globale de fonction-nement : H2 (g) + 12 O2 (g) H2O () 4 Le platine est un catalyseur.La dcouverte du CEA est importante, car elle permet de remplacer lutilisation dun mtal rare et coteux par des systmes bio-inspirs base de mtaux abondants et peu coteux tels que le fer et le nickel.Une hydrognase est une enzyme qui catalyse la rduction des ions hydrogne en dihydrogne, ainsi que loxydation du dihydrogne en ions hydrogne.Ce nouveau catalyseur est dit bio-inspir, car il sins-pire de systmes enzymatiques prsents dans des organismes vivants.5 Bilan Une pile combustible est un gnrateur lectrochimique dans lequel du dihydrogne est oxyd lanode et du dioxygne est rduit la cathode, leau constituant le produit de la raction.Diffrents types de piles combustibles existent ; ils diffrent par la nature de llectrolyte et des ions assurant le passage du courant dans la pile, ainsi que par la temprature de fonctionnement.Les utilisations des piles combustibles sont mul-tiples : alimentation nergtique des engins spatiaux, domaines des transports (alimentation en lectricit de bateaux, de voitures, de scooters, de bus, den-gins de manutention, etc.), domaines des instruments portables (tlphones, ordinateurs, recharge dinstru-ments portables, etc.), domaine du stationnaire (ali-mentation en lectricit dimmeubles, de sites indus-triels, de sites isols tels que les relais tlphoniques, etc.). Un lectrolyseur ; un gnrateur de tension continue rglable ; deux multimtres ; deux tubes hmolyse avec bouchons adapts ; deux tubes en verre gradus ; un support et systme de fixation ; cinq fils lectriques ; un chronomtre ; une solution de sulfate de sodium 0,50 mol L1 ; du bleu de bromothymol ; des allumettes ; une buchette.Matriel et produitsLtude qualitative A permet de prsenter simple-ment llectrolyse qui na jamais t vue par les lves : ractions aux lectrodes, dplacement des porteurs de charge, etc.Dans la partie B, le trac de la caractristique permet dtablir que llectrolyseur est un rcepteur et de dterminer sa force contre lectromotrice. La partie C permet de sintresser laspect nerg-tique de la transformation ralise et de dterminer le rendement de llectrolyseur.A tude qualitative1 Le gaz contenu dans le tube 1 est du dihydrogne. Il est caractris par son aboiement la flamme.Le gaz contenu dans le tube 2 est du dioxygne. Il est caractris par la faon dont il ravive lincandes-cence dune buchette.2 a. La solution contenue dans le tube 1 passe du vert au bleu : ceci traduit une augmentation de la concentration en ions hydroxyde, HO, et donc une formation dions hydroxyde dans le tube 1.b. La solution contenue dans le tube 2 passe du vert au jaune : ceci traduit une augmentation de la concentration en ions hydrogne H+ et donc une for-mation dions hydrogne dans le tube 2.3 a. Le courant sort de la borne positive du gnra-teur et rentre par sa borne ngative.b. Dans le circuit extrieur llectrolyseur, les por-teurs de charge responsables du passage du courant sont des lectrons : ils se dplacent en sens inverse du sens du courant lectrique.Pratique exprimentalelectrolyse de leau (p. 54-55)1 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 254 a. La raction qui se produit llectrode 1 a pour quation : 2 H2O () + 2 e H2 (g) + 2 HO (aq)La raction qui se produit llectrode 2 a pour quation : H2O () 12 O2 (g) + 2 H+ (aq) + 2 eb. Lanode est llectrode laquelle se produit une oxydation : il sagit de llectrode 2.La cathode est llectrode laquelle se produit une rduction : il sagit de llectrode 1.5 a. Lquation de la raction qui dcrit le fonction-nement global de llectrolyseur sobtient en ajou-tant les deux quations des ractions aux lectrodes de faon ce que le nombre dlectrons gnr lanode soit gal au nombre dlectrons capts la cathode :3 H2O () H2 (g) + 2 HO (aq) + 12 O2 (g) + 2 H+ (aq) En remplaant 2 HO (aq) + 2 H+ (aq) par 2 H2O (), il vient :H2O () H2 (g) + 12 O2 (g) b. Dans le tube 1, le volume de gaz form est approximativement gal au double du volume de gaz form dans le tube 2 et donc la quantit de dihydro-gne form est gale au double de la quantit de dioxygne form.Ceci est en accord avec les rsultats obtenus partir du tableau davancement ci-dessous.quation H2O () H2 (g) + 12 O2 (g)Quantits initiales Excs 0 0Quantits en cours dvolutionExcs xx2Ainsi, en notant Vm le volume dune mole de gaz dans les conditions de lexprience, on obtient :V (H2) = x Vm et V (O2) = x Vm2soit : V (H2) = 2 V (O2)c. On a utilis une solution de sulfate de sodium la place deau pure pour travailler avec une solution nettement plus conductrice que leau.d. Dans la solution, les porteurs de charge sont les ions : les ions sodium, Na+, se dplacent dans le sens du courant et les ions sulfate, SO42, se dplacent en sens inverse.e. A +Na+ISO24e eeeB Trac de la caractristique de llectrolyseur6 UI7 a. Lquation de la caractristique est du type U = E + r I puisque la caractristique ne passe pas par lorigine et est une droite de coefficient directeur positif.b. Llectrolyseur est un rcepteur puisquil reoit de lnergie lectrique de la part du gnrateur branch ses bornes.c. E correspond lordonne lorigine ; la rsis-tance interne de llectrolyseur correspond au coeffi-cient directeur de la portion de droite trace.C Dtermination du rendement8 1 : nergie lectrique ; 2 : nergie chimique ; 3 : nergie thermique.9 a. E = U I0 Dtb. CH = E' I Dtc. J =UR I0 Dt = R I02 Dt ; effet Joule.d. r = nergie utilenergie reue = CHE = EU10 a. La quantit de dihydrogne correspondant au volume de dihydrogne V (H2) vaut :n (H2) = V (H2)Vmd = dm n (H2) = dm V (H2)Vm = 0,12 kJb. d et CH sont voisines. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 26tude dune pile combustible (p. 56-57)2A Un panneau solaire ; une lampe ; une pile combustible avec ses rservoirs et tuyaux ; une seringue (fournie dans le kit) ; des fils lectriques adapts (fournis dans le kit) ; un chronomtre.B Une pile combustible avec ses rservoirs contenant respectivement du dihydrogne et du dioxygne ; une platine ; une rsistance de 100 W ; des fils adapts fournis avec le kit et des fils lectriques dont on a enlev une borne et dont on a trs rgulirement enrob lextrmit obtenue de soudure (ceci pour avoir une extrmit fine afin de faire la liaison entre la pile et la platine, la platine permettant de brancher les autres appareils ou composants lectriques) ; un chronomtre.Matriel et produitsLa pile combustible utilise est la pile combustible dun modle rduit de voiture, livre avec le panneau solaire permettant de raliser llectrolyse de leau, distribue par Jeulin, par exemple. Il faut toujours veil-ler ce que sa membrane changeuse de protons soit bien hydrate, son comportement en dpend.La partie A permet de prparer le combustible dihy-drogne et le comburant dioxygne de la pile. Elle permet aussi de faire un traitement quantitatif et de comparer la quantit de dihydrogne attendue la quantit de dihydrogne obtenue.La partie B permet de sintresser laspect nerg-tique du fonctionnement de la pile combustible. Lintensit mesure diminue lentement, la variation de la tension est moindre. On peut envisager de tra-vailler avec une consommation de dihydrogne de 5 mL, mais il faudra parfois stopper le fonctionne-ment pour un volume consomm plus faible. Il faudra faire calculer une valeur moyenne de lintensit et de la tension au cours de lexprience.On peut, pour finir, puisquil restera du combustible et du comburant dans les rservoirs faire fonctionner le modle rduit de voiture, exprience beaucoup plus ludique, mais permettant douvrir sur les usages actuels et futurs des piles combustibles.A Production du combustible et du comburant de la pile1 a. 2 H+ (aq) + 2 e H2 (g)b. H2O () 12 O2 (g) + 2H+ (aq) + 2 e2 H2O () 12 O2 (g) + H2 (g)quation H2O () H2 (g) + 12 O2 (g)Quantits initiales Excs 0 0Quantits en cours dvolutionExcs xx2Le tableau davancement montre que la quantit de dioxygne obtenue est gale la moiti de celle de dihydrogne. Les volumes de gaz obtenus sont donc dans le mme rapport. Lexprience confirme ces prvisions.3 n (H2) = V (H2)Vm = 10 10324 = 4,2 104 mol4 Q = I Dt et Q = n(e) FOr, daprs lquation 1a : n (e)2 = n (H2)att , soit n (e) = 2n (H2)attdo n (H2)att = I Dt2F et V (H2)att = I Dt Vm2F .5 r ~ 1. Le volume attendu est suprieur au volume obtenu.Le rsultat peut aussi tre fauss si la valeur de lin-tensit traversant llectrolyseur (et de la tension impose aux bornes de llectrolyseur) a lgrement vari au cours de lexprience.B Fonctionnement de la pile combustible6 1 : nergie chimique ; 2 : nergie lectrique ; 3 : nergie thermique.7 a. CH = E I0 Dtb. E = U I0 Dtc. Il se produit galement une transformation dner-gie chimique en nergie thermique lorsque la pile dbite un courant lectrique.d. Le rendement est gal lnergie disponible aux bornes de la pile par lnergie chimique libre par la pile :r = U I0 DtE I0 Dt = UE8 a. quation de loxydation qui se produit lanode : H2 (g) 2 H+ (aq) + 2 eb. Equation de la rduction qui se produit la cathode : 12 O2 (g) + 2 H+ (aq) + 2 e H2O () Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 27c. H2 (g) + 12 O2 (g) H2O ()9 d = EI V, avec V, volume de dihydrogne consomm dans lexprience, exprim en m3.d = 104 103 106 V = 10 V en J, avec V exprim en mL.dCH ` 1Le combustible introduit ne contribue pas en totalit la production dnergie ; il y a des fuites et des pertes.Rsolution de problmes scientifiques2 Productions de dihydrogne (p. 60)lectrolyse de leau : H2O H2 + 12 O2Cette transformation ncessite 282 kJ pour synth- tiser une mole de dihydrogne.Conversion du mthane : CH4 (g) + H2O CO (g) + 3 H2 (g)Cette transformation ncessite 2443 = 81 kJ pour syn-thtiser une mole de dihydrogne.Raction dite du gaz leau : C (s) + H2O CO (g) + H2 (g)Cette transformation ncessite 170 kJ pour synth- tiser une mole de dihydrogne.Transformation de la biomasse : C6H9O4 + 2 H2O 6 CO (g) + 132 H2 (g)Cette transformation ncessite 880(132 ) = 135 kJ pour synthtiser une mole de dihydrogne.Le mode de production du dihydrogne le moins coteux en nergie est donc la conversion du mthane. On peut noter que la transformation de la biomasse, plus coteuse en nergie, pourrait tre intressante si on considre le cot des matires pre-mires mthane et biomasse.Pour sintresser laspect cologique, il faut prendre en compte le mode de production de lner-gie ncessaire la transformation et la proportion de dioxyde de carbone libre par mole de dihydrogne forme. Il est alors ncessaire de sintresser au bilan global de chaque transformation (en tenant compte de la transformation du monoxyde de carbone en dioxyde de carbone).lectrolyse de leau : H2O H2 + 12 O2Cette transformation ncessite 282 kJ pour synth- tiser une mole de dihydrogne et ne libre pas de dioxyde de carbone.Conversion du mthane : CH4 (g) + 2 H2O CO2 (g) + 4 H2 (g)Cette transformation libre 14 = 0,25 mol de dioxyde de carbone lors de la synthse dune mole de dihy-drogne.Raction dite du gaz leau : C (s) + 2 H2O CO2 (g) + 2 H2 (g)Cette transformation libre 12 = 0,5 mol de dioxyde de carbone lors de la synthse dune mole de dihy-drogne.Transformation de la biomasse : C6H9O4 + 8 H2O 6 CO2 (g) + 252 H2 (g)Cette transformation libre 6(252 ) = 0,48 mol de dioxyde de carbone lors de la synthse dune mole de dihydrogne.La mthode la plus cologique est llectrolyse de leau lorsque lnergie consomme lors de la syn-thse est sans mission de dioxyde de carbone ou de dchets nocifs, ce qui est le cas lorsque sont mises en jeu des nergies renouvelables.Sinon, la mthode la plus cologique est la conver-sion du mthane.3 Rendement dune pile combustible PEMFC (p. 61)Soit j = U j la puissance fournie par la pile par cm2 de surface. Le calcul de cette puissance pour les diffrentes valeurs de la tension aux bornes de la pile et de la densit de courant surfacique conduit aux valeurs ci-dessous :j (A cm2) 0 0,03 0 ,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80U (V) 1,2 1,0 0,85 0,80 0,77 0,72 0,68 0,62 0,57 0,49j (W cm2) 0 0,03 0,085 0,16 0,23 0,29 0,34 0,37 0,40 0,39 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 28Les graphes de la tension en fonction de la densit de courant surfacique et de la puissance par cm2 de surface en fonction de la densit de courant surfa-cique sont donns ci-contre.Le point de fonctionnement choisi correspond une puissance importante j = 0,32 W cm2, mais non maximale (j max = 0,40 W cm2 ).jj max = 0,80. Le vhicule peut donc bnficier de plus de puissance sil en a besoin pour une acclra-tion, par exemple.3j max :0,401,200,30 1,000,200,10 0,600,500,1 Point defonctionnement choisi0j (A . cm2)U (V)3j (W . cm2)4 Fonctionnement dune pile combustible MCFC (p. 61)Lorsque la pile dbite un courant, des ractions se produisent aux lectrodes.Une oxydation se produit lanode. Des lectrons partent de llectrode laquelle arrive du dihydro-gne : cest donc lanode. Des ions carbonate arri-vent cette lectrode et du dioxyde de carbone en part. Lquation de la raction qui sy produit sen dduit : H2 + CO32 H2O + CO2 + 2 eUne rduction se produit la cathode. Des lectrons arrivent llectrode laquelle arrive du dioxygne ; il sagit donc de la cathode. Du dioxyde de carbone arrive cette lectrode et des ions carbonate en partent. Lquation de la raction qui se produit cette lectrode sen dduit :12 O2 + CO2 + 2 e CO32Le bilan de fonctionnement de cette pile scrit :H2 + 12 O2 H2OLes ions carbonate sont les porteurs de charge qui assurent le passage du courant dans la pile. Cette pile est une pile carbonate fondu. Llectrolyte est un carbonate mtallique fondu : cette pile doit donc fonctionner haute temprature.5 Pouvoir nergtique du dihydrogne (p. 61)Lnergie libre m lors de la combustion dune unit de masse de chacun des combustibles sobtient partir de lnergie libre par mole de combus-tible :m = Mo M est la masse molaire du combustible exprime en kg mol1.Lnergie libre par unit de volume (V = 1 m3) de combustible sobtient partir de lnergie libre par unit de masse m : v = m Les rsultats obtenus sont donns dans le tableau ci-dessous.Le combustible qui a le meilleur rapport nergie /masse est le dihydrogne, mais celui qui a le meilleur rapport nergie/volume est lessence (cest le seul des combustibles proposs qui existe dans les condi-tions ordinaires de temprature et de pression ltat liquide et non gazeux).Combustible Dihydrogne Mthane EssenceFormule H2 CH4 C8H18Masse molaire (kg mol1) 2,0 103 1,6 102 0,114m (kJ kg1) 1,2 105 5,0 104 4,43 104v (kJ m3) 1,1 104 3,3 104 3,0 107 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 29Analyse et synthse de documents scientifiques4Chapitremetteurs et rcepteurs sonores1 La directivit de ce microphone dpend de la frquence du son. Il est quasiment omnidirectionnel aux basses frquences puisque lon nobserve quasi-ment pas dattnuation, quel que soit langle rep-rant la position de la source par rapport au micro-phone (document 2). Il est cardioque pour les frquences plus leves : lattnuation est forte quand la source est repre par un angle suprieur 120.2 Un microphone ne capte pas tous les sons de la mme faon ; il a une bande passante pour laquelle les sons, dont la frquence se situe dans cette gamme, sont capts avec une bonne qualit. Dans le cas du microphone dcrit au document 2, la bande passante est constitue des frquences comprises entre 100 Hz et 11 kHz environ.3 La bande passante dun haut-parleur permet de le classer dans les catgories tweeter, mdium ou boomer.DE35 8PE21 12PS100Tweeter Mdium Boomer4 Un microphone joue le rle de loreille humaine, cest--dire celui de capter les sons.Le haut-parleur joue le rle de lappareil vocal, celui de produire les sons.5 Bilan Pour le microphone lectrodynamique, les vibrations sonores causent le mouvement dune mem-brane et de la bobine qui lui est solidaire. Grce au phnomne dinduction lectromagntique, le mou-vement de la bobine place dans un champ magn-tique entrane lapparition dune tension aux bornes du microphone. Cette tension a une amplitude et une frquence proportionnelles celles des vibrations sonores.Lnergie mcanique du son est transforme en ner-gie lectrique.Pour le haut-parleur lectrodynamique, le principe de fonctionnement est inverse : la tension aux bornes du haut-parleur met en mouvement une bobine par-courue par un courant. Une membrane solidaire de la bobine bouge son tour ce qui permet de crer des vibrations sonores de mme frquence que celle de la tension et dont lamplitude varie comme celle de la tension. Lnergie lectrique est transforme en ner-gie mcanique.Les deux dispositifs possdent une membrane soli-daire dune bobine, ainsi quun aimant crant un champ magntique.1 Les trois parties du corps qui interviennent dans la voix sont les poumons, les cordes vocales et les rso-nateurs (gorge, nez, bouche).2 Les principales tapes de la production dun son par la voix sont : souffle vibration des cordes vocales rsonance des cavits vibration de lair.Les principales tapes de la perception dun son par loreille sont : vibration de lair vibration du tympan vibration des osselets vibrations des cellules cilies signal lectrique.3 Les diffrences de tessitures (domaines de fr-quences des sons produits de faon homogne) sont dues aux cordes vocales (surtout lpaisseur).4 Le diagramme du document 5 utilise une chelle logarithmique tout comme celui du document 3.5 Le niveau dintensit sonore est limit 100 dB en sortie des baladeurs et 105 dB dans les lieux musicaux. Ces niveaux sont infrieurs celui du seuil de douleur, mais suprieurs la limite de nocivit. Il faut prendre en compte la dure dexposition en plus de lintensit sonore du son.6 Bilan On constate que loreille est sensible cer-tains sons et, en particulier, ceux produits par la voix.La voie et loreille humaines (p. 68-69)1Microphone et haut-parleur (p. 70-71)2 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 301 Les ondes avant et arrire mises par un haut-parleur peuvent sannuler par interfrences destructives.Pour les viter, il faut faire en sorte que les ondes arrire ne se superposent pas aux ondes avant. Il faut, par exemple, supprimer le fond de lenceinte pour supprimer les rflexions.On peut aussi crer un dphasage supplmentaire de 180 pour les ondes arrire, qui, avec le dphasage initial de 180, fait que ces ondes sont en phase avec les ondes avant, il y a alors interfrences constructives.2 Les tests raliss, dans le but de comparer la qua-lit des enceintes, portent sur : les vibrations ; la puret des graves ; le rendement de lenceinte ; la directivit.3 Bilan Les critres de qualit des enceintes et des casques sont la bande passante (domaine de fr-quences pour une bonne restitution des sons). Pour les enceintes sajoute labsence de vibration du coffre et pour les casques lisolation phonique.La restitution des sons (p. 72-73)3La synthse demande doit mettre en avant : le principe technique de la commande vocale en utilisant notamment lexemple des mots prononcs dans le texte ; lapport de linformatique dans le traitement des donnes ; lutilisation de la reconnaissance vocale dans la commande vocale et dans lidentification ; les applications rcentes telle la dicte la machine (smartphones, logiciels, etc.) ; les progrs dans les systmes multilocuteurs.J.