Aurélie 09/09/13
 

 

Téléphone mobile, combustion du butane, photon UV, Bac STI2D et STL SPCL Métropole 2013.

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Partie C.
Le téléphone mobile.
Maurice souhaite comprendre la signification des caractéristiques et le fonctionnement de son téléphone mobile. C'est un smartphone, quadri-bande (850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz et 1900 MHz), disposant d'une coque munie d’une batterie et d’un panneau solaire photovoltaïque.
Calculer la longueur d'onde l de l'onde électromagnétique porteuse si sa fréquence vaut f = 1820 MHz du téléphone mobile.
On donne la célérité de la lumière dans le vide : c = 3,00×108 m.s-1.
l = c / f =
3,00×108 / (1820 x106) =0,165 m.
Indiquer à quel domaine du spectre électromagnétique appartient ce rayonnement. Justifier le fait que certains scientifiques disent qu'une utilisation prolongée du téléphone mobile peut s'accompagner d’effets indésirables.

Une exposition prolongée du cerveau, en particulier de personnes jeunes, aux micro-ondes peut s'accompagner d'effets indésirables.
 Quel est, d'après l'annexe C2, le nom de l'opérateur téléphonique de Maurice.

La fréquence 1820 MHz est allouée à l'opérateur Orange.
À partir du document réponse DR6, préciser ce que représente les indications 5,5 V / 120 mA figurant sur la documentation du panneau solaire.

 5,5 V est la tension aux bornes du panneau solaire en circuit ouvert ; 120 mA est l'intensité du courant de court-circuit..
 À partir de la caractéristique tension-intensité U = f(I) du panneau solaire, préciser la zone où le panneau solaire se comporte comme un générateur de tension.
Dans la zones n°1 la tension est pratiquement constante : le panneau solaire se comporte en générateur de tension.
 Dans quelle zone le panneau solaire fournit-il une puissance maximale Pmax. Justifier la réponse et estimer la valeur de Pmax.
Le produit UI doit être le plus grand possible, ce qui correspond à la zone 2.
Pmax = 5*0,110 = 0,55 ~0,5 W.

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La combustion du butane.
Pour chauffer de l'eau en vue de préparer un thé ou un café, Maurice prévoit d'emporter avec lui un réchaud à gaz qui utilise une cartouche de gaz contenant du butane sous pression. Il souhaite savoir quelle masse d'eau pourrait être chauffée avec une cartouche neuve.
Rappeler les risques d'utilisation de la cartouche de gaz.
Le butane est un gaz inflammable sous pression.
 Écrire l'équation de la réaction de combustion complète du butane C4H10 dans le dioxygène, s'il se forme uniquement du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau.
C4H10(g) + 6,5O2(g) ---> 4 CO2(g) + 5 H2O(l).
 Calculer l'énergie maximale Q que peut fournir tout le butane contenu dans une cartouche de gaz. Expliquer pourquoi on peut s'attendre à une énergie utile Q' inférieure à Q. Une cartouche de gaz contient 190 g de butane.
L'enthalpie de combustion du butane est égale à 49,51 MJ / kg.
Q =49,51*0,190 =9,41 MJ.
Q' sera inférieure à Q car une partie de cette énergie sert à chauffer le récipient contenant l'eau ainsi que l'air environnant.
Calculer la masse maximale d'eau m qu'il pourra chauffer de 15 °C à 100 °C avec le réchaud muni d’une cartouche de gaz neuve (pleine).
Données numériques : la capacité thermique massique de l'eau vaut c = 4,2 kJ.kg-1.°C -1, ce qui signifie que pour augmenter de 1 °C la températ ure d'1 kg d'eau (sans changement d'état), il faut fournir une énergie de 4,2 kJ.
Q = m c Dq  ; m = Q /(c Dq) = 9,41 106 /(4,2 103(100-15))=26,4 ~26 kg..
 



D. La santé et l'hygiène.
Le rayonnement ultraviolet (UV).
Ayant une peau très sensible au soleil, Maurice choisit de se protéger efficacement, tout en ayant un comportement éco-responsable quant au choix de sa protection solaire. Il vous demande de lui
fournir des informations et des explications concernant le rayonnement solaire et les différents types de crèmes solaires disponibles sur le marché.
Calculer l'énergie E1 d'un photon de longueur d'onde l1 = 350 nm (dans le vide) et préciser  le domaine dans lequel se situe le rayonnement correspondant et s'il est visible.
On rappelle que l'énergie transportée par un photon vaut E = h.n, où h = 6,63.10-34 J.s (constante de Planck), n désigne la fréquence en Hz.
La célérité de la lumière dans le vide, c, vaut 3,0.108 m.s-1.
E1 = hc / l1 = 6,63 10-34 *3,00 108 / (350 10-9) =5,68 10-19 J.
350 nm est une longueur d'onde appartenant au domaine ultra-violet, rayonnement invisible.
Calculer l'énergie E2 d'un photon de longueur d'onde l2 = 300 nm (dans le vide).
E2 = hc / l2 = 6,63 10-34 *3,00 108 / (300 10-9) =6,63 10-19 J.
D'après les calculs précédents, et pour une même intensité du rayonnement, indiquer en justifiant la réponse, lequel de ces rayonnements semble, a priori, le plus nocif.
Un rayonnement est d'autant plus nocif que sa fréquence est plus grande ( que sa longueur d'onde est plus courte ).
 L'annexe D2, modifie-t-elle le jugement apporté à la question D3. Justifier la réponse.

Effets biologiquesUVAUVB
Production de vitamine Dfaibleoui
Bronzage avec épaissement de l'épidermefaibleoui
Pigmentation immédiate de la peau ( sauf phototypes I et II )ouinon
Coup de soleilfaibleoui
Dommage à l'ADNouioui
Cancers cutanésouioui
Vieillessement cutanéouioui
Effet sur l'oeil ( cataracte...)ouioui
300 nm appartient aux UVB et 350 nm aux UVA.
Le tableau ci-dessus indique que ces deux types de rayonnements présentes des dangers pour la santé.
Maurice s'interroge quant à la crème solaire à utiliser pour protéger la peau des rayonnements. Il souhaiterait utiliser de préférence une crème solaire "bio" dont l'impact sur l'environnement serait
minime. L'annexe D3 reproduit un extrait de presse sur les crèmes solaires.
Les crèmes solaires minérales dites "bio" qui agissent comme un écran physique : elles contiennent de fines particules ( ZnO, TiO2, talc...) qui réfléchissent les UV. Par le passé, ces crèmes étaient très difficiles à étaler, mais actuellement, l'utilisation de nanoparticules ( dont l'innocuité est contestée...) corrige ce défaut.
Les crèmes solaires organiques qui agissent comme un filtre chimique : elles contiennent des molécules organiques ( oxybenzone...) qui absorbent les UV, tout comme la mélanine produite ( avec un retard génant...) par notre organisme. Elles sont faciles à étaler sur la peau, incolores, mais sont ensuite difficiles à éliminer dans les stations d'épurations et dangereuses en cas d'ingestion.
Expliquer la différence de mode d'action entre les deux types de crèmes solaires et indiquer si la préférence de Maurice est justifiée.
Les crémes minérales agissent comme un écran réfléchissant les UV. Les crèmes organiques agissent en absorbant les UV.
Le choix de Maurice n'est pas justifié : on n'est pas certain de l'innocuité des nanoparticules.




  


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