QCM physique chimie.
Concours Puissance 11, Fesic 2017 .

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Exercice1. Onde sonore.
Deux microphones M1 et M2 distants de L = 2,00 m sont reliés respectivement aux voies 1 et 2 d'un oscilloscope. Un émetteur (E) est placé entre les deux microphones. A l'instant t=0, il commence à émettre une onde sonore qui se propage vers les deux microphones. Les oscillogrammes obtenus sont représentés. La durée de balayaage de l'oecilloscope est égale à 2 ms / div.

Célérité du son dans l'air : c = 340 m /s.
a. L'onde sonore est une onde mécanique longitudinale. Vrai.
b. La longueur d'onde de l'onde sonore est l = 0,34 m. Faux.
l = cT avec T = 2 ms = 2 10-3 s.
l = 340 x2 10-3 = 0,68 m.
c. L'émetteur est à 0,49 m du microphone M1. Vrai.
Retard de 2 par rapport à 1 : 3 ms.
Distance parcourue par l'onde en 3 ms : 340 x 3 10-3 = 1,02 m.
M1E + M2E = 2,00 ; M2E = M1E +1,02.
2M2E = 2+1,02 ; M2E = 1,51 m ; M1E = 0,49 m.
d. L'onde émise atteint plus rapidement les microphones si on double la fréquence. Faux.

Exercice 2. Différencier les molécules organiques par spectroscopie.
Le spectre RMN est celui de l'une des trois molécules A, B ou C suivantes.

a. La molécule B se nomme propanoate de méthyle. Vrai.
b. A, B et C sont isomères. Vrai.
Elles ont la même formule brute C4H8O2 et des formules semi-développées différentes.
c. Le triplet à 1,3 ppm correspond à un groupe de protons équivalents possédant trois protons voisins. Faux.
d. Le spectre RMn est celui de la molécule B. Faux
.
Exercice 3. Disques optiques et diffraction.
La capacité de stockage des disques est limitée par les phénomènes de diffraction. Pour augmenter cette capacité, il convient de diminuer le diamètre d du faisceau laser qui lit le disque.Ce diamètre dépend de la longueur d'onde l de la radiation et de l'ouverture numérique ( ON) qui caractérise le système optique, selon la loi d = 1,22 l / ON.
Les données sont gravées sur le disque sur une piste en forme de spirale, entre les rayons Rmin = 20 mm et Rmax = 60 mm. Cette piste part de l'intérieur du disque, à partir du rayon Rmin, en progressant vers l'extérieur jusqu'à un rayon Rmax. A chaque tour la spirale se décale d'une distance e, nommée pas de la spirale. Sur la vue ci-dessous, c'est la distance constante entre deux "rangées" consécutives. La longueur L de la spirale est L ~ p /e (R2max-R2min).

Caractéristiques des différents disques optiques.
CD : l = 780 nm ; ON = 0,45 ; e = 1,6 µm.
DVD : l = 650 nm ; ON = 0,60 ; e = 0,74 µm.
Blu-ray : l = 405 nm ; ON = 0,85 ; e = 0,32 µm.
1,22 x7,8 / 4,5 ~2,1 ; 1,22 x4,5 / 7,8 ~0,70 ; 1,22 x6,5 /6,0 ~1,3 ; 1,22 x8,5 /4,05 ~2,6 ;
1,22 x6 / 6,5 ~1,1 ; 1,22 x4,05 /8,5 ~0,58.
a. Le phénomène de diffraction se manifeste si le diamètre de l'ouverture du laser est supérieur à la longueur d'onde de la radiation. Faux.
Le phénomène de diffraction se manifeste si le diamètre de l'ouverture du laser est du même ordre de grandeur que la longueur d'onde de la radiation.
b. Le diamètre du faisceau laser du Blu-ray est environ égal à 0,58 µm. Vrai.
d = 1,22 l / ON = 1,22 x 405 10-9 / 0,85 m ou 1,22 x0,405 /0,85 µm soit 0,58 µm.
c. Quelque soit le format du disque utilisé, le faisceau n'éclaire qu'une seule ligne à la fois. Vrai.
d. La différence de longueur de piste entre celle du Blu-ray et celle du CD est environ égale à 25 km. Vrai.
Différence de longueur =
p  (R2max-R2min) ( 1 /e1-1/e2) ~3,14 (0,062-0,022) (1/0,32 -1 /1,6) 106
~3,14 (36-4) (1,6-0,32) /(1,6 x0,32) 102 ~3,14 x1,28 x104 / 1,6~2,5 104 m soit 25 km..