-P. Haton, Reconnaissance automatique de la parole : du signal son interprtation, Dunod, 2006.BibliographieLa reconnaissance vocale (p. 74-75)4A Le haut-parleur lectrodynamique1 La schmatisa-tion doit mettre en vidence le sens de parcours du courant dans la bobine (flche grise) ainsi que le sens du champ magntique cr par l a imant (flche rouge).2 Le sens de la force de Laplace dpend du sens du courant lectrique parcourant la bobine et de lorien-tation du champ magntique cr par laimant.3 On applique aux bornes du haut-parleur une tension de frquence rgle la valeur f. On claire la mem-brane du haut-parleur avec un stroboscope en partant de la frquence fe la plus haute possible. On diminue alors la frquence fe des clairs lumineux jusqu obser-ver une immobilit apparente de la membrane.4 On a, aux erreurs exprimentales prs, f = fvib.5 a. Un transducteur est un dispositif qui convertit une grandeur physique en une autre.b. Le haut-parleur est un transducteur lectro-acous-tique puisquune grandeur lectrique (la tension applique ses bornes) est convertie en un son.B Le microphone lectrodynamique6 La schmatisation doit mettre en vidence la direc-tion du dplacement de laimant devant une bobine et lapparition dune tension aux bornes de la bobine.BobineEAAimantDirection dumouvementde l'aimantPratique exprimentalePrincipe de fonctionnement dun haut-parleur et dun microphone (p. 76-77)1BobineAimant Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 317 La tension induite apparat ds lors quil y a un dplacement relatif de la bobine et de laimant.8 Lorientation de laimant, donc du champ magn-tique, par rapport la bobine, ainsi que la vitesse de dplacement ont une influence sur le signe et sur lamplitude de la tension induite.9 La priode de la tension induite est mesure loscilloscope ; sa frquence est linverse de cette priode. La frquence du mouvement de laimant est dtermine par stroboscopie ou en mesurant la priode des oscillations du mouvement de laimant. Ces deux frqences sont gales.10 Les lments modliss sont laimant et la bobine du microphone : AxeGrille de protectionMembraneBobineAimantuFils de connexionBornes dumicrophone11 a. Un transducteur est un dispositif qui convertit une grandeur physique en une autre.b. Le haut-parleur est un transducteur acousto-lec-trique puisque le son induit un dplacement de la bobine devant laimant, ce qui entrane lapparition dune tension induite.C La frquence des signaux lectriques12 On obtient, par exemple, les priodes suivantes : T1 = 2,00 ms pour la tension alimentant le haut-parleur ;T2 = 1,96 ms pour la tension aux bornes du micro-phone.On peut considrer pour T1, avec un niveau de confiance de 95 %, une incertitude :U(T1) = 2 0,2 2,00 104 = 3,27 105 sd 2d12 (base de temps : 200 s/DIV, 1 graduation = 15 DIV).De mme, U(T2) = U(T1) avec un niveau de confiance de 95 %.13 a. La frquence de la tension alimentant le haut-parleur est, par exemple :f1 = 1 T1 = 5,00 102 Hzet la frquence de la tension aux bornes du micro-phone est :f2 = 1 T2 = 5,10 102 HzOn a donc U(f1) = 5,00 102 = 8,173,27 1052,00 105 Hz et U(f2) = 5,10 102 = 8,503,27 1051,96 105 Hz avec un niveau de confiance de 95 %. On en conclut que :f1 = (500,0 8,2) Hz et f2 = (510,2 8,5) Hz.b. Les deux encadrements de f1 et f2 se recoupant, on peut considrer les deux frquences comme gales avec un niveau de confiance de 95 %.D Rversibilit dun transducteur lectro-acoustique14 Les lments communs au microphone et au haut-parleur lectrodynamiques sont la membrane, la bobine et laimant.15 Un haut-parleur peut devenir un microphone lec-trodynamique, il suffit de mesurer la tension ses bornes lorsque sa membrane bouge.Protocole possible : on place deux haut-parleurs face face, le premier est soumis une tension lectrique de frquence rglable. On mesure la tension aux bornes du second.Forme de loreille et perception des sons (p. 78)21 Le dessin ci-dessous rsume le protocole opra-toire mis en uvre pour rpondre la problmatique.OscilloscopePavillonMicrophoneunidirectionnelRglage de l'amplitudeAlimentation du haut-parleurRglage dela frquenceHaut-parleurd fixeQuatre formes de pavillons pouvant tre testes : 2341 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 322 On obtient pour diffrentes formes de pavillons les rsultats suivants : PavillonAmplitude du signal (V)Signal 500 HzSignal 2 000 HzSignal 4 000 Hz0 0,2 0,6 0,41 0,5 1,6 1,92 1,6 3,0 2,23 0,2 0,7 0,54 0,3 0,6 0,3Le cas 0 correspond labsence de pavillon.Le pavillon 3 en forme de cornet est celui qui permet de retrouver le cas 0. Les cas 1 et 2 semblent per-mettre une amlioration de la perception auditive puisquon observe une amplification de lamplitude aux trois frquences testes.Il est signaler que des mesures complmentaires peuvent tre ralises en se rendant chez un spcia-liste de laudition.Courbe de rponse et bande passante dun haut-parleur (p. 79)31 La caisse acoustiquement isole vite : de capter avec le sonomtre des sons autres que ceux produits par le haut-parleur ; de gner les personnes dans la salle avec le son du haut-parleur (trs dsagrable certaines frquences).2 Lamplitude de la tension doit rester constante, car, si elle est modifie, le niveau sonore est aussi modifi et la mesure obtenue ne dpendrait pas seulement de la frquence.3 Voici un exemple de rponse obtenue :L (dB)120100806040200100 1 000 10 000 100 000F (Hz)++++ ++++++++++++ +4 Si on choisit comme niveau dintensit sonore de rfrence 50 dB, par exemple, alors, pour le haut-parleur correspondant la courbe prcdente, la bande passante est comprise entre 200 et 7 000 Hz environ.5 Si la distance augmente, le niveau dintensit sonore est moins important.Si on change de haut-parleur, la forme de la courbe et la bande passante sont modifies.6 Pour dfinir la bande passante, il faut donc choisir un niveau dintensit sonore de rfrence. Puisque le niveau dintensit sonore dpend de la distance entre lmetteur et le haut-parleur, une unique valeur de rfrence ne suffit pas rendre compte de la rponse du haut-parleur dans nimporte quelles conditions.Rsolution de problmes scientifiques2 La maladie du surfeur (p. 82)Lexostose, la maladie du surfeur, est une maladie qui se caractrise par lapparition dos dans le conduit auditif externe. La croissance de ces os est favorise par le contact rpt avec leau.Lexamen audiomtrique de la patiente met en vi-dence une perte daudibilit pour toutes les fr-quences testes, mais dautant plus forte que les sons ont une frquence leve (suprieure 1 000 Hz). Sa perte est suprieure celle rencontre par moins de 10 % de la population fminine de son ge : elle fait donc partie des personnes les plus atteintes dans la population. On peut considrer que, dans la gamme 1 000-4 000 Hz, elle est atteinte de surdit lgre et de surdit modre (perte comprise entre 40 et 70 dB) pour des sons de frquences suprieures 4 000 Hz.Un examen audiomtrique la suite dune opration de lexostose pourrait montrer une amlioration de laudition si lexostose est responsable de sa surdit, ou aucune amlioration si lexostose nest pas le facteur de surdit.3 Bonne utilisation dun microphone (p. 83)1. Le PAD permet de rduire le niveau de sortie du microphone. cause de la dfinition logarithmique du niveau din-tensit sonore, une diminution de 3 dB du niveau correspond une division par deux de lintensit. Si lintensit sonore est divise par deux, alors :I2 = I0 10 = =L210I0 10 2L110I12 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 334 Reconnaissance vocale (p. 84)Les quatre mots ne diffrent que par leur voyelle. Daprs le texte, le reprage des formants permet didentifier les voyelles. Les formants correspondent de fortes amplitudes, donc des zones sombres sur les spectrogrammes fournis. En cas dambigut, on examine le reste des spectrogrammes (les autres composantes damplitude assez forte sont les zones colores moins sombres quau niveau des formants).On compare les spectrogrammes des quatre voyelles ceux du document 4 et on dduit lidentification des quatre mots :Spectro-grammes de rfrenceFormantsAutres composantes damplitude assez forteSpectro-grammes attribuerFormantsAutres composantes damplitude assez forteVoyelle i F1 (200 Hz), F2 (350 Hz)Vers 500 Hz AF1 (200 Hz), F2 (350 Hz)Vers 600, 800, 1 000 et 1 150 HzVoyelle F1 (200 Hz), F2 (350 Hz), F3 (450 Hz), F4 (620 Hz), F5 (800 Hz)De 1 000 2 500 Hz tous les 150 Hz environBF1 (200 Hz), F2 (350 Hz), F3 (450 Hz), F4 (620 Hz), F5 (800 Hz)De 1 000 2 500 Hz tous les 150 Hz environVoyelle o F1 (200 Hz), F2 (350 Hz), F3 (450 Hz), F4 (620 Hz), F5 (800 Hz)Dans le domaine 0-1 000 Hz, mais aucune au-delCF1 (200 Hz), F2 (350 Hz), F3 (450 Hz), F4 (620 Hz), F5 (800 Hz)Dans le domaine 0-1 000 Hz, mais aucune au-delVoyelle ou F1 (200 Hz), F2 (350 Hz), F4 (620 Hz)Vers 600 et 800 Hz DF1 (200 Hz), F2 (350 Hz)Vers 500 HzGrce aux formants, on attribue le spectrogramme B au mot lait et le spectrogramme C au mot lot .Grce aux formants et au reste du spectrogramme, on attribue le spectrogramme D au mot lit . Par limination, on en dduit que le spectrogramme A est celui du mot loup .On dduit L2 = L1 3, en dcibel.2. Les problmes directionnels sont grs laide du bouton Polar Pattern, ceux de filtrage par les deux autres boutons.a. Il sagit de bien capter les sons face chaque acteur (q = 0 et 180 pour un microphone plac entre eux) et dliminer les sons de frquence 80 Hz dans toutes les directions.Rglages : Polar Pattern : figure 8 ; High-Pass Filter : sur 80 Hz ou 100 Hz ; PAD : 0 (aucune attnuation sur lensemble des frquences nest ncessaire).b. Il sagit de diminuer le niveau dintensit sonore dans toute la gamme de frquences et dans toutes les directions.Rglages : Polar Pattern : Omni ; High-Pass Filter : mini (20 Hz) ; PAD : 5 ou 10 dB.c. Il sagit de bien capter les sons mis par lactrice en face delle (q compris entre 90 et 270 environ).Rglages : Polar Pattern : Cardiod ; High-Pass Filter : minimum (20 Hz) pour que les paroles restent audibles, on choisit le rglage provo-quant le moins de filtrage ; PAD : 0 (aucune attnuation sur lensemble des frquences nest ncessaire).5 Directivit dun haut-parleur (p. 85)Le niveau dintensit sonore est donn par la relation : L = 10 logII0Avec la valeur donne 1 m du niveau dintensit sonore, on dduit lintensit sonore I 1 m sur laxe principal du haut-parleur :I = I0 10 = 101 W m2L10On cherche lintensit sonore la distance d = 50 m de la source.Lorsquune source met de la mme faon dans toutes les directions, lintensit sonore est uniform-ment rpartie sur une surface sphrique. Cette inten-sit varie donc comme linverse du carr de la dis-tance laquelle on se trouve de la source, elle est divise par quatre lorsque la distance double. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 346 Forum de discussion (p. 85)Canardoc ne rpond pas la question pose, mais sa rponse est importante en termes de scurit.La rponse de Chocopops est maladroite dans sa formulation, car ce nest pas la perception de la fr-quence qui est modifie. Une frquence nest pas perue, une onde sonore de frquence lest. Sa rponse est, de plus, incomplte, car elle ne prcise rien sur la longueur donde qui intervient dans la rela-tion entre v et f.La rponse de Vince est totalement fausse : les cordes vocales vibrent, mais rien ne se fixe dessus.La rponse de Titi du 33 est rigoureuse dun point de vue scientifique. Elle sappuie sur la relation = vf ; o l est la longueur donde des ondes sonores (ici fixe par les dimensions de la caisse de rso-nance), v leur clrit et f leur frquence.La rponse de Zazou ne prcise en rien en quoi la voix serait plus aigu. De plus, le gaz inhal lest temprature ambiante, il ne sagit donc pas dun pro-blme de refroidissement.7 Remplacement de haut-parleur (p. 86)Problme 11. Pour mesurer la frquence du son produit il faut cap-ter ce son avec un microphone et mesurer la frquence de la tension induite aux bornes du microphone.2. On lit sur la courbe du document 2, 1 m du haut-parleur, un niveau dintensit sonore de 100 dB pour ce son de frquence 2 000 Hz. On en dduit linten-sit sonore cette distance :I = I0 10 = 1012 10 = 102 W m2L1010010La puissance sonore mise par le haut-parleur situ la distance d = 1 m est : = I 4pd 2 = 102 4p = 1,26 101 W la distance d et pour la mme mission de la source sonore, on a :I0 10 4d24(d)2I = = = 4(d)2I0 d210 (d)2 L10L10Le son de frquence gale 2 000 Hz est juste audible si L = 0 dB, daprs le document 3. Cela correspond :I = I0 10L10Il vient donc :I = I0 10 =I0 10 d2 L10L10soit :d = 10L L10 = 10100 010 = 105 m ; soit 100 km.Cette valeur est thorique.En ralit, elle est bien plus faible, car le son est att-nu lors de sa propagation.Problme 21. On lit sur la courbe, 1 m du haut-parleur, un niveau dintensit sonore de 100 dB. On en dduit lintensit sonore cette distance :I = I0 10 = 1012 10 = 102 W m2L1010010La puissance sonore mise par le haut-parleur situ la distance d = 1 m est : = I 4pd2 = I 4p = 102 4p = 1,26 101 WLe rendement est = =lect1,26 10130 = 0,0042 ; soit 0,42 %.2. Le haut-parleur no 2 a une bande passante bien plus troite que le haut-parleur no 1 ; il ne peut pas le remplacer pour tous les usages, en particulier, pour mettre des sons de frquence infrieure 200 Hz.Dans la situation de lexercice, lmission nest pas la mme dans toutes les directions. Cependant, dans une direction donne, la relation prcdente est tou-jours valable : lintensit varie comme linverse du carr de la distance.I = = 4 105 W m20,1502Le niveau dintensit sonore est donn par la relation : L = 10 logII0Avec la valeur prcdemment calcule de I, on dduit un niveau dintensit sonore L :L = 10 log4,0 1051012do :L = 76 dB. cette mme distance, mais dans une direction fai-sant un angle de 60 avec laxe principal, il y a une perte de 6 dB (voir le diagramme dmission du haut-parleur).Le niveau dintensit sonore, 50 m de la source et dans une direction repre par q = 60, est donc de 70 dB. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 35Analyse et synthse de documents scientifiques5ChapitreInstruments de musique1 a. les molcules dair : lair est un mlange gazeux ; lexpression correcte aurait t les mol-cules des gaz constituant lair . et les molcules cherchent aussitt retrouver leur espace vital en scartant les unes des autres : une molcule nest pas vivante. Une expression cor-recte aurait t les molcules reprennent leur posi-tion initiale en scartant les unes des autres . la vitesse de vibration : lexpression correcte est la frquence de vibration .b. En vibrant, une corde cre des zones de surpres-sion dans lair proche delle. Ces zones de surpres-sion se dplacent comme des vagues dans toutes les directions de lespace. Notre oreille est sensible ces zones de surpression.1 Le rapport de frquences de deux notes spa-res dune octave est gal deux ; pour deux notes spares par une quinte, le rapport est gal 32 ; pour deux notes spares par une tierce majeure, il est gal 54.2 a. Une note la quinte occupe la cinquime posi-tion par rapport une note de rfrence. Daprs le tableau, la note la quinte dun Do est un Sol.b. La note la quinte dun Do de frquence fDo = 100 Hz a une frquence f = 1,5 fDo = 150 Hz ; daprs le tableau du document 3, cette frquence correspond un Sol.La note la quinte du Sol de frquence fSol = 150 Hz a une frquence f = 1,5 fSol = 225 Hz.On divise par 2 cette frquence pour la ramener dans loctave (100 Hz < f < 200 Hz). On obtient une valeur de 112,5 Hz, qui est un R.La note la quinte du R de frquence fR = 112,5 Hz a une frquence f = 1,5 fR = 168,8 Hz ; cest un La.La note la quinte du La de frquence fLa = 168,8 Hz a une frquence f = 1,5 fLa = 253,1 Hz.On divise par 2 la valeur exacte de cette frquence pour la ramener dans loctave. On obtient une valeur de 126,6 Hz, qui est un Mi.La note la quinte du Mi de frquence fMi = 126,6 Hz a une frquence f = 1,5 fMi = 189,8 Hz ; cest un Si.On obtient la frquence du Fa par quinte descendante : fFa = 2 = 133,3 HzfDo1,5 .3 La gamme tempre contient 12 demi-tons.Le rapport de frquences entre deux demi-tons conscutifs est de d 212 .4 Un son harmonieux est constitu de notes dont les rapports de frquences sont simples. Par exemple, lorsque le rapport de frquences entre deux notes est gal deux, la combinaison de ces notes est agrable loreille.5 Deux exemples de rponses : accord(Do,Sol,R):lesnotessontsparesdeux deux par une quinte.En effet : fSol3fDo3 = 392,00261,63 = 1,5 et fR4fSol3 = 587,33392,00 = 1,5 ; accord(Do,Mi,Sol):leDoetleMisontlatiercelun de lautre. Le Do et le Sol sont la quinte lun de lautre.En effet : fMi3fDo3 = 329,63261,63 = 1,26 et 54 = 1,25 ; ces notes sont la tierce lune de lautre.fSol3fDo3 = 392,00261,63 = 1,5 ;ces notes sont la quinte lune de lautre.6 Bilan La musique peut tre considre comme une discipline scientifique, car les notes sont caract-rises par leurs frquences.Les frquences des notes de la gamme tempre ou de la gamme de Pythagore sont calcules les unes par rapport aux autres. De mme, un son harmonieux est constitu de notes dont les rapports de fr-quences sont simples (octave, quinte, tierce, etc.).La musique est une science (p. 88-89)1Les instruments cordes (p. 90-91)2 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 362 a. 3NVN3LVNVNb. f3 = 3f1, f1 est la frquence du fondamental de cette corde. Daprs le schma, 3 = L3.3 Les principales techniques sont : la corde pince (guitare) ; la corde frotte (violon avec archet) ; la corde frappe (piano).4 Bilan Les frquences fondamentales sont les mmes pour les trois notes. En revanche, la note de musique mise par un violon possde beaucoup plus dautres frquences (harmoniques) que la mme note joue par une guitare ou un piano. Les harmoniques ont tous la mme dure pour le violon, alors quils disparaissent progressivement pour la guitare et le piano, le fondamental ayant la dure la plus longue. Pour la guitare, plus lharmonique est de rang lev, plus il disparat rapidement.La plupart des instruments percussion nmettent pas de sons musicaux, car leur spectre en frquences ne comprend pas un fondamental et des harmo-niques dont les frquences sont des multiples de la frquence du fondamental.Ce type de spectre est appel spectre inharmonique.La reprsentation graphique du document 2 corres-pond au son dune caisse claire. Le phnomne ne semble pas priodique. La caisse claire de la batterie nmet pas un son musical.En revanche, loscillogramme du son correspondant une timbale est pratiquement priodique, comme le montre le document 3. Un coup de timbale tant peru comme plus ou moins aigu, le son dune tim-bale peut tre qualifi de son musical.Les instruments percussion (p. 92)31 Lorsque la frquence du courant lectrique est gale f1 = 82 Hz, qui correspond la frquence du fondamental de la corde de la guitare, cette der-nire se met vibrer en formant un fuseau. Ce fuseau est observ quel que soit le type dexcita-tion, soit par une force lectromagntique, soit par des ondes sonores.Lorsque la frquence dexcitation est 2 f1, on observe deux fuseaux, trois fuseaux lorsque la frquence dexcitation est 3 f1.2 Pour f1, on observe 1 fuseau ; pour f2 = 2 f1, on observe 2 fuseaux ; pour fn, on observe n fuseaux.On en dduit la relation fn = n f13 Une guitare peut vibrer diffrentes frquences multiples dune frquence appele frquence fonda-mentale. Lorsque le guitariste pince la corde dune guitare pour jouer une note, la corde vibre alors diffrentes frquences qui sont la frquence fonda-mentale (la plus faible) et les frquences harmoniques (multiples de la frquence fondamentale).Pratique exprimentaleModes de vibration dune corde de guitare (p. 93)1La guitare : un instrument cordes (p. 94)21 Une guitare comporte principalement trois par-ties : des cordes, une caisse et un manche.Protocole no 1 : rle des cordes Relier un microphone un systme dacquisition informatis. Paramtrer le logiciel dacquisition. Pincer une corde en effectuant une acquisition. Faire plusieurs acquisitions en pinant diffremment la corde. Observer les caractristiques des oscillogrammes obtenus. Procder de mme avec les autres cordes.Protocole no 2 : rle de la caisseOn peut utiliser le diapason avec, puis sans sa caisse de rsonance. Effectuer deux acquisitions, la premire avec le dia-pason sur sa caisse de rsonance et la seconde avec le diapason sans sa caisse de rsonance. Comparer les deux oscillogrammes.Protocole no 3 : rle du mancheLe manche contient des incrustations mtalliques, les frettes, et le guitariste, en appuyant sur la corde entre deux frettes, modifie la longueur de vibration de celle-ci. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 37 Effectuer plusieurs acquisitions en faisant vibrer la corde la plus fine :a. sur toute sa longueur ;b. en appuyant sur la corde entre les frettes 4 et 5 ;c. en appuyant sur la corde entre les frettes 11 et 12. Dans chaque cas, dterminer la frquence de la note joue.Une corde de guitare vibre sur toute sa longueur avec la mme frquence et met toujours la mme note. Les cordes de la guitare vibrant sur toute leur longueur mettent chacune une note diffrente.En appuyant entre deux frettes, le guitariste diminue la longueur de la corde. Elle vibre alors avec une frquence suprieure, la note mise est plus aigu. La caisse per-met damplifier la note mise de manire audible.La flte : un instrument vent (p. 95)31 Le son est pur. En effet, le spectre en frquences ne contient que le fondamental dont la frquence est gale 1,61 103 Hz. La note est proche du Sol5 de frquence 1 568 Hz.2 Pour calculer une incertitude de rptabilit, il faut raliser une srie de mesures.On a ralis six mesures de frquences et six mesures de distances.Ensuite, on a calcul la moyenne et lcart type,n 1 =(mk m)2d nk = 1n 1, grce un tableur.Puis on calcule lincertitude de rptabilit pour les sries de mesures.Lincertitude a t tablie pour les deux intervalles de confiance 95 % et 99 %.La loi de Student donne les facteurs dlargissement pour une srie de six mesures (voir la fiche 3, p. 198 du manuel).Pour un intervalle de confiance de 95 %, k = 2,57 et, pour un intervalle de 99 %, k = 4,03. Mesure 1 2 3 4 5 6 Moyennef : frquence La (Hz) 867 843 857 872 854 862 859,166 667cart type : 10,264 826 7Incertitude de rptabilitNiveau de confiance 95 % U(f ) = 10,769 836 7Niveau de confiance 99 % U(f ) = 16,888 109 7Mesure 1 2 3 4 5 6 Moyennef : frquence Sol (Hz) 781 763 781 782 756 769 772,000 000cart type : 11,027 239 0Incertitude de rptabilitNiveau de confiance 95 % U(f ) = 11,569 758 3Niveau de confiance 99 % U(f ) = 18,142 461 4Mesure 1 2 3 4 5 6 MoyenneDistance d (cm) 14,6 14,7 14,2 14,6 14,3 14,4 14,466 666 7cart type : 0,196 638 42Incertitude de rptabilitNiveau de confiance 95 % U(d ) = 0,206 312 65Niveau de confiance 99 % U(d ) = 0,323 517 51Mesure 1 2 3 4 5 6 MoyenneDistance d (cm) 16,6 16,4 17 16 16,6 16,3 16,483 333 3cart type : 0,337 144 87Incertitude de rptabilitNiveau de confiance 95 % U(d ) = 0,353 731 76Niveau de confiance 99 % U(d ) = 0,554 684 44 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 383 On calcule ensuite les rapports r1 = f f et r2 = dd partir des valeurs moyennes des frquences et des distances :r1 = f f = 1,11291019 r2 = dd = 1,13940092Lincertitude sur les rapports est donne par la relation : U(G) = G +U(G1) 2G1d @ @ U(G2) 2G2@ @On obtient :U(r1)Niveau de confiance 95 % 0,019 538 01Niveau de confiance 99 % 0,030 637 42U(r2)Niveau de confiance 95 % 0,025 766 51Niveau de confiance 99 % 0,040 404 34 Les valeurs des rapports se situent donc dans les intervalles [r1 U(r1) ; r1 + U(r1) ] et [r2 U(r2) ; r2 + U(r2)].Nous choisissons arbitrairement dexprimer les incer-titudes U(r1) et U(r2) avec un chiffre significatif.Les valeurs deviennent donc : U(r1)Niveau de confiance 95 % 0,02Niveau de confiance 99 % 0,03U(r2)Niveau de confiance 95 % 0,03Niveau de confiance 99 % 0,04Les rapports r1 et r2 sont exprims pareillement : r1 = 1,11 et r2 = 1,14.On obtient les intervalles suivants pour un niveau de confiance de 95 % : pour le rapport des frquences : [1,09 ; 1,13] ; pour le rapport des distances : [1,11 ; 1,17].On obtient les intervalles suivants pour un niveau de confiance de 99 % : pour le rapport des frquences : [1,08 ; 1,14] ; pour le rapport des distances : [1,10 ; 1,18].Quel que soit le niveau de confiance, 95 % ou 99 %, les intervalles se recoupent.On peut donc affirmer que f f = dd.Il y a donc un rapport simple entre la frquence du fondamental et la longueur de la colonne dair.Synthtiser un son (p. 96)41 En analysant le spectre du La3 de la flte tra- versire, on constate quil a un fondamental de fr-quence f1 = 440 Hz et quatre harmoniques de fr-quence 2 f1, 3 f1, 4 f1 et 5 f1. Les amplitudes de ces harmoniques diminuent lorsque le rang de lharmo-nique augmente. Le spectrogramme de ce son fait apparatre un sixime harmonique, mais dintensit trs faible, car sa couleur se rapproche du violet. Sur une dure de 2,0 secondes, lamplitude des diff-rents harmoniques demeure constante.On synthtise laide de Scilab un son ayant le mme fondamental et les mmes harmoniques en respectant leurs amplitudes relatives. lcoute, le son synthtis est comparable au son mis par la flte traversire. Cependant, le son mis par la flte va, un moment donn, sestomper (souffle du musicien), ce qui nest pas le cas du son synthtis que lon peut mettre indfiniment. Le musicien peut galement, en variant lintensit de son souffle, faire varier lintensit du son, ce qui nest pas possible avec le son synthtis.2 Pour reproduire un son, il faut mettre son fonda-mental ainsi que ses harmoniques en respectant lam-plitude respective de chacun. Daprs le document 9, on travaille alors dans la synthse par modles de signaux. Pour se rapprocher dun son naturel mis par un instrument, il faut galement tre capable de tenir compte de variations de niveaux sonores, il faut repro-duire lattaque, les transitoires entre diffrentes notes, etc. Il faut donc modliser les gestes et le souffle du musicien. On utilise ici la synthse par modles phy-siques, qui est beaucoup plus complexe raliser.Les instruments lectroniques (p. 97)5A Reproduire un son1 Protocoles Acquisition du Mi1 dune guitare Relier le microphone un systme dacquisition informatis. Raliser lacquisition du Mi1. Tracer le spectre en frquences du Mi1. Reprer les frquences et les amplitudes du fonda-mental et des harmoniques. Reproduction du son laide du gnrateur dhar-moniques Relier le gnrateur dharmoniques au systme dacquisition informatis. Chercher reproduire la frquence du fondamental. Pour cela, effectuer des acquisitions et tracer les spectres en frquences en faisant seulement varier la frquence du fondamental jusqu obtenir celle du Mi1. Ensuite, effectuer des acquisitions en modifiant lampli-tude du fondamental et des harmoniques du son mis par le gnrateur afin dobtenir les mmes amplitudes que celles du spectre en frquences du Mi1 de la guitare. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 392 Pour reproduire le son mis par un instrument, il faut synthtiser un son ayant le mme fondamental et les mmes harmoniques en respectant lamplitude relative de chacun deux.B Crer un son laide dun circuit oscillant3 a. et b. Les tensions T et T0 sont mesures laide dun oscilloscope ou dun systme dacquisition.Si on utilise un oscilloscope, les incertitudes U(T ) et U(T0) sont dues une double lecture et dpendent des graduations de lcran de loscilloscope (voir fiche 3, p. 199 du manuel).Si on utilise une acquisition informatise, la lecture dune priode lcran, en zoomant sur la zone ana-lyser, peut tre trs prcise. On peut donc considrer que lincertitude lie la lecture est principalement due la priode dchantillonnage Te de lacquisi-tion ; on prendra comme incertitude de simple lecture Ulecture = Te.Lexpression de lincertitude de double lecture sur la priode scrit : U(T02 ) = d 2Te ; do U(f0) =d 2TeT02c. Pour vrifier que f0 est gale f, il faut que les domaines des frquences [f0 U(f0) ; f0 + U(f0)] et [f U(f ) ; f + U(f )] aient des valeurs communes.4 Un instrument lectronique reproduit un son musical en crant un signal lectrique de mme fr-quence que celle du son.Accorder une guitare avec des battements (p. 98)61 Le document ci-contre est un exemple de pro-gramme pour crer des battements. On additionne deux signaux lectriques sinusodaux, s1 et s2, cor- respondant aux signaux sonores mis par la corde accorde (corde La1), de frquence f1 = 110 Hz, et par la corde accorder (corde Mi1 quand on appuie sur la 5e frette), de frquence f2 = 112 Hz. On choisit arbitrairement, pour chacun de ces signaux, une amplitude proportionnelle au niveau sonore du son mis.On cre ensuite un signal s3 somme des deux signaux s1 et s2.Le signal s3 obtenu a lallure suivante :0,50 sLa priode des battements est de 0,50 s et sa fr-quence de 2,0 Hz. La corde Mi1, plaque sur la 5e frette, met une note loigne de 2,0 Hz de la fr-quence souhaite du La1, qui est gale 110 Hz. On retrouve bien les rsultats du document 14.2 On souhaite accorder la corde Mi1 avec la corde La1. Daprs le document 16, on appuie la corde Mi1 sur le manche entre la 4e et la 5e frettes. Si cette corde est accorde, en vibrant, elle met un La1.On fait vibrer simultanment la corde La1 (accorde) sur toute sa longueur et la corde Mi1 en lappuyant sur le manche entre la 4e et la 5e frettes. Si on entend des battements, la corde Mi1 nest pas accorde, mais a une frquence peu loigne de celle atten-due.On tend ou dtend la corde Mi1 pour augmenter la priode des battements et finir par les supprimer.On peut galement utiliser une acquisition informati-se du signal lectrique correspondant aux sons mis par linstrument. On visualise ainsi les battements. La frquence du signal enregistr permet de savoir si la corde accorder met un son trop grave ou trop aigu. Dans lexemple prcdent, si le son enregistr a une frquence de 108 Hz, alors que lon attend 110 Hz, la corde Mi1 met un son dont la frquence est trop basse (106 Hz), les battements ont une frquence de 4 Hz (110 106). Il faut donc la tendre pour laccorder.On accorde les autres cordes de la guitare de la mme faon.La corde R2 est accorde avec la corde La1 lorsquon appuie sur la 5e frette de cette dernire.La corde Sol2 est accorde avec la corde R2 lorsquon appuie sur la 5e frette de cette dernire.La corde Si2 est accorde avec la corde Sol2 lorsquon appuie sur la 4e frette de cette dernire.La corde Mi3 est accorde avec la corde Si2 lorsquon appuie sur la 5e frette de cette dernire. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 40Le traitement du son (p. 99)7A Traitement numrique dun son1 Lamplification dun son a une consquence sur lamplitude du signal lectrique correspondant ce son. Plus lamplitude du signal lectrique est grande, plus le son est intense, plus son niveau sonore est lev.Son mis par une guitare. Son mis par une guitare amplifi.Partie du son mis par une guitare. Mme partie du son amplifi.Lgalisation dun son modifie son spectre en frquences. Les frquences du fondamental et des harmoniques gardent les mmes valeurs ; en revanche, leurs amplitudes sont modifies. Lallure du signal lectrique correspon-dant ce son est diffrente.Lorsquun son subit une galisation, on modifie son timbre.Spectre en frquences du son mis par une guitare. Spectre en frquences du son galis. On a diminu lamplitude des frquences partir de 500 Hz.0,000,00,50,51,01,00,50 1,00 2,001,500,300 0,310 0,320 0,330 0,340 0,3500,00,50,51,01,00,300 0,310 0,320 0,330 0,340 0,3500,00,50,51,01,00,000,00,50,51,01,00,50 1,00 2,001,50 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 41Partie du son mis par une guitare. Partie du son galis, le timbre nest pas tout fait le mme.Lorsquon modifie le tempo dun son, la dure totale de ce son est modifie.Son mis par une guitare. Signal correspondant au son mis par la guitare dont on a modifi le tempo, sa dure est plus courte.Lors dun changement de hauteur dun son, la frquence de son fondamental et par consquence celles de ses harmoniques est modifie. Si elle augmente, le son est plus aigu, il est plus haut. Si la frquence du fondamental diminue, le son est plus grave, il est plus bas.Spectre en frquences du son mis par une guitare. Spectre en frquences du son dont on a augment la hauteur.0,000,00,50,51,01,00,50 1,00 2,001,50 0,000,00,50,51,01,00,50 1,00 2,001,500,300 0,310 0,320 0,330 0,340 0,3500,00,50,51,01,00,300 0,310 0,320 0,330 0,340 0,3500,00,50,51,01,0 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 42Partie du son mis par une guitare. Partie du son dont on a augment la hauteur.Lors dun changement de vitesse dun son, on modifie sa dure, ainsi que la frquence de son fondamental.Son mis par une guitare. Signal correspondant au son mis par une guitare dont on a modifi la vitesse : on a diminu sa dure et augment sa hauteur.Spectre en frquences du son mis par une guitare. Spectre en frquences du son dont on a augment la hauteur et diminu la dure.Lors dun cho, il y a mission de deux signaux ayant la mme frquence (la mme hauteur) et la mme allure (le mme timbre). Ces deux sons sont dcals dans le temps.0,000,00,50,51,01,00,50 1,00 2,001,50 0,000,00,50,51,01,00,50 1,00 2,001,500,300 0,310 0,320 0,330 0,340 0,3500,00,50,51,01,00,300 0,310 0,320 0,330 0,340 0,3500,00,50,51,01,0 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 431er cho 2e cho 3e cho1er choLorsquon supprime le bruit, le signal lectrique correspondant au son est lgrement modifi, son spectre en frquences ne contient que le fondamental et les harmoniques de ce son.B Traitement lectronique dun son2 a. Le timbre du son trait est modifi. Les harmoniques de ce son ayant des frquences suprieures la fr-quence de coupure fc sont trs attnus ou supprims.Ce traitement permet dgaliser le son.b. Le montage porte le nom de filtre passe-bas , car il ne laisse passer que les signaux lectriques ayant des frquences infrieures la frquence de coupure. Il ne laisse passer que les basses frquences, du moins plus basses que la frquence de coupure. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 44Rsolution de problmes scientifiques2 Lharmonie selon le Pre Blaise (p. 102)1. Une octave est dfinie comme un intervalle de sons musicaux dont les frquences limites sont dans un rapport de 2. La frquence dun Do3 est gale deux fois la frquence dun Do2, ces deux notes tant spares dune octave. Dans la gamme tempre, loctave est divise en douze intervalles gaux appe-ls demi-tons. Deux notes spares dune octave sont spares de 12 demi-tons.Une quinte juste est dfinie comme un intervalle de sons musicaux dont les frquences limites sont dans un rapport de 3/2. Dans la gamme tempre, le La2, de frquence 220 Hz, est la quinte du R2, de fr-quence 147 Hz. Ces deux notes et de faon gnrale deux notes la quinte sont spares de 7 demi- tons.Une tierce majeure est dfinie comme un intervalle de sons musicaux de 4 demi-tons et dont les fr-quences limites sont dans un rapport de 5/4.On parle dharmonie entre deux sons lorsque le rap-port des frquences de leur fondamental est simple. Certains harmoniques de ces deux sons sont com-muns. Plus il y a dharmoniques communs entre ces deux sons, plus ils sont harmonieux.Un son correspondant un Fa2 dont le fondamental a une frquence fFa2 = 174,6 Hz dans la gamme tem-pre peut avoir des harmoniques de frquences gales 2fFa2, 3fFa2, 4fFa2, etc.Le Fa3 loctave du Fa2 a un fondamental de fr-quence 2fFa2 = 349,2 Hz et des harmoniques de fr-quences gales 4fFa2, 6fFa2, etc.Le fondamental et tous les harmoniques du Fa3 ont des frquences de valeurs identiques celles de cer-tains harmoniques du Fa2. Ces deux sons sont trs harmonieux.Si on reprsente le fondamental et les harmoniques de deux sons la quinte juste lun de lautre, par exemple, le La1 dont la frquence du fondamental est de 110 Hz et le Mi2 dont la frquence du fonda-mental est de 164,8 Hz, on constate que le 3e et le 6e harmoniques du La1 ont les mmes frquences que les 2e et 4e harmoniques du Mi2. Ces deux sons la quinte sont harmonieux. Lharmonie est moins importante que pour deux notes loctave, car elles ont moins dharmoniques en commun.{{Frquences des harmoniques du La1Frquences des harmoniques du Mi2Frquence(Hz)110,0164,8La1Mi2Par un raisonnement analogue, deux notes spares dune tierce majeure ont en commun le 5e harmonique de la note la plus basse et le 4e de la note la plus haute.2. On ralise lacquisition de plusieurs sons laide dun microphone et dune carte dacquisition, par exemple. On compare leurs spectres en frquences. Si les spectres en frquences ont des harmoniques en commun (de mme frquence), les sons correspon-dant ces spectres sont harmonieux.3 Instruments percussion (p. 103)Il faut enregistrer le son de linstrument percussion avec un chantillonneur galement appel sampler. Il faut ensuite pitcher le son loctave autant que ncessaire , cest--dire multiplier par deux sa fr-quence autant que ncessaire, puisque deux notes sont spares dune octave lorsque le rapport de leurs frquences fondamentales est gal 2.Cest lchantillonneur qui permet daugmenter la hauteur du son enregistr.Lorsquon obtient un son dont la frquence est rep-rable sur la gamme tempre, on ajuste cette dernire en tendant la peau si la frquence est trop faible ou en la dtendant si la frquence a une valeur trop leve.4 Instruments vent (p. 104)Problme 1La frquence du son musical jou dpend de la lon-gueur de la colonne dair.Dans un clairon, cette longueur nest pas modifiable. On ne devrait pouvoir jouer quune seule note de frquence f1 = 131 Hz. Cette note est en fait diffi cile obtenir. En jouant sur la tension des lvres, on peut obtenir plus facilement les deux harmo-niques suivants de frquences f2 = 2f1 = 262 Hz et f3 = 3f1 = 393 Hz. Avec un clairon, on peut donc jouer deux notes, un Do3 de frquence f2 = 262 Hz et un Sol3 de frquence f3 392 Hz.En revanche, grce aux pistons et aux coulisses, la longueur de la colonne dair est modifiable dans une trompette. En appuyant sur un piston de la trompette, on augmente la longueur de la colonne dair, cette augmentation ntant pas la mme dun piston lautre. Il existe donc 8 longueurs de la colonne dair prsentes dans le tableau ci-dessous (on note 1 lorsque le piston est enfonc et 0 lorsquil est relev) :Piston 1 0 1 0 0 1 1 0 1Piston 2 0 0 1 0 1 0 1 1Piston 3 0 0 0 1 0 1 1 1 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 45Problme 2Lorsque lon joue un Sol3 avec une trompette, la lon-gueur totale de la colonne dair (de lembouchure au pavillon) a pour expression L = LSol3 = v2fSol3.Lorsque lon joue un Fa3 :LFa3 = = = L 1,12L = Lcoul2 + L v2fFa3L fSol3fFa3392349La deuxime coulisse doit avoir une longueur gale Lcoul2 = 0,12 L, soit 12 % de la longueur totale L de la trompette.Lorsque lon joue un Mi3 :LMi3 = = = L 1,19L = Lcoul3 + L v2fMi3L fSol3fMi3392330La troisime coulisse doit avoir une longueur gale Lcoul3 = 0,19L, soit 19 % de la longueur totale L de la trompette.Remarque : les longueurs relatives sont en accord avec la photographie de la trompette : la 3e coulisse est plus longue que la 2e. La note mise en appuyant sur le 3e piston est plus grave que celle mise en appuyant sur le 2e piston, car la colonne dair est plus longue. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 46Analyse et synthse de documents scientifiques6ChapitreSon et architecture1 a. Les phnomnes physiques intervenant dans la propagation dun son dans une salle sont la diffu-sion, la rflexion, la rfraction, la diffraction et lab-sorption. Un auditeur reoit alors la superposition de plusieurs contributions (le son direct, le son rflchi sur les diffrentes structures de la salle, etc.) avec un dcalage dans le temps.La diffusion est la modification de la direction de pro-pagation du son dans tout lespace, sans direction privilgie.La rflexion est la modification de la direction de pro-pagation du son dans une direction privilgie.La rfraction est la modification de la direction de propagation du son par modification du milieu de propagation.La diffraction est la modification de la direction de propagation du son lorsquil rencontre un obstacle ou un interstice de lordre de grandeur de sa longueur donde. Cette modification est slective : la frquence diffracte dpend de la taille des lments.Labsorption est la diminution de lintensit sonore lors de la propagation dans un milieu. Cet effet affecte diffremment les diffrentes frquences selon la nature des matriaux.b. La diffusion et labsorption par les diffrents mat-riaux dans lesquels le son se propage sont respon-sables de la dcroissance de lintensit sonore.c. Le son est de plus en plus difficilement peru par lauditeur lorsque lintensit sonore diminue.2 a. Un ovode est une figure de forme ovale.Les moulures sont des lments dornement. Les cariatides sont des statues de femmes jouant le rle de colonnes, par exemple, dans les thtres. Les stucs sont des enduits teints recouvrant plafonds, murs, etc.Lexpression La quadrature du cercle fait rf-rence un problme insoluble.Labat-son dsigne lensemble des lames inclines de haut en bas et de dedans en dehors et fixes dans un chssis en charpente (source : Wikipdia).b. Il est expliqu dans le document 1 que tous les lments de symtrie de la salle nuisent son acous-tique cause du phnomne de rflexion. Dans ce contexte, la phrase La bote chaussures est une forme de dpart idale peut sembler contradictoire. En effet, une bote chaussures, paralllpipdique, comporte un grand nombre dlments de symtrie ; cest donc une forme peu propice initialement une bonne acoustique.Lexpression de dpart nuance cette premire impression de contradiction : pour amliorer lacous-tique dune salle, il convient de rajouter des lments darchitecture permettant de rompre les symtries (balcons, panneaux inclins, etc.). La gomtrie trs simple de la bote chaussures facilite la prvision des effets lors de lajout de ces diffrents lments. Cest donc la forme de dpart idale pour lanticipation et les calculs dacoustique lors de lamnagement.3 La rverbration du son est lie sa rflexion sur les diffrents lments darchitecture de la salle. Elle a pour consquence le prolongement dans le temps du son mis par une source. Dans le cas dun orateur, si la rverbration de la 1re syllabe se superpose lmission de la 2e, et ainsi de suite, le texte prononc peut devenir incomprhensible, et ce dautant plus que le temps de rverbration sera plus long.4 La dure de rverbration dpend du volume et de la surface dabsorption quivalente de la salle.5 Bilan Pour une bonne acoustique dune salle, il faut tenir compte de son usage, de sa forme, de son volume, de sa surface et de la nature des matriaux qui constituent les parois.Selon lusage de la salle, le temps de rverbration optimal na pas la mme valeur : il est plus grand pour des salles de spectacles ou de concert que pour des salles de confrences. La rverbration qui pro-longe la dure dun son est particulirement atten-due pour de la musique, mais peut nuire la compr-hension de la parole. Selon lusage, il convient donc de disposer de salles de diffrentes conceptions.Critres de qualit acoustique dune salle (p. 106-107)1 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 471 a. Pour amliorer lacoustique des thtres, Vitruve sappuie sur les phnomnes de rflexion sur des parois ou des lments de dcoration architectu-rale, de diffraction dans des cavits.b. Le document 2 met en vidence le filtrage du bruit de fond grce la gomtrie priodique des gradins et des marches. Le phnomne concern semble tre le phnomne dinterfrences (destructives pour le filtrage, constructive pour le renforcement de certaines frquences). Nanmoins, ltude mene concerne un thtre vide. La prsence de spectateurs peut modifier ces effets.2 a. Pour confirmer lhypothse concernant lexis-tence dinterfrences, il faudrait, avec le dispositif du professeur Canac, mettre des ultrasons (de longueur donde en rapport avec lchelle de la maquette) partir dune source situe sur la scne et mesurer lintensit sonore reue par un rcepteur en diffrents points de la maquette.Il faudrait aussi rpter les mesures pour des frquences diffrentes et cartographier le thtre en fonction de lintensit sonore reue en diffrents points.Pour montrer linfluence de la priodicit des marches, il serait ncessaire de disposer de maquettes comportant des gradins de hauteurs diff-rentes et remettre en uvre le protocole prcdent.b. Si lhypothse de Nico Declercq et Cindy Dekey- ser est confirme, avec les dispositifs du Pr. Canac, ils devraient observer que les frquences filtres dpendent de la hauteur des gradins.3 Lauteur du document 4 conteste la validit des expriences faites dans des thtres vides du fait de la non prise en compte de la nature des revtements aujourdhui dtruits, ainsi que de la prsence des spectateurs qui modifie, selon lui, les proprits acoustiques de faon non ngligeable.Pour en faire ltude, il faudrait habiller les siges de la maquette de dispositifs simulant la prsence de spectateurs (matires absorbantes quivalentes au corps humain).4 Bilan La gomtrie du thtre, les lments de symtrie, la prsence de revtements, de vases et de cavits diffrents endroits contribuent lacous-tique des thtres antiques.Lacoustique des thtres antiques (p. 108-109)21 Un son pur signifierait quil nest constitu que dune onde sonore sinusodale ; le texte veut parler de son peru avec nettet.2 Les adjectifs active et passive associs au nom acoustique renseignent sur lintervention ou non de dispositifs lectroniques.Lacoustique passive sappuie sur les proprits intrin- sques de la salle (sa gomtrie, les matriaux qui en composent les parois, etc.) et les phnomnes natu-rels lis la propagation du son dans un espace clos.Lacoustique active a recours des dispositifs de sonorisation (microphones, haut-parleurs) qui captent et rediffusent diffrents endroits les sons de la salle pour simuler des rflexions.3 En modifiant les rglages du mur actif, on modi- fie la valeur des coefficients dabsorption acoustique du mur, donc la surface quivalente dabsorption de la salle et ainsi, la dure de rverbration de la salle.4 Bilan Lacoustique active est qualifie de pro-cd rvolutionnaire, car elle permet de rgler lacoustique dune salle en fonction du spectacle qui sy droule grce lincrustation dans les murs de petits microphones et denceintes lectroniquement pilots depuis la rgie.Les microphones dissmins dans la salle captent le champ sonore et un rseau de haut-parleurs com-mands lectroniquement permet de faire varier la dure de rverbration selon lambiance souhaite.Une mme salle peut alors possder des qualits acoustiques adaptes une salle de confrence, une salle de sport ou un opra. Ce procd vite de lourds et coteux mcanismes de panneaux amo-vibles utiliss jusque l pour quune mme salle puisse accueillir diverses manifestations.Il reste vrifier que lambiance acoustique artificiel-lement cre est vraiment comparable celle des salles ddies.Matriaux actifs (p. 110-111)3 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 481 Le principal phnomne physique mis en jeu lors de la limitation de la transmission du bruit (onde sonore non dsire) est labsorption.Pour augmenter lisolation phonique dun btiment, on peut intervenir sur la nature, la gomtrie et lpaisseur des matriaux constituant ses parois afin daugmenter labsorption de lnergie acoustique.2 Bilan Une salle sourde (chambre anchoque) absorbe totalement les sons produits lintrieur lorsque leur frquence est suprieure une valeur limite, appele frquence de coupure. Les parois internes sont alors totalement absorbantes.Ces chambres servent dans le cadre de la ralisation de mesures dans lesquelles toute prsence de nui-sance sonore doit tre vite.Isolation phonique (p. 112-113)41 Lintensit sonore du son mis est maximale la sortie immdiate du buzzer ; elle vaut par exemple:Imax = 3,16 102 W m2,soit un niveau dintensit sonore de 105 dB.2 Une attnuation de 5 dB signifie que le niveau dintensit sonore la distance recherche a diminu de 5 dB par rapport sa valeur en sortie immdiate du buzzer : Lmax L = 10 log log = 10 log = 5 dBImaxI0@ @@ @ II0@ @ImaxI@ @do ImaxI = 10(Lmax L)/10 et I = Imax 10(Lmax L)/10Par lecture graphique sur la courbe reprsentative de I = f (d ), on lit, par exemple, la distance 4,6 cm.3 Le meilleur isolant acoustique est celui pour lequel on mesure lintensit sonore la plus faible der-rire lui. On obtient le classement : pltre > contreplaqu > polystyrne.Cela vrifie la loi des masses.4 Le meilleur matriau ressort est celui pour lequel on mesure lintensit sonore la plus faible. Il sagit du polystyrne entre les plaques de pltre.5 Les sources derreur prendre en compte sont celles lies aux mesures des distances, des pais-seurs, des intensits sonores et des frquences.6 Pour viter des problmes de rsonance qui amplifieraient le bruit au lieu de lattnuer, on utilise des vitres dpaisseurs diffrentes.Pratique exprimentaleIsolation phonique (p. 114-115)1Rduction des bruits des transports (p. 116-117)21 Plus lamplitude de londe sonore reue aprs tra-verse du matriau est faible par rapport celle de londe mise, plus le matriau est absorbant.Plus lamplitude de londe sonore reue aprs rflexion sur le matriau est grande par rapport celle de londe mise, plus le matriau est rflchissant.On obtient le classement :bois > polystyrne > feutrine,o > signifie plus rflchissant que .2 Le phnomne de diffraction peut expliquer la perception dun son derrire un mur antibruit. La diffusion et la rflexion peuvent aussi lexpliquer si une paroi est convenablement place par rapport lmetteur et au rcepteur.3 a. Lattnuation nest pas proportionnelle la dif-frence de marche entre le chemin direct (de lon-gueur d3) sans cran et le trajet diffract (de longueur d1 + d2), car pour N = 0, A 0 dB.b. Daprs la relation N = 2l (d1 + d2 d3), plus la longueur donde est grande et plus N est petit (toutes choses gales par ailleurs). Comme A volue dans le mme sens que N, les sons graves seront moins attnus que les sons aigus.4 Outre la nature du matriau du mur, sa hauteur et son paisseur peuvent influencer son efficacit. La prsence dautres parois rflchissantes ou diffu-santes doit aussi tre prise en compte. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 49Rsolution de problmes scientifiques2 cho cr par un mur de scne (p. 120)Le son direct va de A en S et a parcouru la distance AS, avec une vitesse de valeur constante, en une dure :td =ASv.Lcho part de S pour arriver en A aprs stre rflchi sur le mur de la scne, il a parcouru la distance AS + 2 d, avec la mme valeur constante de vitesse, en une dure : te =AS + 2dvLe retard entre lcho et le son direct doit tre inf-rieur une dure de 1/25 seconde pour que le son reste net.Ainsi, te td 0,5 V environ, lintensit I est non nulle ; la diode conduit le courant lectrique (diode pas-sante).2 Lorsque la diode devient passante, la tension de seuil US aux bornes de la diode est de lordre 0,7 V.3 Lorsquon inverse le sens de branchement dune diode passante, celle-ci devient bloque. Plus aucun courant ne circule.4 La diode nest donc pas un diple symtrique, contrairement un conducteur ohmique, par exemple. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 64B Fonctionnement interne dune diode5 lextrieur dun gnrateur, le courant circule conventionnellement de la borne positive vers la borne ngative du gnrateur. Les lectrons circulent dans le sens oppos.6 Les lectrons, chargs ngativement, se dpla-cent vers la borne positive du gnrateur et les trous, chargs positivement, se dplacent vers la borne ngative du gnrateur.7 + Jonctionp n+++++++Jonctionp n+ ++ ++ +8 CathodeDomainedop nAnodeDomainedop pII9 En chimie : lanode a lieu une oxydation, donc une libration dlectrons ; la cathode a lieu une rduction, donc une consommation dlectrons.Au niveau de la diode, les lectrons : quittent le domaine dop p, donc lanode, par ana-logie avec loxydorduction en chimie ; arrivent sur le domaine dop n, donc la cathode, par analogie avec loxydorduction en chimie.Du semi-conducteur la tension continue (p. 154)2A Redressement mono-alternance avec une diode1 3210 1 2 320 30 40 5010Temps (ms)DiodepassanteDiodepassanteDiodebloqueDiodebloqueuGBF (V) uR (V)B Redressement bi-alternance avec un pont de diodesVisualisation des tensions mesures par les sondes rouges et bleues sur le logiciel de simulation :3,753,002,251,500,75 0,75 1,50 2,25323028262422201816141210864200 3,00Tension (V)Temps (s)2 R = 100 0,25 Hz 1 : 1Transformateurd'isolementSonde bleueSonde rougeR = 100 0,25 Hz 1 : 1Transformateurd'isolementSonde bleueSonde rougeuGBF > 0uGBF < 0R = 100 0,25 Hz 1 : 1Transformateurd'isolementSonde bleueSonde rougeR = 100 0,25 Hz 1 : 1Transformateurd'isolementSonde bleueSonde rougeuGBF > 0uGBF < 0Diode passanteDiode bloque Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 653 Au cours dune priode du gnrateur, le courant traverse deux fois la rsistance, dans le mme sens.Acquisition :3210 1 2 3uGBF (V) uR (V)Temps (ms)Lacquisition est bien conforme la simulation prc-dente.4 Acquisition avec un condensateur en parallle avec la rsistance : 3210 1 2 3uGBF (V) uR (V)Temps (ms)Le rle du condensateur est de lisser la tension redresse.5 Le lissage est dautant plus efficace que t = R C est grand devant T = 1f. Comme f et R sont des constantes, il faut choisir la plus grande valeur pour la capacit du condensateur, soit C = 10 F.3210 1 2 3uGBF (V) uR (V)Temps (ms)6 La tension constante (continue) pour le lissage prcdent est 1,8 V.tude dune cellule photovoltaque (p. 155)3A Caractristiques et rendement dune cellule photovoltaque1 Trac de la caractristique I = f (U ) pour E = 520 lux (voir le schma ci-dessous).Tableau de mesures complter (pour les lves) :I (mA) 0,58 0,57 0,56 0,55 0,55 0,54 0,53 0,52 0,33 0,23 0,17 0,00U (V) 0,00 1,13 2,26 2,78 3,86 4,35 4,79 5,27 6,58 6,79 6,87 7,05 (mW)Pour U < 5 V environ, lintensit I reste quasi-constante autour de 0,55 mA.Pour U > 6 V, lintensit chute rapidement jusqu sannuler pour U = 7,05 V.2 La caractristique de la cellule photovoltaque ne passe pas par lorigine : la cellule photovoltaque est un gnrateur et non un rcepteur.3 Graphiquement, on obtient : Icc = 0,58 mA et Uco = 7,05 V.4 Pour E = 260 lux : Icc = 0,32 mA et Uco = 6,87 V. Pour E = 130 lux : Icc = 0,18 mA et Uco = 6,67 V.Lintensit Icc dpend nettement de lclairement, contrairement la tension Uco.0,70,60,50,40,30,20,10 1 2 3 4 5 6 7 8U (V)I (mA)520 lux Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 666 Caractristique puissance-tension, = f (U ) :3,02,52,01,51,00,50 1 2 3 4 5 6 7 8U (V) (mW)La caractristique prsente un maximum.7 Puissance maximale :m = 2,74 mW = 2,74 103 W8 a. S = 3,25 103 m (6,5 cm 5,0 cm)b. = mE S avec E = 520 lux = 5,20 W m2 soit : = 2,74 10316,9 103 = 0,162 = 16,2 %B Relation intensit-clairement ; associations de cellules9 Par rapport au montage du document 6, on retire le voltmtre et on remplace le potentiomtre par un fil. Lintensit mesure par lampremtre est alors lintensit en court-circuit, Icc. Pour diffrents claire-ments mesurs avec le luxmtre, on relve les valeurs de lintensit Icc correspondantes.10 Mise en uvre du montage et ralisation des mesures.Tableau de mesures complter (pour les lves) :E (V)Icc (mA)E (V) 70 130 260 400 520Icc (mA) 0,08 0,18 0,32 0,47 0,5811 On trace le graphe Icc = f (E ).0,70,60,50,40,30,20,10 100 200 300 400 500 600clairement (lux)Icc (mA)La reprsentation graphique est approximativement une droite qui passe par lorigine, donc lintensit en court-circuit est proportionnelle lclairement. On a donc une relation de la forme :Icc = k E12 Association de C1 et C2 en srie : loi dadditivit des tensions en circuit ouvert, Uco = Uco1 + Uco2.Association de C1 et C2 en parallle : loi des nuds sur les intensits, Icc = Icc1 + Icc2.Synthse et proprits dun savon (p. 156)4 De la verrerie organique ncessaire pour un montage reflux (support, pince, noix, ballon monocol, rfrigrant eau) ; un lvateur croisillons ; un chauffe-ballon ou un agitateur magntique chauffant ; de la pierre ponce ou un turbulent ovode ; des prouvettes gradues de 25 mL ; un erlenmeyer de 250 mL ; un dispositif de filtration sous pression rduite (fiole vide, trompe eau, filtre Buchner, papier-filtre, support, noix, pince) ; un verre de montre ; des tubes essais munis de bouchon et dans leur support ; une solution de soude (hydroxyde de sodium) 10 mol L1 ; de lhuile alimentaire ; de lthanol (alcool 95). une solution sature de chlorure de sodium ; de leau distille.A Fabrication dun savon5 = U II (mA) 0,58 0,57 0,56 0,55 0,55 0,54 0,53 0,52 0,33 0,23 0,17 0,00U (V) 0,00 1,13 2,26 2,78 3,86 4,35 4,79 5,27 6,58 6,79 6,87 7,05 (mW) 0,00 0,64 1,27 1,53 2,12 2,35 2,54 2,74 2,17 1,56 1,17 0,00Matriel et produits Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 671 Lquation de la raction de saponification est la suivante :PP RPCO2PCH2 RPCO2PCH + 3 (Na+ + HO) RPCO2PCH2 RPCO2Na (s) + RPCO2Na (s) + RPCO2Na (s) + HOPCH2PCH(OH)PCH2POH ()2 Lhuile et lhydroxyde de sodium ne sont pas mis-cibles ; en revanche, ils sont tous les deux solubles dans lthanol. Celui-ci joue le rle de solvant et favo-rise le contact entre les ractifs.3 Le chauffage reflux permet dlever la temp- rature du mlange ractionnel et de rendre ainsi la raction plus rapide. La raction tant dautant plus rapide que la temprature est leve, il est int- ressant de porter le mlange bullition afin que lvolution du systme soit la plus rapide possible. Pour ne perdre ni ractifs ni produits, il est nces- saire de recondenser les vapeurs produites lors de lbullition, do le reflux ralis laide dun rfrig-rant eau.4 En versant le contenu du ballon dans une solution concentre de chlorure de sodium, on favorise la pr-cipitation du savon form, celui-ci tant trs peu soluble dans les solutions ioniques (ceci est vrifi dans la partie B de la manipulation).5 Lexprience ralise dans le tube essais met en vidence les proprits tensioactives du savon obtenu. Le savon est amphiphile, hydrophile par le groupe carboxylate et lipophile par sa longue chane carbone.B Quelques proprits des savons6 Soit S la solution savonneuse disponible.Dans un tube essais, introduire 2 mL de S, puis ajouter quelques gouttes de la solution dacide chlorhydrique, H3O+ (aq) + Cl (aq), 1 mol L1.Dans trois tubes essais, introduire 2 mL de S, puis ajouter : au premier, quelques gouttes de la solution de chlorure de calcium, Ca2+ (aq) + 2 Cl (aq), 0,1 mol L1 ; au deuxime, quelques gouttes de la solution de chlorure de magnsium, Mg2+(aq) + 2 Cl(aq), 0,1 mol L1 ; au troisime, quelques gouttes de la solution de chlorure de fer (III), Fe3+ (aq) + 3 Cl (aq), 0,1 mol L1. Agiter chacun des tubes et noter dans chaque cas les observations faites avant et aprs agitation.Les conditions favorables laction dtergente dun savon se dduisent de ces expriences : leau utilise pour les lessives ne doit pas tre acide et ne doit pas contenir des espces ioniques trop concentres.7 Dans trois tubes essais, introduire 2 mL de S, puis ajouter : au premier, 2 mL deau dminralise ; au deuxime, 2 mL deau de Volvic ; au troisime, 2 mL deau de Contrexville. Agiter chacun des tubes et noter dans chaque cas les observations faites avant et aprs agitation.Dans un tube essais, introduire 2 mL de S, puis 2 mL de solution dEDTA 0,5 mol L1, puis 2 mL deau de Contrexville ; agiter et observer.Afin de montrer le rle de lEDTA, jadis prsent dans certaines lessives, on pourra refaire cette dernire manipulation en introduisant la place de leau de Contrexville, soit la solution de chlorure de calcium, Ca2+(aq) + 2 Cl(aq), 0,1 mol L1, soit la solution de chlorure de magnsium, Mg2+(aq) + 2 Cl(aq), 0,1 mol L1.Commentaires :En complexant les ions calcium, Ca2+, et magnsium, Mg2+, lEDTA permet au savon de mousser, ce qui est une proprit caractristique des tensioactifs. Des tubes essais munis de bouchons dans un portoir ; des pipettes Pasteur ; des agitateurs en verre ; une solution savonneuse prpare par filtration dun mlange obtenu par agitation de 2 ou 3 g de savon ordinaire (dit savon de Marseille) dans envi-ron 100 mL deau distille tidie ; une solution sature de chlorure de sodium ; une solution dacide chlorhydrique H3O+ (aq) + Cl (aq) 1 mol L1 ; des solutions de chlorure de calcium, Ca2+ (aq) + 2 Cl (aq), de chlorure de magnsium, Mg2+ (aq) + 2 Cl (aq), de chlorure de fer (III), Fe3+ (aq) + 3 Cl (aq), toutes 0,1 mol L1 ; une solution dEDTA 0,5 mol L1 ; de leau dminralise ; des eaux minrales de Volvic (eau douce) et de Contrexville (eau dure).Matriel et produits Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 681 quation de la raction de la synthse :C7H15POPC6H4PCHpO + H2NPC6H4PC4H9 C7H15POPC6H4PCHpNPC6H4PC4H9 + H2OEn Terminale, cette raction peut tre vue comme une substitution, bien quil sagisse en fait dune addition suivie dune limination.2 Daprs la note indique en Info, lthanol joue le rle de solvant ; en dissolvant les deux ractifs et en les plaant dans une mme phase, il favorise leur interaction.Lacide thanoque catalyse la raction (le milieu doit tre acide pour accrotre le caractre lectrophile de latome de carbone de laldhyde, mais pas trop afin de ne pas trop protoner latome dazote de lamine qui perdrait alors sa nuclophilie).3 Rfrigrant oucondenseur eauBallonChauffe-ballonPierre ponceSupport lvateur croisillonsEauEauPinceNoixSupportOn utilise un support lvateur afin de pouvoir rgu-ler lbullition et retirer le chauffe-ballon