Exercice 4.  Chute libre.
Une balle de masse m est lancée d'une hauteur h = 1,5 m, avec une vitesse initiale v0, inclinée d'un angle a par rapport à l'horizontale, dans le champ de pesanteur terrestre supposé uniforme. On note vx la composante du vecteur vitesse sur l'axe Ox horizontal, et vy sa composante sur l'axe Oy vertical orienté vers le haut.

a. La valeur de la vitesse initiale est v0 = 4,0 m /s. Faux.
v02 = vx02 +vy02 = 22 +22 = 8 ; v0 ~28 m/s.
b. L'angle a mesure 45°. Vrai.
tan a
vy0 / vx0= 1.
c. Au sommet de la trajectoire, la balle a une vitesse nulle. Faux.
Seule la composante vy est nulle au sommet.
d. A l'instant t = 0,20 s, la balle est à nouveau à la hauteur h. Faux.
vy (t=0,2) = 0 ; la balle est au sommet de la trajectoire.
....

.....
Exercice 5. Le spectrophotomètre.
Le colorant bleu patenté E131 présente dans son spectre d'absorption une absorbance maximum pour un faisceau de longueur d'onde l = 660 nm. Le diagramme simplifié des niveaux d'énergie de l'atome X  considéré est donné.

a. Lors d'une désexcitation, un atome X émettant la radiation de longueur d'onde 660 nm perd une énergie d'environ 1,9 eV. Vrai.
E = h c / l = 6,6 10-34 x 3 108 /(6,60 10-7)=3 10-19 J
3 10-19 / (1,6 10-19) ~1,9 eV.
K'atome X reçoit dans son état fondamental une radiation dont le quantum d'énergie vaut 3,0 eV.
b. La radiation n'est pas absorbée par l'atome. Vrai.
-5 +3 = -2, ce n'est pas l'énergie d'un niveau d'énergie de l'atome X.
Le colorant E131 est utilisé par l'industrie alimentaire. On choisit la spectroscopie pour savoir si un ennfant de 50 kg peut consommer deux paquets de bonbons sans dépasser la dose journalière admissible ( DJA) en colorant E131 qui colore les bonbons. l'unité de la DJA  est le mg par kg de masse corporelle par jour.
On extrait le colorant d'un bonbon en mettant ce dernier dans un bécher avec  20 mL d'eau sur un agitateur magnétique chauffant. On transvase la solution dans une fiole jaugée de 50 mL et on complète avec de l'eau distillée jusqu'au trait de jauge. Afin d'obtenir une courbe d'étalonnage, on mesure l'absorbance de 5 échantillons de concentrations connues en colorant E131 à la longueur d'onde de 660 nm.

Toujours à la même longueur d'onde, on place dans le spectrophotomètre la solution préparée contenant le colorant. On mesure une absorbance A = 0,80.
c. La masse de colorant dans l'échantillon est égale à 4,6 mg. Faux.
8 µmol /L soit 8 x50 / 1000 = 0,4 µmol dans 50 mL
M(E131) = 1160 g/mol ; m = 0,4 10-3 x1160 = 0,46 mg.

d. La DJA = 2,5 mg / kg j n'est pas dépassée si l'enfant mange deux paquets de 50 bonbons par jour. Vrai.
masse maximale journalière : 2,5 x50 = 125 mg ; masse de colorant dans 100 bonbons :100 x0,46 = 46 mg