sans diffi-cult en fin de raction.4 On rince avec de lthanol afin dliminer les impurets (cest--dire les ractifs ou lacide tha-noque) contenues dans le produit obtenu, limine. Cet thanol doit tre froid, car, comme la plupart des composs organiques, limine est beaucoup moins soluble froid qu chaud ; on limine ainsi les impu-rets sans trop perdre de produit.On arrte laspiration pendant le rinage pour rali-ser un rinage efficace en permettant lthanol dtre bien en contact avec le produit rincer sans dissoudre celui-ci avec un flot continu dthanol.B Recristallisation Un erlenmeyer ; un rfrigrant air (long tube de verre mont sur un bouchon sadaptant lerlenmeyer) ; un bcher de 50 mL ; un rcipient pour un mlange glace-sel ; un dispositif de filtration sous pression rduite (fiole vide, trompe eau, filtre Buchner, papier-filtre, support, noix, pince) ; un verre de montre ; une spatule ; une balance au 0,01g ; de lthanol froid ; du sel de cuisine ; de la glace pile.Matriel et produits5 Comme lindique la note en Info, limine synthti-se est soluble chaud dans lthanol, mais trs peu froid, do son choix pour la recristallisation : limine, les ractifs et lacide thanoque sont solubles chaud dans lthanol, alors qu froid seule limine prcipite ce qui permet de la purifier, puis de lex-traire par filtration.Le mlange glace-sel permet dobtenir un mlange rfrigrant une temprature de lordre de 5 C 10 C. Plus le mlange est refroidi basse temp- rature, plus il se forme de solide lors de la recristalli-sation, la solubilit de celui-ci dans le solvant tant alors abaisse.6 Pour savoir si les cristaux sont secs, il suffit, aprs les avoir laisss ltuve une dizaine de minutes, de les peser, de les remettre ltuve pendant cinq De la verrerie organique ncessaire pour un montage reflux (support, pince, noix, ballon monocol, rfrigrant eau) ; un lvateur croisillons ; un chauffe-ballon ou un agitateur magntique chauffant ; de la pierre ponce ou un turbulent ovode ; une balance au 0,01g ; des prouvettes gradues de 10 mL et de 25 mL ; une pipette Pasteur ; un dispositif de filtration sous pression rduite (fiole vide, trompe eau, filtre Buchner, papier-filtre, support, noix, pince) ; un verre de montre ; une spatule ; du 4-heptyloxybenzaldhyde ; du 4-butylaniline ; de lthanol ; de lthanol froid ; de lacide thanoque.Matriel et produitsSynthse de cristaux liquides (p. 157)5A Synthse Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 69minutes, puis de les repeser ; ils sont secs ds que leur masse est constante.7 Initialement, il y a 8,00 mmol daldhyde et 8,60 mmol damine, laldhyde est le ractif limitant.8,00 mmol est la quantit maximale dimine de masse molaire M = 351 g mol1. Le rendement de cette synthse vaut : = mimine8,00 103 351 = 0,356 mimineLors de nos synthses, nous avons trouv = 0,67, soit 67 %. Le rendement nest pas de 100 %, car : lavancement maximal de la raction na peut-tre pas t atteint ; le mlange contenant limine synthtise est constitu dun solide, limine, et dune solution satu-re dimine qui va donc tre limine ; un peu dimine est perdue lors des filtrations, des rinagesC Mise en vidence du comportement de cristal liquide Une coupelle en verre ; une plaque chauffante ; un banc Kofler et ses solides talons ; une spatule ; une loupe.Matriel et produits8 Avec la plaque chauffante et en observant avec une loupe, on voit nettement les deux transitions : tout dabord le passage de ltat solide ltat de cristal liquide opaque, puis le passage ltat liquide transparent.Avec le banc Kofler, on observe le passage de ltat solide ltat de cristal liquide opaque vers 1 58 C et le passage ltat liquide vers 2 63 C. Dans cette imine, la partie rigide lui confrant ses proprits de cristal liquide est la liaison PCpNP qui associe les deux cycles et leur donne une struc-ture en btonnet.Rsolution de problmes scientifiques2 Des supraconducteurs pour limagerie mdicale (p. 160)On peut reprendre les tapes suggres par laide de la page 160 du manuel pour montrer que linten-sit ncessaire pour produire le champ magntique demand est trop leve.Calcul de lintensit du courant permettant dobte-nir B = 11,7 T avec la formule fournie : I = B4 107 nIci n = 1000, do :I = 11,74 107 103 = 9,31 103 A.Puissance lectrique reue par effet Joule par le fil : = R I2Il faut calculer R avec la formule :R = sOr : = D n et s = d2 4 ; do : R = 4 D n d2soit : R = 4 1,7 10-8 1 103(103)2 = 68 et : = 68 (9,31 103)2 = 5,89 109 W = m c Il faut calculer m en utilisant la formule m = V ;soit : m = s = 8,92 103 1 103 (103)24 = 22,0 kget : = 22,0 390 (1083 25) = 9,08 106 J.La temprature de fusion du fil est atteinte en une dure t telle que :t = soit : t = 9,08 106 5,89 109 = 1,54 ms.Il est impossible de raliser de faon durable, donc utilisable, un champ magntique de 11,7 T avec un solnode en cuivre ; seule lutilisation de matriaux supraconducteurs trs basse temprature permet la cration dun tel champ.3 Comment la colle colle-t-elle ? (p. 161)Dans les deux cas, il faut lier deux panneaux de bois, de carton ou de papier, assimils leur constituant essentiel, la cellulose, avec lun des adhsifs.Lors de lutilisation dun adhsif phnolique, dissous dans un solvant, il se forme des liaisons hydrogne entre les groupes hydroxyles de la cellulose et les groupes hydroxyles des groupes phnoliques. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 70Ces liaisons vont tre de plus en plus nombreuses et de plus en plus fortes au fur et mesure de lvapo-ration du solvant, les macromolcules dadhsif sin-srant alors efficacement dans les fibres des pan-neaux. Un adhsif phnolique est une colle prise physique.Lors de lutilisation dun adhsif base disocyanate, une raction chimique se produit entre les fonctions alcool de la cellulose et les fonctions isocyanate de la colle conduisant la formation de polyurthane liant ainsi deux panneaux. Un adhsif base disocyanate est une colle prise chimique.OOHHHHHOOOH OOOOOOHOHOHHOOOOHHHOOOOOOHOHOOHHOOHHHOOOOOHOOOOHHHOOOOOHOOHO HOHHOFibre cellulosiqueAdhsif phnoliqueFibre cellulosiqueHOHOHOHO Les deux fibres cellulosiques sont unies grce aux liaisons hydrogne (----) formes avec ladhsif phnolique.OOHHIN H IN HIN HHOOOOOCO OOOHHOOOOOHOOOOHHHOOOOOHOHOOOHHOOOOOHOOFibre cellulosiqueAdhsif based'isocyanateFibre cellulosiqueOCO OCIN HC OIN HOOCHHOHOOHOHO Les deux fibres cellulosiques sont unies grce la formation de polyurthane par raction chimique avec ladhsif base disocyanate. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 715 Niveau de Fermi dun semi-conducteur intrinsque au silicium (p. 162)4 lectrolyseur membrane (p. 161)6 Conception dun dtecteur dinondation (p. 163)G = n + p = C V = 1,12 eV ;V = 0 eV pris comme rfrence, donc C = 1,12 eV ;T = 300 K.Lorsquun lectron passe de la bande de valence la bande de conduction, un trou se forme dans la bande de conduction. On a donc toujours n = p ;soit : Nc exp ( nkT ) = Nv exp ( pkT )Do : ln (NCNV) = pkT + nkT = V Fi + C FikT = V + C 2 FikT On en dduit :Fi = 12 [(C + V k T In (NCNV)] = 0,5 [1,12 8,6 105 300 In (2,82 10191,83 1019)] = 0,55 eV.On retrouve bien : V < Fi < C.Lors de llectrolyse dune solution aqueuse de chlorure de sodium, on observe la rduction de leau la cathode selon la raction lectrochimique dquation :2 H2O () + 2 e H2 (g) + 2 HO (aq)et loxydation des ions chlorure lanode selon la raction lectrochimique dquation :2 Cl (aq) Cl2 (g) + 2 eSans sparation des compartiments anodique et cathodique, le dichlore form lanode ragit avec les ions hydroxyde qui apparaissent la cathode selon la raction dquation :Cl2 (g) + 2 HO (aq) ClO (aq) + Cl (aq) + H2O ()Cette raction, utilise pour la synthse de leau de Javel, doit tre en gnral vite afin dobtenir, par exemple, de lhydroxyde de sodium trs pur.Pour viter cette raction parasite il faut empcher le contact entre ses deux ractifs. La solution industriel-lement retenue consiste utiliser une membrane semi-permable qui ne laisse passer que les cations (donc pas les anions tels que les ions hydroxyde). Cette membrane doit repousser les anions ; elle doit donc porter des greffons anioniques, cest le cas des polymres sulfoniques (1) ou carboxyliques (3). Le milieu tant nettement basique, en raison de la for-mation des ions hydroxyde, et prsentant donc un pH voisin de 12, ces deux polymres, vu leur pKA, seront majoritairement sous forme danions sulfonate RPSO3 et carboxylate RPCO2.Le dtecteur doit dclencher lallumage dune DEL lorsquil est atteint par leau de linondation.Le dtecteur est constitu dune lame de cuivre et dune lame de zinc places cte cte et qui dlivre-ront une tension lorsque leau les atteindra. En lab-sence deau, la tension aux bornes du dtecteur est nulle. En prsence deau, elle vaut 0,5 V environ.La DEL doit tre branche dans le sens passant du courant lorsque la pile dbite du courant et doit tre soumise une tension dau moins 2 V pour sallumer.Comme elle est branche en srie avec sa rsistance de protection, la tension U laquelle doit tre soumis lensemble doit tre telle que : U = US + R I.Il faut donc que lensemble soit soumis une tension suprieure 2 V.La pile cuivre-zinc constitue ne peut dlivrer quune tension de 0,5 V. On peut donc utiliser un montage amplificateur inverseur pour lever cette tension afin datteindre une valeur suffisante pour allumer la diode.Avec R2 = 5 R1 on obtiendrait une tension en sortie de lamplificateur de valeur cinq fois plus grande que la tension dentre. Pour une tension dentre de 0,5 V, on obtient en sortie USM = 2,5 V.En ralit, lorsque la pile dbite un courant, la ten-sion entre ses bornes est infrieure 0,5 V. Il faut alors plutt envisager R2 = 10 R1.Le schma de montage propos est donc prsent ci-dessous :UEM > 0USM < 0R1R2E +E Si < 0MRPDtecteurZn CuPour fonctionner, il faut placer les deux lames de zinc et cuivre la hauteur laquelle on veut dtecter linondation.En travaux pratiques, on les placera dans un bcher quon remplira deau pour en vrifier le fonction- nement. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 72Bibliographie . guyOn et coll., Matire et matriaux, Belin, 2011.G. PietryK et coll., Panorama de la physique, Belin, 2008. C. Ray et coll., La physique par les objets quotidien, Belin, 2009.M. Defranceschi, La chimie au quotidien, Ellipses, 2006. J.-P. Perez et coll., lectromagntisme Vide et milieux matriel, Masson, 1991. A. LabOuret, P. Cumunel, J-P. Braun, B. 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Avril, Efficacit du solaire et du photovoltaque, Vidothque du CEA, 3 juin 2010 (17 min) ;http://www-centre-saclay.cea.fr/fr/Efficacite-et-solaire-photovoltaique-par-Sophie-Avril.-Colloque-I-tese-3-juin-2010 Coup de projecteur sur les supraconducteurs, Dossier de presse du CEA ;http://www.cea.fr/recherche_fondamentale/coup_de_projecteur_sur_les_supraconducteurs Physique quantique, au cur de la supraconductivit , Les Dfis du CEA, no 159, avril 2011, p. 7-10 ;http://defis.cea.fr/defis/159/quantique-supraconductivite-spiral2-defisCEA.pdfBibliographie et sitographie7 Gnrateur photovoltaque versus centrale nuclaire (p. 164)Une centrale nuclaire fournit une puissance lec-trique de lordre de 900 MW.La courbe I = f (U ) pour un clairement E = 1000 W m2 permet de dduire la puissance lectrique fournie par un module photovoltaque en relevant plusieurs points de fonctionnement possibles sur cette courbe et en dterminant o se trouve le maximum de puis-sance (voir le tableau ci-dessous).On peut donc estimer la puissance maximale fournie par cette cellule max = 22 W.Le nombre de modules ncessaires est donc gal : N = 900 10622 = 4,1 107soit une surface totale : Stot = N S = 4,1 107 0,150 = 6,1 106 m2soit 6,1 km2.Plusieurs commentaires doivent tre apports ce rsultat : bienque la surface trouve soit trs importante,elle est cependant sous-estime, car les 6,1 km2 reprsentent une surface active de cellules sans tenir compte des espaces entre chaque module qui ne peuvent tre accols de manire jointive et continue sur une surface tendue. En effet, la latitude de la France, les panneaux doivent tre inclins 45 afin de bnficier dun clairement peu prs per-pendiculaire lorsque le Soleil est au znith ; lensoleillement ntant effectif que pendant lejour, il faudrait probablement multiplier par deux cette surface pour tre quivalent une centrale qui fonctionne jour et nuit ; unensoleillementde1000Wm2 est une valeur surestime pour la France mtropolitaine. On estime 700 W m2 lensoleillement dans les rgions mdi-terranennes.U (V) 5 10 15 17 20 22 23I (A) 1,45 1,4 1,35 1,25 1,0 0,5 0,1 (W) 7,25 14 20,3 21,3 20 11 2,3http://www.supraconductivite.frhttp://defis.cea.fr/defis/131/cea_defis131_16_17.pdfhttp://defis.cea.fr/defis/131/animation.htmhttp://defis.cea.fr/defis/150/CEA%20150_p06-10.pdfhttp://defis.cea.fr/defis/159/cellules-photovoltaiques-fonctionnement-defisCEA.pdfhttp://www.cea.fr/jeunes/themes/l_energie/les_energies_du_21eme_siecle/domestiquer_l_energie_solairehttp://www.cea.fr/jeunes/themes/les_energies_renouvelables/le_soleil/le_soleil_domestiquehttp://www.cea.fr/technologies/l_hydrogene_les_nouvelles_technologies_de_l_enehttp://www-centre-saclay.cea.fr/fr/Efficacite-et-solaire-photovoltaique-par-Sophie-Avril.-Colloque-I-tese-3-juin-2010http://www.cea.fr/recherche_fondamentale/coup_de_projecteur_sur_les_supraconducteurshttp://defis.cea.fr/defis/159/quantique-supraconductivite-spiral2-defisCEA.pdf Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 73Analyse et synthse de documents scientifiques9ChapitreNouveaux matriaux1 Dans la nature, le carbone se trouve sous deux formes cristallines allotropiques : le graphite et le diamant. On trouve aussi du carbone amorphe dans les suies.2 Le premier fullerne dcouvert ft le C60 dont la structure est identique celle du dme godsique construit par larchitecte amricain Richard Buckmin- ster Fuller Montral, en 1967. Le nom de fulle- rnes a t donn en hommage cet architecte qui a construit, grande chelle, ce que la nature a construit trs petite chelle.Quelques exemples dapplications des fullernes : nanoballons : amliorer les proprits des lubri-fiants, vectoriser des principes actifs, etc. ; nanotubes : renforcer des fibres de tissus (pour gilets pare-balles, par exemple) ou en remplacement des fibres de carbone, rendre des surfaces super-hydrophobes, comme source dlectrons pour crans plats flexibles, etc.3 Les liaisons de van der Waals stablissent entre les chanes carbones des molcules tensioactives et les atomes de carbone qui forment les nanotubes.4 Les ttes polaires des molcules tensioactives sont hydrophiles, elles ont une grande affinit pour leau et sorientent donc vers le milieu aqueux.5 Les molcules tensioactives entourent les nano-tubes, leur chane hydrophobe tant en contact avec la surface du nanotube et leur tte hydrophile tant en contact avec leau. Il se forme alors de petits agr-gats de nanotubes de carbone, entours de mol-cules tensioactives, en suspension dans le solvant aqueux.6 Les groupements photo-ractifs contenus dans les molcules tensioactives vont permettre ces molcules de se lier solidement par polymrisation afin de crer des structures rigides cylindriques, des nanobagues.7 La rticulation est la formation de rseaux tridi-mensionnels entre des molcules longue chane.On parle de rticulation des molcules tensio- actives , car ces molcules ont de longues chanes dans lesquelles sont intgrs des groupements photo-ractifs qui, sous leffet dun rayonnement UV, vont se lier les uns aux autres, entre molcules voi-sines, de faon crer un rseau tridimensionnel.8 Une lectrophorse est une technique permettant de sparer des molcules.Lorsque les nanotubes de carbone sont placs dans un champ lectrique, les ttes polaires des molcules tensioactives se dplacent le long du tube selon le sens du champ lectrique.9 Les nanobagues sont biocompatibles si les mol-cules tensioactives qui les constituent le sont. Or, les acides gras sont des molcules tensioactives bio- compatibles. Les nanobagues dacides gras sont donc biocompatibles.10 Les nanobagues sont de petits cylindres dont la partie intrieure (le cur) est constitue des chanes carbones des molcules tensioactives. Par cons-quent, le cur est hydrophobe. La partie extrieure des bagues constitue des ttes hydrophiles est donc aussi hydrophile.11 Bilan Si des principes actifs hydrophobes sont intgrs au cur hydrophobe des nanobagues, celles-ci peuvent les amener jusqu lorgane cible. La coque hydrophile, qui habille le principe actif hydrophobe, permet de faire circuler ce principe actif dans les liquides biologiques, qui sont des solutions aqueuses.Des nanotubes de carbone aux nanobagues (p. 166-167)1 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 74La super-hydrophobie : un traitement de surface (p. 169)31 Le filtre est constitu de nanotubes de carbone, dposs sur un feutre de carbone lui-mme dpos sur une couche de cramique, et sur lesquels sont greffes des molcules de PAA. Il sagit donc dun matriau composite.2 a. La formule semi-dveloppe de lacide polya-crylique obtenue partir de celle de lacide acry- lique est :i(iCH2iCHCOOHi)inLa formule semi-dveloppe de lion polyacrylate obtenue partir de celle de lacide polyacrylique est :i(iCH2iCHCOO)inb. Le pKA du couple acide polyacrylique/ion polya-crylate est peu diffrent de celui du couple acide acrylique/ion acrylate. Quand le pH du milieu est gal 7, cest donc lion polyacrylate qui prdomine.3 Leau filtre ayant un pH voisin de 7, lespce qui prdomine est donc lion polyacrylate, espce chimique charge ngativement, qui va retenir les cations contenus dans leau.4 La surface des nanotubes de carbone est une lectrode, cest donc son voisinage que va se pro-duire llectrolyse de leau.5 Bilan Sur le document 2, on constate que les spectres du film PAA sont identiques avant lutilisa-tion du filtre et aprs le rinage du filtre. Cela permet de vrifier la qualit du rinage et montre quaprs cette opration le filtre est compltement rgnr. Ltape de captation des cations mtalliques est mise en vidence par le spectre caractristique de lion polyacrylate.1 Schma de la surface de la feuille de Salvinia Molesta et goutte deau pose sur les capillaires :Les parties hydrophiles sont les extrmits des fouets ; les parties hydrophobes sont les bases des tiges des fouets.2 Des exemples de feuilles de vgtaux super-hydrophobes sont : le lotus, la tulipe, le magnolia, le ginkgo.Le nom d effet lotus est donn aux traitements de surface super-hydrophobes par analogie avec la sur-face des feuilles de lotus qui ont cette proprit.3 Des exemples de matriaux faisant ou pouvant faire lobjet de traitement super-hydrophobe sont les textiles (traitement dperlant), les vitrages (autonet-toyant), les revtements de faades, etc.4 En lectronique, la lithogravure (on devrait plutt parler de photolithographie) est une technique per-mettant de crer des composants lectroniques sur une couche mince (le wafer) en insolant une couche de rsine. La micro-lithogravure est la mme tech-nique, mais ce terme est employ quand les compo-sants lectroniques gravs sont plus petits.5 a. Sur le schma c du document 2, on voit la goutte deau pose sur les plots sans en pouser la surface comme un fakir pos sur un lit de clous dont le corps ne senfonce pas entre les clous.b. Sur le schma b, lespacement des plots est tel que lenveloppe de la goutte deau se dforme et pouse la forme des plots.La surface du matriau nest donc pas protge du contact avec leau ; cette surface nest pas hydro-phobe, ni mme super-hydrophobe.Sur le schma c, lespacement des plots est tel que lenveloppe de la goutte deau ne se dforme pas. La surface du matriau est donc protge du contact avec leau ; cette surface est hydrophobe et mme super-hydrophobe.6 Bilan Dans la nature, de nombreuses surfaces sont naturellement super-hydrophobes.On peut ainsi considrer que les surfaces super-hydrophobes synthtiques imitent les surfaces natu-rellement super-hydrophobes.Dpolluer avec des nanotubes de carbone (p. 168)2 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 75 Entre terre et mer , la fibre Crabyon (p. 170)41 a. La viscose est obtenue partir de cellulose de bois traite