Exercice 6. Acidité d'un lait.
Un lait frais ne contient pas d'acide lactique ( noté HA). Au cours du temps une partie du lactose se transforme en acide lactique C3H6O3. L'acidité augmente quand le lait est moins frais. On souhaite vérifier la fraicheur d'un lait en réalisant un titrage pHmétrique de Va = 20,0 mL de ce lait par une solution de soude de concentration Cb = 5,00 10-2 mol/L

a. La transformation servant de support à ce titrage doit être limitée. Faux.
b. A l'équivalence, tout l'acide lactique initialement présent a été consommé par les ions hydroxyde. Vrai.
c. La concentration en acide lactique dans le lait est Ca = 0,30 mol/L. Faux.
CaVa = Cb Véq ;
Ca = Cb Véq /Va = 0,05 x12 / 20 = 0,030 mol/L.
Un lait est frais si son acidité est inférieure à 18°D. 1°D correspond à 0,10 g d'acide lactique dans un litre de lait.
d. Le lait dosé est frais. faux.
M(acide lactique) = 3 x12 + 6+3x16 = 90 g/mol ; 0,03 x90 = 2,7 g/L soit 27°D.




Exercice 7. Catalyse dans un bain-marie
On cherche à étudier l'influence de la température sur la transformation chimique ayant lieu entre le zinc et l'acide chlorhydrique.
Zn(s) +2H+aq ---> Zn2+aq + H2(g).
La moitié du mélange est laissé à température ambiante et l'autre moitié est placée dans un bain-marie à 50°C.
Un volume d'eau V = 2,0 L est introduit dans le bain-marie à 20°C. La puissance de la résistance chauffante est P = 2,0 kW. Ceau ~ 4 kJ kg-1 °C-1.
a. La durée du chauffage pour atteindre 50°C est de 2 minutes. Vrai.
Q = m ceau Dq = 2 x4x(50-20) = 240 kJ ; durée = Q / P =240 / 2 = 120 s = 2 minutes.
Un capteur de pression permet de suivre l'évolution des deux  transformations au cours du temps. On a tracé l'évolution de l'avancement x au cours du temps à température ambiante.

b. La réaction entre le zinc et l'acide chlorhydrique est une réaction d'oxydo-réduction. Vrai.
c. Le temps de demi-réaction t½ à température ambiante est environ 40 min. Vrai.
d. à 0 50°C, l'avancement x(t½) est supérieur à 4 mmol. Faux.
A t½, l'avancement est égal à la moitié de l'avancement final 8 mmol.

Exercice 8. Chute verticale d'une bille lâchée sans vitesse initiale dans un fluide visqueux.




a
. Les courbes associées à leurs énergies respectives sont :
courbe 1 : Ep ; courbe 2 : Ec ; courbe 3 : Em. Vrai.
L'énergie potentielle diminue  ; l'énergie cinétique croît puis devient constante ; Em = Ep+Ec.
b. La masse de la bille est environ 100 g. Vrai.
Energie cinétique finale : 0,25 J ; vitesse finale v ~2,2 m /s ; m = 2Ec / v2 ~0,5 / 2,22 ~0,1 kg.
c. Après une durée de chute de 0,8 s, les forces agissant sur la bille se compensent. Vrai.
La valeur de la vitesse est consatnte ; le mouvement est uniforme.
d. Entre 0,7 s et 0,8 s le travail des forces de frottement est égal à -0,25 J. Vrai.
L'énergie cinétique est pratiquement constante.
Le travail du poids est moteur et égal à l'opposé de la diminution de l'énergie potentielle : 0,25 J.
Le théorème de l'énergie cinétique entre ces deux dates conduit à : 0 ~ 0,25 +Wfrottement .










Exercice 9. Synthèse du bénorilate.

a. L'acide salicylique est liquide à température ambiante. Faux.
Sa température de fusion est égale à 158°C.
b. La réaction de synthèse du bénorilate n'est pas une réaction sélective. Vrai.
On introduit dans un ballon un mélange stoechiométrique d'aspirine ( m1 =36,0 g) et de paracétamol (masse m2) et l'on y ajoute quelques gouttes d'acide sulfurique concentré ( catalyseur ). On chauffe à reflux pendant 30 minutes. Après ce chauffage, on sépare le bénorilate et on le purifie. Après séchage, on obtient une masse m3 de bénorilate égale à 31,3 g.
c. m2 = 30,2 g. Vrai.
M(paracétamol) = 151 g/mol ; M(aspirine) =180 g/mol.
n(aspirine) = n(paracétamol) ; 36,0 / 180 =0,2= m2 / 151 ; m2 = 151 x0,2 = 30,2 g.
d. Le rendement de la réaction est d'environ 60 %. Faux.
M(bénorilate) = 313 g/mol.
Masse théorique de bénorilate = 0,2 x313 = 62,6 g.
Rendement = masse réelle / masse théorique = 31,3 / 62,6 = 0,5 ( 50 %).

Exercice 10. Transmission d'un signal par fibre optique.
L'atténuation est donnée par la relation : A(dB) = 10 log( Pémise / Preçue). On donne log 2 ~ 0,3.

a. Pour une puissance reçue correspondant à 1 % de la puissance émise, l'atténuation serait A = 10 dB. Faux.
Preçue / Pémise = 0,01 ; A = 10 log (1/0,01) = 10 log 100 = 10 x2 = 20 dB.
Lors d'une mesure effectuée entre deux points distants de 6 km, on constate que l'atténuation est A = 1,2 dB.
b.  Avec un laser de longueur d'onde l = 1,4 µm, l'atténuation serait inférieure à 1,2 dB. Faux.
Atténuation : 0,5 dB / km soit 0,5 x6 = 3 dB.
c. La longueur d'onde de  la lumière laser utilisée lors de la mesure est environ 1,55 µm. Vrai.
1,2 / 6 = 0,2 dB / km.
d. Après 6 km, la puissance reçue représente 80 % de la puissance émise. Faux.
A = 10 log (1 / 0,8) = -10 log (8 /10)= -10 log (23 /10)= -30 log 2  +10 ~ -30 x0,3 +10 ~1 dB, valeur différente de 1,2 dB.

Exercice11. L'essence de lavande.
L'essence naturelle contient environ 200 espèces chimiques dont le linalol et l'éthanoate de linalyle.
La déshydratation du linalol conduit à la formation  d'eau et d'un mélange de trois composés A, B et C.

a. La réaction de déshydratation est une élimination. Vrai.
b. A et C sont diastéréoisomères. Vrai.
Isomérie de type Z / E.
A partir de chacune des molécules A, B et C, l'addition de dihydrogène à haute température en présence d'un catalyseur conduit au même composé D ne comportant que des liaisons simples.
c. D est le 2,6-diméthyloctane. Vrai.

Une masse m d'éthanoate de linalyle peut être synthétisé à partir de 0,50 mol de linalol et 0,20 mol d'anhydride éthanoïque par une réaction d'estérification totale.
d. La masse d'éthanoate de linalyle obtenue est égale à 39,2 g. Vrai.
On obtient 0,20 mol d'acétate de linalyle, l'anhydride étant en défaut.
M( acétate de linalyle) = M(C12H20O2) =196 g/mol ; 0,2 x196 = 39,2 g.