chimiquement (gnralement la soude) pour rompre les liaisons hydrogne.b. Un polysaccharide est un polymre du glucose.c. La chitine et le chitosan ont des proprits antibac-triennes et antifongiques. Si la chitine ou le chitosan sont intgrs la cellulose, ses proprits sont pr-sentes dans la nouvelle fibre ainsi cre.2 La chitine est un polysaccharide particulirement rpandu dans la nature (deuxime polymre naturel aprs la cellulose). Sa prsence dans les carapaces des crustacs en fait un polysaccharide quil est facile de se procurer et dont le prix de revient est assez faible, do son intrt conomique.Par ailleurs, sans valorisation de la chitine, les cara-paces des crustacs sont rejetes dans la nature. Il est donc cologiquement intressant dutiliser ces carapaces et donc la chitine quelles contiennent.3 Sur les formules du document 2, on observe que lon passe de la chitine au chitosan en remplaant un certain nombre de groupes actyle par un atome dhydrogne. Cela explique le nom donn au pro-cd chimique dobtention du chitosan.4 Le chitosan comporte un certain nombre de groupes amines dont latome dazote a un doublet non liant. En milieu acide, des ions hydrogne viennent se lier aux atomes dazote, ce qui conduit la formation de sites chargs positivement dans le chitosan, augmentant ainsi sa solubilit en milieu acide.5 Bilan La fibre Crabyon est obtenue par asso-ciation de chitosan (plutt que de chitine) et de cellu-lose. Les proprits spcifiques de la chitine (et du chitosan), antibactrienne et antifongique, sont ainsi prsentes dans la fibre Crabyon.Pour aller un peu plus loin, on peut ajouter que ces proprits sont dues au fait que le chitosan est charg positivement en milieu acide, ce qui lui per-met de se lier aux composs biologiques chargs ngativement, comme les membranes des bactries ou des champignons.Des principes actifs encapsuls (p. 171)51 Des exemples dutilisation de microcapsules de protection sont : les gants et vtements thermorgulateurs conte-nant des microcapsules cur de paraffine qui agissent par changement de phase ; les textiles dont la couleur change avec la tempra-ture par micro-encapsulation de substances thermo-chromes ; les textiles et les matriaux retardateurs de flammes (microcapsules de polyurthane contenant du phosphate dammonium).Des exemples dutilisation de microcapsules relar-gage sont : des mdicaments dont le principe actif est protg et amen vers la cible du mdicament ; des cosmtiques dont les agents hydratants sont amens et librs dans une couche profonde de lpiderme ; des mouchoirs parfums et/ou librant un produit hydratant pour la peau ou dans les papiers auto- copiants sans carbone (microcapsules lies la cellu-lose) ; des collants microcapsules dagents hydratants, odorants, etc.2 a. Les fibres de coton et de papier sont essentiel-lement constitues de cellulose.b. Puisque les microcapsules sont fixes sur la cellu-lose, il est possible de les fixer de la mme manire sur les fibres de coton et de papier.3 Une mulsion est la dispersion dun liquide en fines gouttelettes au sein dun autre liquide dans lequel il nest pas miscible (exemple : eau et huile). Au bout dune dure plus ou moins longue, les deux liquides se sparent et forment deux phases dis-tinctes.Un tensioactif est une molcule constitue dune partie hydrophile et dune partie hydrophobe. Les molcules tensioactives entourent donc les goutte-lettes, de sorte que lintrieur de la gouttelette ne soit pas en contact avec le milieu, ce qui stabilise lmulsion.4 Un polymre est une macromolcule forme de lenchanement covalent dun trs grand nombre de motifs de base forms dun ou plusieurs mono- mre(s).Le polymre va former la membrane des microcap-sules. Lun des deux monomres est hydrophile et lautre hydrophobe. Ainsi, le polymre form est amphiphile et constitue une barrire stable entre le contenu intrieur de la capsule et son environnement extrieur. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 765 Bilan Schma des diffrentes tapes de la formation dune microcapsule et de la microcapsule obtenue :Solution aqueusecontenant le monomre 1et un tensioactifFormation demicrocapsules solidesMlange des deux solutions,puis agitation pour raliser une mulsion Membranede polymre -(1-2)-Principe actifSolution organiquecontenant le principeactif dissousou disperset le monomre 21 a. Les prothses et les implants sont utiliss en remplacement dorganes ou de tissus qui ont d tre retirs du corps du patient, car non fonctionnels ou lss.b. Des exemples de prothses et dimplants sont : la prothse de la hanche (en remplacement partiel ou total de los de la hanche) ou du fmur ; la couronne dentaire (en remplacement de la cou-ronne naturelle de la dent casse ou carie trop pro-fondment) ; limplant cristallinien (en remplacement du cristallin atteint par la cataracte) ; limplant dentaire (en remplacement de la racine dune dent et fix dans los de la gencive) ; le stent (pour viter le rtrcissement dun vaisseau sanguin).2 Les prothses et les implants doivent tre bio-compatibles pour sintgrer plus facilement lorga-nisme et limiter les ractions de dfense du systme immunitaire.3 a. Les cramiques de phosphate de calcium sont constitues de phosphate de calcium, qui est le constituant de la partie minrale des os et des dents. Ces cramiques sont utilises depuis une vingtaine dannes en tant que substitut du tissu osseux en chirurgie maxillo-faciale, en ORL, en neurochirurgie, en odontologie, en orthopdie, etc.Afin de crer des macro-pores identiques ceux de los naturel, des billes de naphtalne sont intgres la poudre de phosphate de calcium. haute temp-rature, le naphtalne se sublime laissant des macro-pores dont le diamtre est celui des billes.Les hydrogels sont des matriaux constitus dune matrice forme par rticulation de molcules poly-mres. Ces molcules comportent des groupes hydrophiles qui pigent les molcules deau dans les espaces libres de la matrice.Lacide polylactique est obtenu par polymrisation de lacide lactique. Cest un polymre entirement biodgradable utilis pour les emballages alimen-taires ou comme fil de suture en chirurgie, par exemple.b. Les matriaux biocompatibles peuvent tre utiliss en association avec les organismes vivants, car ils ninterfrent pas avec les milieux biologiques. Les matriaux cits ci-dessus sont biocompatibles, car leurs constituants se trouvent naturellement prsents dans le corps humain ou sont des espces chimiques tolres par lorganisme.4 Les molcules bioactives sont des molcules qui possdent des proprits biologiques ou qui sont biologiquement actives dans les organismes vivants avec un effet prventif ou curatif.5 Bilan Les prothses et les implants doivent tre biocompatibles, il faut donc utiliser des matriaux spcifiques mis au point et/ou amliors par la chimie des matriaux. Mais les caractristiques de ces mat-riaux sont dtermines par la biologie cellulaire, afin de les rendre le plus biocompatibles possibles, et la mdecine rgnrative, dont lobjectif est la mise au point de matriaux qui seront remplacs naturelle-ment par lorganisme lui-mme.Des prothses biocompatibles (p. 172)6 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 771 Les cristaux liquides sont des matriaux qui ont la fois des caractristiques dun liquide et dun solide (voir manuel lve, p. 152).2 Un polymre est une macromolcule forme de lenchanement covalent dun trs grand nombre de motifs de base forms dun ou plusieurs mono- mre(s).Le film actif est un matriau composite, car constitu de gouttelettes de cristaux liquides piges dans un film polymre. Le rle du film est de maintenir les gouttelettes de cristaux liquides immobiles. Le rle des billes de silice est de maintenir constante lpais-seur du film polymre.3 Lorsquune tension est applique, les molcules de cristaux liquides sont toutes alignes selon la mme direction. Les gouttelettes forment donc un matriau homogne dont lindice de rfraction a une valeur donne. Si le film polymre a un indice de rfraction de mme valeur, le film actif a, dans son ensemble, le mme indice de rfraction partout. Il constitue donc un matriau homogne du point de vue optique, la lumire le traverse alors comme si elle traversait un simple vitrage de verre.4 a. Un brouillard diffuse la lumire, car il contient des micro-gouttelettes deau dont la taille est telle quelles absorbent la lumire quelles reoivent et la rmettent dans toutes les directions. Si la lumire quelles reoivent est de la lumire blanche (celle du Soleil, par exemple), le brouillard est blanc (voir la diffusion de Mie).b. Lorsquaucune tension nest applique, les cris-taux liquides dans les gouttelettes sont orients dif-fremment dune gouttelette une autre. Le mat-riau est donc globalement htrogne du point de vue optique, chaque goutte se comportant comme les gouttelettes deau dun brouillard. La diffusion de Mie explique que le vitrage est alors diffusant.5 Bilan Les cristaux liquides du film actif peuvent donc tre, soit tous aligns selon la mme direction sous leffet dun champ lectrique, le vitrage est alors transparent, soit orients alatoirement, en labsence de champ lectrique, le vitrage est alors diffusant.Des vitrages tout en discrtion (p. 173)7Pratique exprimentaleComprendre un procd de fabrication : comment synthtiser des nanotubes de carbone ? (p. 174-175)11 Formule semi-dveloppe du cyclohexaneCH2CH2CH2CH2H2CH2CCH3HCHC CHCHCCH Formule semi-dveloppe du tolune2 Un prcurseur est une espce chimique qui per-met dinitier une raction chimique et, dans ce cas, de contrler le lieu o elle se produit.3 Les atomes de carbone qui forment les nanotubes proviennent essentiellement de lhydrocarbure et, dans une moindre mesure, du prcurseur.4 Un arosol est compos de particules (solides ou liquides) en suspension dans un gaz. Lhlium, le non, largon sont des gaz chimiquement inertes.5 La temprature dbullition du cyclohexane est 80,8 C et celle du tolune est 110,6 C.La temprature du tube vaporateur (environ 200 C) permet donc lvaporation de lhydrocarbure.6 Il ne faut pas que les atomes de carbone ra-gissent avec le gaz de larosol, il faut donc un gaz inerte vis--vis du carbone.7 Une temprature leve permet de rompre les liaisons covalentes qui existent entre les atomes des molcules prsentes dans larosol.8 Les atomes de fer du ferrocne jouent le rle de prcurseur, car les nanotubes se dveloppent sur les nanoparticules de fer.9 La dure de linjection influence la longueur des nanotubes.10 Larosol est inject rgulirement pour amener des atomes de carbone afin de permettre la pour-suite de la croissance des nanotubes.11 Lenceinte ventile permet de dcrocher les nano-tubes de la surface et de les souffler dans un bac de rcupration, car les nanotubes sont trop petits pour tre rcuprs un un.12 Ce procd de fabrication permet de contrler la longueur des nanotubes forms par la dure de lin-jection et de contrler le diamtre par le choix du prcurseur.13 a. Le graphne est une structure cristalline de car-bone dans laquelle les atomes de carbone forment des plans.b. Parmi les atomes de carbone injects dans le racteur, certains ne sassocient pas entre eux pour former les nanotubes, mais forment de petites struc-tures planes, du graphne. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 7814 Les principales caractristiques des nanotubes de carbone sont : une trs grande rsistance mcanique (plus de 200 fois celle de lacier) ; conducteur ou semi-conducteur selon le type den-roulement du tube ; lmission dlectrons quand ils sont soumis un champ lectrique ; les possibilits dtre tresss ou tisss pour former des cbles de carbone ou des textiles ; la possibilit de les utiliser comme cage mol- culaire ou de greffer des molcules leur surface.15 Les nanotubes de carbone peuvent tre utiliss pour renforcer des fibres de tissus (pour des gilets pare-balles, par exemple), en remplacement des fibres de carbone, pour rendre des surfaces super-hydrophobes, comme source dlectrons pour des crans plats flexibles, etc.Comment obtenir une surface super-hydrophobe ? (p. 176)2Comment obtenir des microcapsules ? (p. 177)31 La mesure de langle de contact du liquide se fait directement sur limage.2 En fonction de la valeur mesure pour langle de contact, la surface a acquis, ou non, un caractre hydrophobe ou super-hydrophobe.Il est ncessaire de dposer trs dlicatement la goutte deau sur la suie de faon ne pas dplacer la suie qui nadhre pas la plaque de verre.3 Les fumes issues de la combustion de matires organiques contiennent des gaz (principalement du dioxyde de carbone, de leau, du monoxyde de car-bone), du carbone (sous forme de microcristaux de graphite) et des composs organiques partiellement brls. Ces derniers, le carbone et les composs organiques, se retrouvent dans la suie.La matire organique dont on utilise ici la suie est le bois de lallumette.4 Les atomes de carbone des microcristaux de gra-phite, ainsi que les composs organiques prsentent un caractre hydrophobe. Le dpt de suie uniforme sur la surface de verre empche la goutte deau de staler, ce qui se traduit par un caractre hydro-phobe ou super-hydrophobe de la surface.5 La plaque de verre est nano-structure en surface. Les particules responsables de la super-hydrophobie sont de taille nanomtrique et seule la surface du matriau a t modifie pour lui confrer cette pro-prit.6 Le revtement dpos sur le verre nest pas rsistant, car les grains de graphite et les compo- ss organiques ne sont pas lis la surface du verre et ne sont pas non plus lis entre eux. Il peut donc facilement se fragmenter ou tre limin de la sur-face.1 La glatine est obtenue partir de collagne, extrait de couennes de porc, de peaux et dos de bovins : les os et les peaux sont dabord dgraisss, puis sont traits, soit la chaux, soit lacide, enfin la glatine est extraite leau chaude.La gomme arabique est un panchement de sve de certains acacias rcolte principalement en Afrique saharienne.Le collagne est une protine, donc la glatine est compose de macromolcules, et la gomme ara-bique est un polysaccharide, ce qui explique les masses molaires molculaires leves.2 Le bleu de mthylne est choisi, car il teinte le collagne en bleu, ce qui permet de distinguer les coacervats forms.3 Ltalonnage du microscope est ralis laide dune plaquette micromtrique (en gnral, un objet gradu de 1,00 mm divis en 100) et dun oculaire micromtrique. La mesure du nombre de divisions correspondant au diamtre du coacervat permet de dterminer son diamtre.Les capsules obtenues sont de tailles micromtriques.Rsolution de problmes scientifiques2 Des zolithes pour des textiles innovants (p. 180)Certains micro-organismes, comme le champignon Trichoderma reesei, dgradent les textiles contenant de la cellulose, car ils sont capables de raliser la sac-charification de la cellulose.Linclusion de zolithes dans les fibres permet de les protger, car certains micro-organismes tels que les champignons se dveloppent en milieu humide. Or, au voisinage des zolithes, leau subit une lectro- lyse qui libre du dioxygne et provoque loxydation des membranes cellulaires des organismes vivants causant leur mort. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 793 Les nanoparticules de dioxyde de titane (p. 181)Les nanoparticules de dioxyde de titane, TiO2, sous forme anatase et rutile, peuvent tre utilises dans les produits cosmtiques de protection solaire, car elles absorbent les rayonnements autour de 400 nm, dans lultra-violet proche.Cependant, la forme anatase a des proprits photo-catalytiques suprieures celles de la forme rutile. Cette dernire doit donc tre prfre pour les cos-mtiques afin dviter des ractions susceptibles de lser des cellules de la peau voire mme lADN des cellules.Afin de ne pas laisser de traces blanchtres sur la peau, les particules de dioxyde de titane utilises dans les produits de protection solaire doivent tre de taille nanomtrique (100-125 nm). Or, de telles dimensions, les proprits chimiques sont trs dif- frentes de celles des mmes particules de taille suprieure. Il est donc ncessaire dtudier trs attentivement les proprits chimiques et la racti-vit de particules nanomtriques avant de les int-grer des produits destins la commercialisation.Bibliographie Les matriaux au cur du processus dinnovation , Clefs CEA, no 59, t 2010. Le nanomonde, de la science aux applications , Clefs CEA, no 52, t 2005. G.nmoz et F. roland, Fibres et textiles chimiques. Matriaux du xxie sicle , Lactualit chimique, no 360-361, fvrier-mars 2012.Sitographie LesrevuesClefs CEA sont tlchargeables sur : http://www.cea.fr/le_cea/publications/clefs_cea Sitebibliographiquedestinauxprofessionnelsdelamer:http://www.bibliomer.com SiteCNRSNanotechnologies et sant : http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosnano Siteuniversitairesurlescoacervats:http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/ATP/evol1.htm Diaporamasurleszolithes:http://www.mulhouse.cci.fr/fileadmin/redacteurs/INNOVATION/2_G_n_ralit_s_-_B.LEBEAU.pdfBibliographie et sitographiehttp://www.cea.fr/le_cea/publications/clefs_ceahttp://www.bibliomer.comhttp://www.cnrs.fr/cw/dossiers/dosnano/http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/ATP/evol1.htmhttp://www.mulhouse.cci.fr/fileadmin/redacteurs/INNOVATION/2_G_n_ralit_s_-_B.LEBEAU.pdfPages Bac80 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit.tude qualitative1 La solubilit diminue avec la temprature et avec la salinit.2 a. Les eaux de surface sont en contact avec le dioxygne de latmosphre.b. Elles peuvent tre sous-satures lors de la respira-tion des organismes vivants ou de la dcomposition des matires organiques, par exemple.3 a. Dans les eaux profondes, la photosynthse ne se ralise pas.b. LUAO (utilisation apparente de loxygne) value la diffrence entre la solubilit du dioxygne, [O2]sat, et sa concentration, [O2]diss, mesure dans leau de mer. LUAO value la consommation biologique du dioxygne depuis le moment o les eaux quittent la surface.c. Une valeur leve de lUAO correspond des eaux pauvres en dioxygne.d. Note : les lves doivent saider des documents 1 et 3.Document 1 : pour une eau de salinit gale, par exemple, 35 g de sels dissous par kilogramme de solution, la quantit de dioxygne dissous est de 207 mol kg1 25 C et 348 mol kg1 0 C. La solubilit augmente quand les eaux sont froides. Ainsi, cette quantit diminue des hautes latitudes (temprature plus basse) jusquau voisinage de lqua-teur (temprature plus leve).Document 3 : pour une latitude donne, les eaux pro-fondes de lAtlantique Nord sont riches en dioxygne (UAO < 1,2 mL L1) ; dans les parties nord des ocans Indien et Pacifique, les concentrations sont plus faibles (UAO > 5 mL L1). Si lon regarde la quantit dissoute depuis lAtlan-tique Nord pour une longitude donne (par exemple, 30 O), on constate que la quantit diminue en des-cendant vers le sud.Ainsi, leau semble se mouvoir de lAtlantique Nord vers le Pacifique Nord.tude quantitative1 Mn2+ (aq) + 2 HO (aq) Mn(OH)2 (s) (1)2 a. Pour plus de simplicit, on garde lajustement en milieu acide avec les lves :Mn(OH)2 (s) + H2O () Mn(OH)3 (s) + H+ (aq) + eO2 (aq) + 4 H+ (aq) + 4 e 2 H2O ()Remarque : en milieu basique, ces quations deviennent : Mn(OH)2 (s) + HO (aq) Mn(OH)3 (s) + e O2 (aq) + 2 H2O () + 4 e 4 HO (aq)b. Le mlange est agit pendant 3 heures. Un prci-pit brun est alors prsent dans le flacon (doc. 4) : la transformation est donc lente.3 Mn(OH)3 (s) + 3 H3O+ (aq) Mn3+ (aq) + 6 H2O () (3)4 a. 2 I (aq) + 2 Mn3+ (aq) I2 (aq) + 2 Mn2+ (aq) (4) b. Cest une raction doxydorduction, car lquation met en jeu des couples oxydant/rducteur.5 a. I2 (aq) + 2 e 2 I (aq)2 S2O32 (aq) S4O62 (aq) + 2 eb. On visualise lquivalence lorsquil y a dcoloration.6 a. b. c. et 7 a. b.Daprs (5) : 2 n (I2) = n (S2O32)Daprs (4) : 2 n (I2) = n (Mn3+)Daprs (3) : n (Mn(OH)3) = n (Mn3+)Daprs (2) : 4 n (O2)diss = n (Mn(OH)3) do : n (O2)diss = n (S2O32 (aq))4 = C2 V2E4 et [O2]diss = C2 V2E4V1c. [O2]diss = 5,0 103 9,14 50,0 = 2,275 104 2,3 104 mol L18 a. La solubilit du dioxygne dans une eau de mer de salinit 35 g kg1 vaut 207 mol L1 25 C.b. s = 227,5207 = 1,1.Cest une valeur leve que lon peut, aux erreurs dexpriences prs lors du dosage, considrer comme gale 1.c. Activit photosynthtique dans les eaux de surface.9 a. [O2]sat = a PO2atm = 1,019 103 0,21 = 2,14 104 = 214 mol kg1b. Plusieurs pistes de rflexion peuvent tre envisa-ges avec les lves : une incertitudede lecturesur legraphique.Pluttquune lecture sur un abaque, il faudrait calculer la valeur partir de lquation de Benson et Krause (1984) :ln[O2]sat = 135,299 96 + 1,572 288 105T 6,637 149 107T2 + 1,243 678 1010T3 8,621 061 1011T4 (0,020 573 12,142T + 2,363 1 103T2 ) S[O2]sat est la solubilit du dioxygne exprime en mol kg1 deau de mer ; 1 Loxygne:untraceurdescourantsmarins(p.182-184)Exercices BacPages Bac81 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit.T est la temprature de leau de mer exprime en K ;S est la salinit exprime en g kg1 deau de mer ; le pourcentage dans lair du dioxygne est don- ne 21 % environ (puisque PO2atm est donne 0,21 atm) ; or, la composition de lair en dioxygne varie sensiblement ; par exemple, pour un air sec au voisinage du sol, elle est de 20,946 % ; la pression donne nest donc quune valeur approche ; si lon prend cette valeur, le calcul donne 213 mol kg1 ; laconcentrationendioxygnevarieaveclasalinitet la salinit est donne 35 g kg1, sans prciser lincertitude de mesure attache cette valeur ; il en est de mme pour la valeur de la temprature donne (25 C) ; cettetempratureaaussiuneinfluencesurlavaleurde a ; par exemple, 0 C : a = 1,670 mmol kg1 atm1 pour une eau de salinit 35 % et lquilibre avec latmosphre ; a dpend aussi de la salinit. la concentration endioxygnedans leaudemernest gale la solubilit que sil y a quilibre entre leau et lair (donc si PO2atm = PO2mer) ; le dsquilibre entre locan et latmosphre a diffrentes causes. Une sursaturation peut provenir dune augmentation de la temprature, de la production de dioxygne par la photosynthse, de lentranement de bulles dair quelques mtres de profondeur par des vagues dfer-lantes (effet de la pression sur la solubilit des gaz), du mlange entre des masses deau de temprature diffrentes, etc. Dans le cas de loxygne, il faut envi-ron entre une semaine et un mois pour rsorber une diffrence de pression partielle entre les eaux de la couche mlange et latmosphre ; etc.Remarque : lappropriation donne dans lnonc propose quun litre de solution a une masse de un kilogramme, ce qui nest pas le cas pour leau sale. Or, le calcul la question 7c donne un rsultat en mol L1 et celui la question 9a donne un rsultat en mol kg1. Il y a donc aussi un cart entre les rsultats des questions 7c et 9a qui peut tre expliqu par cette approximation.2 Unbtonautonettoyantetantipollution(p.184-186)1 Le bton est un matriau composite, car il est constitu dau moins deux constituants auxquels est ajout un liant. Cela confre au bton des proprits que ses constituants pris sparment (gravier, sable, ciment) nont pas.2 Sur le graphe du document 2, on constate que la luminance des quatre faades du btiment na que trs peu diminu au cours des 40 premiers mois sui-vant la construction de ldifice. En effet, la diminu-tion de la luminance de la faade sud, qui est la plus importante, reste infrieure 2 %, bien en dessous de ce qui serait perceptible par lil. On peut donc en dduire que son aspect visuel na pas chang pendant ce laps de temps. Cependant, il manque des courbes de luminance de faades tmoins qui nauraient pas t ralises avec ce bton autonettoyant, mais seraient soumises aux mmes conditions extrieures (climats et pollution).3 quation de la raction entre le monoxyde dazote et le dioxygne :2 NO (g) + O2 (g) 2 NO2 (g)quation de la raction entre le monoxyde dazote et lozone :3 NO (g) + O3 (g) 3 NO2 (g)4 Dans le test statique, il ny pas de mouvement densemble des molcules prsentes dans lenceinte. Cependant, le document 6 rappelle que les molcules dun gaz sont en mouvements incessants. Ces dpla-cements tant alatoires, certaines molcules vont heurter la paroi de lenceinte et ragir avec les nano-particules de dioxyde de titane qui sy trouvent. Cela-provoque une transformation du dioxyde dazote en ions nitrate et donc une diminution de la concentra-tion en dioxyde de titane dans lenceinte.5 Les tests dynamiques sont indispensables, car ils font intervenir un facteur qui nest pas prsent dans le test statique : le mouvement densemble des mol-cules (le vent et les courants dair). Or, la prsence de ces mouvements densemble peut diminuer la proba-bilit qua une particule de heurter la paroi traite et donc diminuer lefficacit antipollution du revte-ment. Les tests dynamiques permettent ainsi de se rapprocher des situations relles dutilisation et desti-mer alors plus prcisment lefficacit du matriau.6 a. La hauteur de la bande interdite du dioxyde de titane est : D = 3,2 eV = 3,2 1,6 1019 = 5,1 1019 JOr, D = h c , donc la longueur donde du rayon-nement permettant de faire passer un lectron de la bande de valence la bande de conduction est : l = h c = 6,63 1034 3,00 1085,1 1019 = 3,9 107 m = 390 nmb. La longueur donde calcule la question prc-dente appartient au domaine des ultraviolets, ce qui justifie lemploi dune lampe UV pour les tests.c. Le document 5 montre que le rayonnement solaire contient des rayonnements ultraviolets, ce qui permet la lumire solaire de dclencher la photocatalyse de nettoyage par le dioxyde de titane.7 Les particules de dioxyde de titane doivent tre nanomtriques, car lefficacit du dioxyde de titane comme photocatalyseur nest important, que pour Pages Bac82 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit.des particules de taille infrieure 100 nm, comme lindique le document 7.8 Bilan Lerleduciment,etdoncdubtonquilecontient, est double : rledauto-nettoyagede la surface : les salissures(dptsdhydrocarburesimbrlsprovenantprincipa-lement des gaz dchappement des vhicules) sont transformes en dioxyde de carbone et en eau qui quittent la surface sous forme gazeuse. De plus, les micro-organismes vivants qui se dveloppent sur les faades sont dtruits par les radicaux libres (issus de la transformation du dioxygne et de leau par le dioxyde de titane) ; rle antipollution : les polluants atmosphriquesgazeux sont aussi en partie dtruits par les nanoparti-cules de dioxyde de titane quand ces polluants viennent au contact de la surface. En particulier, le dioxyde dazote est transform en ion nitrate qui reste sur la surface et est entran par leau lorsquil pleut.Lebtonaainsiunrlelafoisdauto-nettoyageetde dpolluant atmosphrique.3 Rendementdupuitslaroue(p.187-188)a. Daprs le document 1, lors de lvaluation du puits la roue, on prend en compte tous les procds de la chane nergtique : approvisionnement en nergie primaire, production, transport, stockage et distribu-tion et utilisation du dihydrogne.Daprs le document 4, il faut donc tenir compte du rendement de la production de dihydrogne, du ren-dement de son transport, de sa compression et de son stockage, ainsi que du rendement de la PAC (pile combustible). Selon les cas envisags, il faut aussi tenir compte du rendement de la production de lnergie lectrique et du rendement du transport de lnergie lectrique.Le rendement de la PAC doit tre dtermin. Connais-sant lnergie fournie effectivement par la PAC au vhicule pour 100 km parcourus, soit 1,14 kg de dihy-drogne consomms, il faut dterminer lnergie totale libre par la pile dans ces conditions.La temprature optimale de fonctionnement des PAC mises en jeu tant infrieure 100 C, la pile fonc-tionne en produisant de leau liquide.La quantit de dihydrogne contenue dans 1,14 kg de dihydrogne vaut :n (H2) = mM (H2) = 1,14 1032,0 = 5,7 102 mol.Lnergie t fournie par la pile vaut donc : t = (eau liquide) n (H2) = 1,59 108 J.Le rendement de la PAC sans reformeur sen dduit : r (PAC) = upact = 87,8 106(1,59 108) = 0,55 ; soit 55 %.Par dfinition du rendement, le rendement r de deux tapes successives 1 et 2, de rendements respectifs r1 et r2, est gal :r = utile(2)reue(1) = ( utile(1)reue(1) ) ( utile(2)reue(2) )car : reue (2) = utile(1)soit : r = r1 r2Ce rsultat se gnralise plusieurs tapes succes-sives.PourunvhiculealimentparunePACdontledihy-drogne a t produit par lectrolyse avec une lec-tricit issue de lnergie nuclaire :r = r(production nuclaire) r(transport nergie) r(lectrolyseur) r(distri, compr, stock H2) r(PAC)soit : r = 0,35 0,93 0,60 0,75 0,55 = 0,081, cest--dire 8,1 %. Pour un vhicule aliment par une PAC dont le dihydrogne a t produit par lectrolyse avec une lectricit issue du gaz naturel :r = r(production gaz naturel) r(transport nergie) r(lectrolyseur) r(distri, compr, stock H2) r(PAC)soit : r = 0,60 0,93 0,60 0,75 0,55 = 0,138, cest--dire 13,8 %.PourunvhiculealimentparunePACdontledihy-drogne a t produit par conversion du mthane :r = r(production H2) r(distri,compr,stock H2) r(PAC)soit : r = 0,75 0,75 0,55 = 0,309,cest--dire 30,9 %.PourunvhiculealimentparunePACdontledihy-drogne a t produit dans le vhicule laide dun reformeur partir de mthanol, le rendement de la PAC ntant plus que de 45 % (r = 0,45), compte tenu du poids du reformeur embarqu :r = r(production H2 reformeur) r(PAC)Soit : r = 0,60 0,45 = 0,27, cest--dire 27 %.La filire ayant le meilleur rendement du puits la roue est donc la filire vhicule PAC H2 issu du gaz naturel.b. Cette filire nest pas celle qui correspond au meil-leur bilan carbone. Cest la filire lectrolyse de leau avec lectricit nuclaire ou renouvelable qui possde le meilleur bilan carbone.c. Laspect financier nest pas pris en compte dans cette analyse, il est pourtant trs important pour le consommateur.Ilfauttenircompteducotdelner-gie, des matires premires et certainement, dans le futurducotdelacaptureetdustockagedudioxydede carbone mis du puits la roue.Pages Bac83 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit.Longueur de la tigeDans la gamme tempre, le La# se situe 10 demi-tons au-dessus du Do. Sa frquence est donc gale : (2 112)10 f0Pour lharmonique de rang n, le texte du document 2 donne la relation entre la longueur L de la tige et la longueur donde l du son produit :L = n 2Par ailleurs, en notant v la valeur de la vitesse des ondes dans la tige (clrit), la longueur donde du son est lie sa frquence par : = vfLa longueur L de la tige sexprime donc en fonction de la frquence du son produit :L = n v2fCela scrit aussi : L f = n v2Pour le mode fondamental, on a n = 1, on a alors : L f = v2Le texte du document 4 prcise en outre que la cl-rit des ondes dans la tige est indpendante de leur frquence, le produit L f est donc constant pour les diffrentes notes.Ainsi, on a L0 f0 = L1 f1 ; donc :L1 = L0 f0f1 = L0 f021012 f0 = 1,0021012 = 0,561 m = 56,1 cm.Protocole exprimental On coupe une tige daluminium de longueur L1 = 56,1 cm de mme section que la tige de lon-gueur L0 = 1,00 m. Onfaitvibrercettetigelaidedunarchet. Onenregistre le sonproduit avec unmicrophonereli un systme dacquisition. On ralise lanalyse de Fourier du son obtenu. On doit obtenir un son pur dont la frquence est (2 112)10 2 093 = 3 729 Hz.4 Lechantdescordes(p.189-190)5 Halteauxbruits(p.190-191)1 Le document 2 permet de dterminer la masse surfacique du matriau utilis. Au pralable, il faut dterminer le niveau dintensit sonore LA du son mis par le haut-parleur et reu au point A du mur. Ainsi, on saura quelle attnuation le mur doit provoquer pour obtenir un calme total au point B (LB = 0 dB).Le point A est situ 60 de laxe principal du haut-parleur. Daprs le document 1, pour q = 60, la perte de niveau dintensit sonore est denviron 6 dB par rapport celui mesur dans laxe du haut-parleur (q = 0) la mme distance. Le texte indique que, 50 m dans laxe du haut-parleur, le niveau dintensit sonore est de 55 dB. On en dduit, puisque A se situe 50 m du haut-parleur, que LA = 55 6 = 49 dB.Le mur doit donc provoquer une attnuation de 49 dB de ce son afin que lon nentende rien en B. Daprs le document 2, sur la courbe correspondant une fr-quence de 500 Hz, on lit une masse surfacique denvi-ron 250 kg m2.Ce mur doit tre fabriqu dans un matriau dont la masse surfacique est dau moins 250 kg m2.2 Le document 3 prsente diffrentes utilisations dune salle en fonction de son volume et de la dure de rverbration, notamment celle de studio radio. On peut lire que, pour une salle de 600 m3 de volume, la dure de rverbration doit tre de 0,7 s environ si on veut en faire un studio radio. Or, la dure de rverbration de la salle tudie est plus leve (TR = 1,5 s). En ltat, elle ne peut donc servir de studio radio.3 On peut proposer un amnagement laide de la formule de Sabine (doc. 4). Il faut rduire la dure de rverbration de la salle dont le volume est fix. La surface quivalente dabsorption, A, de la salle doit donc tre augmente, ce qui signifie, daprs lexpression de A, quil faut installer des panneaux absorbants sur les parois de la salle pour augmenter le facteur dabsorption (ai) et, si besoin, augmenter leur surface, Si, par rapport celle des parois initiales.Pages Bac84 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit.6 Rendementdunecellulephotovoltaque(p.192-193)TP BacD Travaileffectuer1. laboration et ralisation dun montageR0-100 kIUAVECellulephotovoltaquemAVCOMCOM2. Tracs des caractristiquesclairement de la lampe de bureau : E = 520 lux.I (mA) 0,58 0,57 0,56 0,55 0,55 0,54 0,53 0,52 0,33 0,23 0,17 0,00U (V) 0,00 1,13 2,26 2,78 3,86 4,35 4,79 5,27 6,58 6,79 6,87 7,05On fait varier la valeur de la rsistance R du potentiomtre entre 0 et 100 kW. Pour R = 0 W, la rsistance est quivalente un fil et la cellule est court-circuite; lintensit mesure est alors lintensit en court-circuit, soit ici ICC = 0,58 mA. Pour R = 100 kW, la rsistance est quivalente un interrupteur ouvert ; la tension mesure est la tension en circuit ouvert, soit ici UCO = 7,05 V.Caractristique I = f (U) trace avec un tableur :0,70,60,50,40,30,20,10 1 2 3 4 5 6 7 8U (V)I (mA) 520 luxOn fait calculer, par le tableur, la puissance lectrique gnre par la cellule photovoltaque, = U I, puis on trace la caractristique = f (U) :I (mA) 0,58 0,57 0,56 0,55 0,55 0,54 0,53 0,52 0,33 0,23 0,17 0,00U (V) 0,00 1,13 2,26 2,78 3,86 4,35 4,79 5,27 6,58 6,79 6,87 7,05 (mW) 0,00 0,64 1,27 1,53 2,12 2,35 2,54 2,74 2,17 1,56 1,17 0,00Pages Bac85 Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit.3,02,52,01,51,00,50 1 2 3 4 5 6 7 8U (V) (mW)3. Dtermination du rendement de la cellule photovoltaqueLa puissance maximale gnre par la cellule est max = 2,74 mW = 2,74 103 W.La cellule mesure 6,5 cm par 5,0 cm, donc sa surface est S = 6,5 102 5,0 102 = 3,25 103 m.On admet que 100 lux correspondent 1 W m2, donc 520 lux = 5,20 W m2.Ainsi, E S = 5,20 3,25 103 = 16,9 103 W. Le rendement de la cellule photovoltaque tudie est : = mE S , soit = 2,74 103 16,9 103 = 0,162 = 16,2 %.4. Interprtation du rsultat obtenuLe rendement de la cellule tudie est faible. Les cellules photovoltaques au silicium convertissement assez mal lnergie lumineuse en nergie lectrique. Pour obtenir une puissance lectrique plus leve, il faut augmenter la surface S et donc associer plusieurs cellules photovoltaques, comme cest le cas pour les panneaux solaires. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 86valuation des incertitudes de mesureEn sciences exprimentales, il nexiste pas de mesures exactes : celles-ci sont toujours entaches derreurs plus ou moins importantes selon le proto-cole, la qualit des instruments de mesure ou le rle de loprateur.valuer lincertitude sur une mesure est souvent un processus complexe, mais il sagit dune tape essen-tielle dans la dtermination de la valeur mesure.Mesurer une grandeur, cest rechercher une valeur de cette grandeur et lui associer une incertitude afin dvaluer la qualit de la mesure.Les termes de vocabulaire et les mthodes exposs ci-dessous sont ceux prconiss par lAFNOR (Asso-ciation franaise de normalisation), notamment dans la norme NF ENV 13005 daot 1999 Guide pour lexpression de lincertitude de mesure [1]. Cette norme est issue dun travail du Bureau international des poids et mesures (BIPM). Le document corres-pondant, intitul valuation des donnes de mesure Guide pour lexpression de lincertitude de mesure [2], est disponible sur le site Internet du BIPM.Un autre document du BIPM, intitul Vocabulaire international de mtrologie Concepts fondamen-taux et gnraux et termes associs (VIM) [3] pourra aussi tre consult avec profit.1 Mesures et erreurs de mesures1.1 Dfinitions de base Le mesurande est la grandeur mesurer ; cest, par exemple, une masse, un volume, une dure, etc. Le mesurage est lensemble des oprations per-mettant de dterminer exprimentalement linter-valle de valeurs que lon peut raisonnablement attri-buer la grandeur mesure. Le terme mesurage est prfr celui de mesure, car le mot mesure a de nombreux sens dans la langue franaise. La valeur mesure, ou rsultat dun mesurage, est la valeur attribue un mesurande suite un mesurage. La valeur vraie dun mesurande est la valeur que lon obtiendrait si le mesurage tait parfait. Un mesu-rage ntant jamais parfait, cette valeur est toujours inconnue. Lerreur de mesure est lcart entre la valeur mesu-re et la valeur vraie. Par dfinition, cette erreur est inconnue puisque la valeur vraie est inconnue.Une liste plus complte de termes de vocabulaire est prsente la fin de ce document.1.2 Erreurs de mesure Deux types derreursLes erreurs de mesures peuvent tre dues linstru-ment de mesure, loprateur ou la variabilit de la grandeur mesure. On distingue deux types der-reurs de mesures. Lerreur de mesure alatoireLorsquun mme oprateur rpte plusieurs fois, dans les mmes conditions, le mesurage dun mme mesurande, les valeurs mesures peuvent tre diff-rentes. On parle alors derreur de mesure alatoire.Cette dispersion des valeurs mesures est due la qualit du mesurage ralis par loprateur et/ou la qualit de linstrument de mesure.Si on effectue, dans les mmes conditions, un nombre infini de mesurages, le meilleur estimateur de la valeur du mesurande est la moyenne m de toutes les valeurs mesures.Une valeur mesure m est en gnral diffrente de m. Lerreur alatoire est alors la diffrence ERa = m m.En pratique, on ne peut faire quun nombre fini de mesurages. Par consquent, il est uniquement possible de dterminer une estimation de lerreur alatoire. Lerreur de mesure systmatiqueUn appareil dfectueux, mal talonn ou utilis incor-rectement conduit des valeurs mesures proches les unes des autres, mais loignes de la valeur vraie. On parle alors derreur de mesure systmatique.Si la valeur vraie est mvrai, lerreur systmatique est ERs = m mvrai. Par dfinition, mvrai est inconnue. De plus, il est impossible de faire un nombre infini de mesurages pour dterminer correctement m. Par consquent, il est uniquement possible de dtermi-ner une estimation de lerreur systmatique. Dtermination de lerreur de mesureLors dun mesurage donnant la valeur mesure m, lerreur de mesure est :ER = m mvrai = m m + m mvrai = ERa + ERsLa dtermination de lerreur de mesure ncessite de prendre en compte les deux composantes pr- cdentes. Celles-ci peuvent tre plus ou moins importantes. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 87Par exemple, si la valeur vraie est au centre de la cible et si les flches reprsentent des valeurs mesures :Tous les impacts sont proches du centre de la cible : les erreurs alatoires et systmatiques sont faibles.Les impacts sont loigns du centre de la cible, mais centrs, en moyenne, sur le centre de la cible : les erreurs alatoires sont importantes, mais les erreurs systmatiques sont faibles.Les impacts sont groups, mais loin du centre : les erreurs alatoires sont faibles, mais les erreurs systmatiques sont importantes.Les impacts sont tals et loin du centre : les erreurs alatoires et systmatiques sont importantes.2 Incertitude de mesure Lincertitude de mesure, ou incertitude du rsultat dun mesurage, est la valeur, associe au rsultat dun mesurage, qui caractrise la dispersion des valeurs qui pourraient raisonnablement tre attri-bues au mesurande. Lincertitude de mesure est donc une estimation de lerreur de mesure.Conformment la norme NF ENV 13005, lincerti-tude de mesure est note U. La notation U vient de langlais uncertainty .Lancienne notation D pour lincertitude ne corres-pond pas aux normes internationales actuelles. Lintervalle de confiance est un intervalle dans lequel la valeur vraie a de grandes chances de se trouver. Cet intervalle est centr sur la valeur mesu-re, note m.En gnral, la largeur de cet intervalle est choisie pour avoir 95 % ou 99 % de chance de trouver la valeur vraie lintrieur. Pour un mme mesurage, le second intervalle (correspondant un niveau de confiance de 99 %, en vert sur le schma ci-dessous) sera plus large que le premier (correspondant un niveau de confiance de 95 %, en rouge sur le schma ci-dessous).Grandeur mesuremU99% (M)U95% (M)La qualit de la mesure est dautant meilleure que lincertitude associe est petite et donc que linter-valle de confiance est troit.Remarque : la notion dintervalle de confiance est vue en mathmatiques en classe de Seconde. Suivant la mthode utilise pour effectuer le calcul dune incertitude de mesure, on peut classer cette incertitude dans lun des deux types ci-dessous : Une incertitude de type A est value par des mthodes statistiques qui mettent en jeu la moyenne et lcart-type. Elle est issue de lex- ploitation dun nombre important de valeurs mesures. Une incertitude de type B est value par dautres mthodes. Elle correspond en gnral une mesure unique. Sa dtermination nest pas simple, car il faut prendre en compte toutes les sources derreurs ou, au pralable, avoir identifi les sources derreurs les plus importantes. Lincertitude-type est une incertitude de mesure exprime sous la forme dun cart-type. Lincerti-tude-type est note u. Lorsque les sources dincertitudes sont multiples, on estime lincertitude-type pour chacune dentre elles, puis on calcule une incertitude-type compose qui peut prendre en compte des valuations de type A et de type B.3 valuation dune incertitude de type A (incertitude de rptabilit)3.1 Incertitude-typeLorsquun mme manipulateur ralise plusieurs fois le mesurage dun mme mesurande M, dans les mmes conditions exprimentales, il peut trouver des rsultats fluctuants. Il en est de mme pour des manipulateurs diffrents ralisant simultanment la mme mesure avec du matriel similaire. Dans ce cas, on utilise des notions de statistiques (moyenne et cart-type) pour analyser les rsultats.Pour une srie de n mesures indpendantes donnant des valeurs mesures mk : la valeur retenue comme valeur mesure est la moyenne m de toutes les valeurs mesures : m = nk = 1 mkn lcart-type exprimental sn 1 de la srie de mesures est :n 1 = d nk = 1 (mk m)2n 1Cet cart-type permet dvaluer lincertitude-type u (M ) :u (M ) = n 1 dnPlus le nombre n de mesures indpendantes est grand, plus lincertitude-type est petite. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 883.2 Incertitude largie Dans la pratique, on ne peut raliser quun nombre limit de mesurages. Pour prendre en compte ce nombre limit, on multiplie lincertitude-type par un facteur k appel facteur dlargissement. On dfinit ainsi une incertitude largie, appele incertitude de rptabilit et note U.Lincertitude de rptabilit est donc :U (M ) = k u (M ) = k n 1 dn Dans lhypothse o toute erreur systmatique a t carte et o les diverses valeurs mesures sont rparties selon une loi gaussienne, le coefficient dlargissement k, associ un niveau de confiance donn et au nombre n de mesures, est donn par la loi de Student. Le tableau ci-dessous donne les valeurs de k pour des niveaux de confiance de 95 % et 99 % et pour des nombres n de mesurages courants. Ce tableau montre que : pour un mme nombre n de mesures, plus le niveau de confiance est grand et plus k est grand ; pour un mme niveau de confiance, plus le nombre n de mesures indpendantes est grand et plus k est petit.n 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14 16 18 20k95 % 12,7 4,30 3,18 2,78 2,57 2,45 2,37 2,31 2,26 2,20 2,16 2,13 2,11 2,09k99 % 63,7 9,93 5,84 4,60 4,03 3,71 3,50 3,36 3,25 3,11 3,01 2,95 2,90 2,864 valuation dune incertitude de type B (incertitude sur une mesure unique)4.1 Incertitude-type et incertitude largieLvaluation dune incertitude de type B ncessite de rechercher les sources derreur et dvaluer lincerti-tude associe chaque source. La prcision de lap-pareil de mesure, la faon dont il est utilis et la qua-lit du mesurage sont prendre en compte dans la dtermination de cette incertitude.Des considrations statistiques sur la rpartition de lerreur de mesure conduisent lobtention dune incertitude-type u pour les situations les plus cou-rantes.Pour les incertitudes de type B, la norme considre que lincertitude de mesure prendre en compte est lincertitude largie U = k u. Pour un niveau de confiance de 95 %, elle est obtenue avec un facteur dlargissement k = 2 ; celle pour 99 % est obtenue avec k = 3.Dans les situations prsentes ci-dessous, lincerti-tude largie est indique pour un niveau de confiance de 95 % (k = 2).4.2 Exemple pour la lecture sur une chelle gradueLorsque la mesure est obtenue par lecture sur une chelle ou un cadran, une tude statistique de la rpartition des valeurs possibles entre les gradua-tions qui encadrent la valeur lue permet destimer que lincertitude-type de lecture est :ulecture = 1 graduationd12Lincertitude largie, pour un niveau de confiance de 95 %, est donc :Ulecture = 2 1 graduationd12Par exemple, avec un thermomtre gradu en degr Celsius, lincertitude de lecture sur une temprature T est :Ulecture (T ) = 2 1d12 = 0,58 C.4.3 Exemple pour une double lectureLorsque la mesure ncessite une double lecture, les erreurs de lecture peuvent se cumuler ; elles peuvent aussi se compenser, totalement ou partiellement. Pour une double lecture, on a :udouble lecture = d2 (ulecture)2 = d2 ulecturePour un niveau de confiance de 95 %, lincertitude prendre en compte est alors :Udouble lecture = 2 d2 ulecture = d2 Ulecture Udouble lecture = d2 2 1 graduationd12Par exemple, avec une rgle gradue en millimtres, lincertitude de lecture sur une distance d est :Udouble lecture(d ) = d2 2 1d12 = 0,8 mm.En pratique, cette incertitude est souvent arrondie 1 mm.Un autre exemple peut tre donn pour une lecture sur un oscilloscope.Deux lectures sont ncessaires pour dterminer la valeur de la priode dune tension. Chaque lecture est ralise sur une chelle gradue en cinquime de division. Lincertitude lie la double lecture est :Udouble lecture = d2 2 0,2d12 = 0,163 DIV.Si la base de temps est rgle sur 5 ms/DIV, lincerti- tude de lecture sur la valeur mesure de la priode est :Udouble lecture(T) = 5 0,163 = 0,82 ms.En pratique, cette incertitude est souvent arrondie 1 ms. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 894.4 Exemple pour lutilisation dun appareil de tolrance donneLorsque la mesure est obtenue avec un appareil pour lequel le constructeur indique la tolrance t (note t), une tude statistique de la rpartition des valeurs possibles autour de la valeur lue permet destimer que lincertitude-type lie la tolrance de cet appa-reil est :utolrance = td3Pour un niveau de confiance de 95 %, lincertitude prendre en compte est alors :Utolrance = 2 td3Par exemple, avec une fiole jauge de tolrance 0,05 mL, lincertitude sur le volume V lie linstru-ment est :Utolrance(V ) = 2 0,05d3 = 0,058 mL.4.5 Exemple pour lutilisation dun appareil numriqueLorsque la mesure est obtenue par lecture dun appa-reil affichage numrique, lincertitude prendre en compte ne dpend que des caractristiques de lap-pareil. Gnralement la notice indique la prci-sion p de lappareil, le plus souvent par un pourcen-tage de la valeur lue sur lcran et par un certain nombre de digit.Lincertitude-type lie la prcision de cet appareil est :uprcision = pd3Pour un niveau de confiance de 95 %, lincertitude prendre en compte est alors :Uprcision = 2 pd3Par exemple, avec un ampremtre affichant 1,62 mA et dont la notice indique pour lincertitude (3 % de la valeur lue + 1 digit), lincertitude sur lintensit I est :U (I ) = 2 3100 1,62 + 0,01d3 = 0,12 mA.5 Incertitudes composesDans certains cas complexes, il faut souvent combi-ner les mthodes de type A et de type B pour obte-nir une meilleure valuation de lincertitude. On a alors, pour une grandeur G (mesurande) :U (G) = d(UA (G))2 + (UB (G))26 Propagation des incertitudesLorsquune grandeur G se dduit dautres grandeurs par un calcul, lincertitude sur G se dduit des incerti-tudes sur les autres grandeurs.6.1 Cas dune somme ou dune diffrenceUne grandeur G peut tre la somme ou la diffrence de deux autres grandeurs indpendantes G1 et G2. On a alors G = G1 + G2 ou G = G1 G2.Dans ces deux cas, lincertitude U(G) est donne par :U (G) = d(U (G1))2 + (U (G2))2On parle parfois de somme quadratique des incerti-tudes pour ce type de calcul.6.2 Cas dun produit ou dun quotientUne grandeur G peut tre le produit ou le quotient de deux autres grandeurs indpendantes G1 et G2. On a alors G = G1 G2 ou G = G1G2.Dans ces deux cas, lincertitude U (G) est donne par :U(G) = G c(U (G1)G1 )2 + (U (G2)G2 )2Cela revient crire :U (G)G = c(U (G1)G1 )2 + (U (G2)G2 )2On parle parfois de somme quadratique des incerti-tudes relatives pour ce type de calcul.6.3 Cas dune multiplication par un nombre exactUne grandeur G peut tre obtenue partir dune grandeur G1 multiplie par un nombre exact A. On a alors G = A G1.Dans ce cas, lincertitude U(G) est donne par :U (G) = A U (G1)Remarque importante : ce rsultat nest pas le mme que celui obtenu pour une somme, car, dans ce cas, les grandeurs ne sont pas indpendantes.Par exemple, si G = G1 + G1 = 2 G1, alors lexpres-sion correcte de U (G) est donne par la formule rela-tive une multiplication par un nombre exact :U (G) = 2 U (G1)En considrant G comme la somme G1 + G1 de gran-deurs indpendantes, on arriverait une incertitude U (G) = d(U (G1))2 + (U (G1))2 = d2 U (G1) ; cette expres-sion nest pas correcte, car la somme effectue nest pas une somme de grandeurs indpendantes.6.4 Cas dune puissanceUne grandeur G peut tre obtenue partir dune autre grandeur leve une puissance n. On a alors :G = Gn1Dans ce cas, lincertitude U(G) est donne par :U (G) = n G U (G1)G1 = n Gn1 1 U (G1)Remarque importante : ce rsultat nest pas le mme que celui obtenu pour une multiplication, car, dans ce cas, les grandeurs ne sont pas indpendantes.Par exemple, si G = G1 G1 = G21, alors lexpression correcte de U (G) est donne par la formule relative une puissance (avec ici n = 2) : U (G) = 2 G1 U (G1).En considrant G comme le produit G1 G1 de gran-deurs indpendantes, on arriverait une incertitude :U (G) = G c(U (G1)G1 )2 + (U (G1)G1 )2 = d2 G1 U (G1)Cette expression nest pas correcte, car le produit effectu nest pas un produit de grandeurs indpen-dantes. Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 906.5 Cas gnralSi une grandeur G est une fonction de grandeurs G1, G2, etc. indpendantes les unes des autres, alors lincertitude sur G se dduit des incertitudes sur G1, G2, etc. en utilisant lexpression ci-dessous qui fait intervenir les drives partielles de G par rapport G1, G2, etc. :U (G) = G c( GG1 U (G1))2 + ( GG2 U (G2))2 + ...6.6 Remarque sur lusage des sommes quadratiquesLes anciens calculs dincertitudes conduisaient une somme des incertitudes ou des incertitudes rela-tives. Cette technique correspondait une majora-tion excessive des incertitudes.En effet, pour lincertitude sur une somme, on cal- culait la somme des incertitudes.Par exemple, si G = G1 + G2 ou G = G1 G2, avec les notations anciennes, on avait alors :D(G) = D(G1) + D(G2)De mme, pour lincertitude sur un produit, on cal- culait la somme des incertitudes relatives.Par exemple, si G = G1 G2 ou G = G1G2, avec les notations anciennes, on avait :D (G)G = D (G1)G1 + D (G2)G2Ces calculs correspondent aux cas o les incertitudes sur chacune des grandeurs se cumulent. Cela est trs peu probable. En effet, si les mesurages de ces gran-deurs sont indpendants, et si les erreurs de mesure sont alatoires, il existe 50 % de chance pour que les incertitudes tendent se compenser.Des considrations statistiques sur la rpartition des incertitudes de mesures conduisent alors aux sommes quadratiques prsentes dans les para-graphes 6.1 6.5 ci-dessus pour valuer lincertitude de mesure.Les anciens calculs ne sont utiliss que si lon sus-pecte une dpendance entre les mesures qui emp-cherait lutilisation dune somme quadratique. Ces situations correspondent aux remarques des para-graphes 6.3 (G = G1 + G1 et U (G) = 2 U (G1)) et 6.4 (G = G1 G1 et U (G) = 2 G1 U (G1)).7 Arrondissage et criture dun rsultatLe rsultat du mesurage dun mesurande M est un intervalle de confiance associ un niveau de confiance. Lintervalle de confiance est centr sur la valeur m (valeur mesure lors dune mesure unique ou valeur moyenne des mesures lors dune srie de mesures) et a pour demi-largeur lincertitude de mesure U(M ).Le rsultat du mesurage scrit M = m U (M ) ou M [m U (M ) ; m + U (M )]. Si elle existe, lunit est prcise.Par convention, lincertitude est arrondie la valeur suprieure avec au plus deux chiffres signifi-catifs, et les derniers chiffres significatifs conservs pour la valeur mesure m sont ceux sur lesquels porte lincertitude U (M ).Ainsi, le dernier chiffre significatif de la valeur mesu-re doit tre la mme position dcimale que le dernier chiffre significatif de lincertitude (voir tableau ci-dessous).Dans le rsultat de la forme M = m U (M )Pour la valeur mesure m, on garde : Pour lincertitude U, on garde : les chiffres exacts (ceux sans incertitude) ; le 1er chiffre entach derreur ; le 2e chiffre entach derreur que lon arrondit. le 1er chiffre non nul ; le chiffre suivant major.Quelques exemples : Valeur mesure m Incertitude U (M ) Rsultat du mesurage MVitesse dune moto 57,925 m s1 0,088 m s1 V = (57,925 0,088) m s1Charge lectrique 1,6042 1019 C 0,0523 1019 C q = (1,604 0,053) 1019 CConcentration 0,1412 mol L1 1,64 102 mol L1 C = (0,141 0,017) mol L1Lorsquune grandeur doit tre utilise pour un calcul ultrieur, on conserve au moins un chiffre significatif de plus dans son expression.Remarque sur la majoration de lincertitudeLe dernier chiffre significatif de lincertitude doit nor-malement tre arrondi en le majorant. La norme NF ENV 13005 prcise cependant que le bon sens doit prvaloir et une valeur comme u (x) = 28,05 kHz doit tre arrondie la valeur infrieure, 28 kHz. Remarque sur le nombre de chiffres significatifs de lincertitudeLa norme NF ENV 13005 prcise quune incertitude ne doit pas tre donne avec un nombre excessif de chiffres. Il suffit habituellement de fournir [...] au plus deux chiffres significatifs [...] .Dans la littrature [4], on trouve aussi : Les incerti-tudes exprimentales doivent presque toujours tre arrondies avec un seul chiffre significatif. Le Hachette Livre, 2012 Physique Chimie Terminale S spcialit, Livre du professeur La photocopie non autorise est un dlit. 91 presque toujours sexplique par la trop grande surestimation qui serait introduite dans certains cas si on ne gardait quun seul chiffre significatif.Ainsi, si une incertitude est de 0,14, larrondir 0,1 rduirait trop fortement la largeur de lintervalle de confiance. Larrondir, en la majorant, 0,2 diminue-rait excessivement la prcision du mesurage. Ce constat peut tre fait si le 1er chiffre significatif est un 1, un 2 ou, dans une moindre mesure, un 3. Dans ces cas, il faut garder deux chiffres significatifs dans lin-certitude. Dans les autres cas, on peut ne garder quun chiffre significatif.En suivant cette rgle pour le tableau prcdent, on aurait alors :Rsultat du mesurage MV = (57,93 0,09) m s1q = (1,60 0,06) 1019 CC = (0,141 0,017) mol L1ANNEXE : Vocabulaire Le mesurande est la grandeur mesurer ; cest, par exemple, une masse, un volume, une dure, etc. Le mesurage est lensemble des oprations per-mettant de dterminer exprimentalement linter-valle de valeurs que lon peut raisonnablement attri-buer la grandeur mesure. Le terme mesurage est prfr celui de mesure, car le mot mesure a de nombreux sens dans la langue franaise. La valeur mesure, ou rsultat dun mesurage, est la valeur attribue un mesurande suite un mesurage. La valeur vraie dun mesurande est la valeur que lon obtiendrait si le mesurage tait parfait. Un mesu-rage ntant jamais parfait, cette valeur est toujours inconnue. Lerreur de mesure est lcart entre la valeur mesu-re et la valeur vraie. Par dfinition, cette erreur est inconnue puisque la valeur vraie est inconnue. Lincertitude de mesure, ou incertitude du rsultat dun mesurage, est la valeur, associe au rsultat dun mesurage, qui caractrise la dispersion des valeurs qui pourraient raisonnablement tre attri-bues au mesurande. Lerreur systmatique est la composante de ler-reur de mesure qui, dans des mesurages rpts, demeure constante ou varie de faon prvisible. Lerreur alatoire est la composante de lerreur de mesure qui, dans des mesurages rpts, varie de faon imprvisible. Lincertitude-type est lincertitude du rsultat dun mesurage exprime sous la forme dun cart-type. Lincertitude-type compose est lincertitude-type du rsultat dun mesurage obtenu partir des valeurs dautres grandeurs. Lincertitude largie est la valeur, associe au rsultat dun mesurage, qui dfinit un intervalle autour du rsultat dun mesurage lintrieur duquel on peut sattendre trouver une fraction leve de la distribution des valeurs qui pourraient tre raisonna-blement attribues au mesurande. Cet intervalle est appel intervalle de confiance, il est associ un niveau de confiance. Le niveau de confiance est la probabilit de trou-ver la valeur vraie lintrieur de lintervalle de confiance. Le facteur dlargissement est le facteur num-rique utilis comme multiplicateur de lincertitude-type compose pour obtenir lincertitude largie. Lexactitude de mesure est ltroitesse de laccord entre la valeur mesure et la valeur vraie. La justesse de mesure est ltroitesse de laccord entre la moyenne dun nombre infini de valeurs mesu-res rptes et la valeur vraie. La fidlit de mesure est ltroitesse de laccord entre les valeurs mesures obtenues par des mesu-rages rpts.[1] AFNOR, Guide pour lexpression de lincertitude de mesure, NF ENV 13005, Paris : AFNOR, aot 1999.[2] BIPM, valuation des donnes de mesure Guide pour lexpression de lincertitude de mesure, JCGM 100 : 2008, Paris : BIPM, 2008.http://www.bipm.org/utils/common/documents/jcgm/JCGM_100_2008_F.pdf[3] BIPM, Vocabulaire international de mtrologie Concepts fondamentaux et gnraux et termes associs (VIM), 3e dition, JCGM 200 : 2012, Paris : BIPM, 2012.http://www.bipm.org/utils/common/documents/jcgm/JCGM_200_2012.pdf[4] J. Taylor, Incertitudes et analyse des erreurs dans les mesures physiques, Paris : Dunod, 2000 (pour la traduction franaise).[5] DEGSCO, Mesures et incertitudes, MEN/DEGSCO, mai 2012.http://media.eduscol.education.fr/file/Mathematiques/07/0/LyceeGT_ressources_MathPC_Mesure_et_incertitudes_ eduscol_214070.pdf[6] R. Moreau, Mesures, erreurs et incertitudes en physique-chimie , in Actes de luniversit dt de juillet 2011, Cachan, 2011.http://ead.univ-angers.fr/~capespc/physique/generalites/mesureserreursincertitudes_moreau2.pdf[7] B. N. Taylor, C. E. KuyaTT, Guidelines for Evaluating and Expressing the Uncertainty of NIST Measurement Results, NIST Technical Note 1297, Gaithersburg, 1994.http://www.nist.gov/pml/pubs/tn1297/index.cfmRfrences bibliographiqueshttp://www.bipm.org/utils/common/documents/jcgm/JCGM_100_2008_F.pdfhttp://www.bipm.org/utils/common/documents/jcgm/JCGM_200_2012.pdfhttp://media.eduscol.education.fr/file/Mathematiques/07/0/LyceeGT_ressources_MathPC_Mesure_et_incertitudes_eduscol_214070.pdfhttp://media.eduscol.education.fr/file/Mathematiques/07/0/LyceeGT_ressources_MathPC_Mesure_et_incertitudes_eduscol_214070.pdfhttp://ead.univ-angers.fr/~capespc/physique/generalites/mesureserreursincertitudes_moreau2.pdfhttp://www.nist.gov/pml/pubs/tn1297/index.cfmSommaireErratum1 Eau et environnement2 Eau et ressources3 Eau et nergie4 metteurs et rcepteurs sonores5 Instruments de musique6 Son et architecture7 Cycle de vie des matriaux8 Structure et proprits des matriaux9 Nouveaux matriauxPages Bac : exercices et TPvaluation des incertitudes de mesure

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