Exercice 12.
Maison sans étage de surface habitable 100 m2, dans une région où la température de l'air extérieur est en moyenne égale à  5°C.
Bilan des transferts thermiques dans la maison sur une journée :
Murs extérieurs : 57 MJ ; sol : 38 MJ ; combles : 25 MJ ; vitres : 8,6 MJ.
2,4 x3,6 ~8,6 ; 12 /5 = 2,4.
a. La résistance thermique s'exprime en W K-1. Faux. ( K W-1).
Un poêle à bois essaye de combler les pertes énergétiques dues aux vitres, au sol, aux combles, aux murs  extérieurs et maintient la température de la maison constante à 20°C. Cela est possible à condition que ce poêle fournisse chaque jour une énergie Efournie .
b. Efournie = 1,3 102 MJ. Vrai.
57 +38 +25 +8,6 =128,6 MJ
c. La conductivité thermique des vitres est lvitre = 0,016 W m-1 K-1. Vrai.
Surface des vitres S =15 m2 ; épaisseur e = 3,6 cm. Rsol = 0,020 K W-1. ; Rcombles =0,05 K W-1 ;  Rvitres = e / (lS) =3,6 10-2 /(15 l) .
DT = 20-5 = 15 K ; F = Efvitre / durée en seconde = 8,6 106 /(24 x3600)~8,6 102 / 8,6 ~1,0 102 W.
Rvitre =DT / F= 15 / (1,0 102) =0,15  K W-1.
lvitre =3,6 10-2  /(0,15 x15) =0,016 W m-1 K-1.
On dit qu'une maison est passive lorsque les besoins de chauffage sont inférieurs à 54 MJ par m2 habitable et par an. La période de chauffage avec ce poêle est d(environ 100 jours.
d. La maison étudiée est passive. Faux.
1,3 102x100 = 1,3 104 MJ pour 100 m2 et par an soit 1,3 102 MJ par m2 et par an.


Exercice 13. Transformations en chimie organique.
Les bromoalcanes R-Br réagissent avec les ions hydroxyde selon une réaction pour mener à la formation d'un alcool R-OH et d'un ion bromure.
a. Cette réaction est une réaction d'addition. Faux.
Substitution du brome par le groupe hydroxyle.
b. Dans une liaison chimique, l'atome portant une charge partielle d- est l'atome le plus électronégatif. Vrai.
c. Lors de la rupture d'une liaison, la flèche courbe part de l'atome riche en électrons ( ou donneur de doublet d'électrons). Vrai.
Un chimiste propose le mécanisme suivant pour la réaction de saponification des esters :

d. La flèche courbe de la seconde étape est bien orientée. Vrai.

Exercice 14. Propulsion par réaction.
On se place dans le référentiel terrestre pour l'étude du décollage d'une fusée.
Débit d'éjection des gaz au décollage : D = 3,0 103 kg /s.
Vitesse d'éjection des gaz au décollage vg = 4,0 km /s.
Masse de la fusée 8 102 tonnes.
A la date t=0, le système fusée +gaz, supposé pseudo-isolé, est immobile.
a. Un système pseudo-isolé n'est soumis qu'à son poids. Faux.
Lorsque les forces appliquées au système se compensent, ce dernier est pseudo-isolé.
b. D'après la seconde loi de newton, si un système est pseudo-isolé alors sa quantité de mouvement est nulle. Faux.
La quantité de mouvement d'un système pseudo-isolé se conserve.
On considère que la masse de gaz éjectée est négligeable devant la masse de la fusée et que, par conséquent cette dernière n'a pas varié à la date t = 1 s.
c. La vitesse de la fusée à la date t = 1 s est égale à 10 m /s. Faux.
Quantité de mouvement du système avant décollage : zéro.
Quantité de mouvement du système à la date t = 1 s.

3,0 103 x4,0 103 / (8 105)=12/0,8 =15 m/s.
En réalité le système n'est pas pseudo-isolé. A la date t = 1s, la force de poussée a pour norme F  = D Vg et l'intensité de la pesanteur g = 10 m s-2.
d. A cet instant l'accélération du système vaut 5 m s-2. Vrai.
La seconde loi de Newton conduit à : accélération = poussée / masse de la fusée -g = 12 106 / (8 105)-10 =
5 m s-2.

Exercice 15. Niveau sonore et numérisation.
La note jouée par un instrument de musique avec une intensité sonore I est enregistrée par un détecteur qui est relié à un ordinateur. les oscillogrammes correspondant au son enregistré et au signal numérisé sont donnés.

a. La note jouée est un Do2 de fréquence 130,81 Hz. Faux.
T = 4,6 10-3 s ; f =1 / T = 103 / 4,6 ~2,2 102 Hz.
b. Le pas de quantification est de 0,2 mV. Faux.
pas = 3 petits carreaux  = 0,6 mV.
c. La fréquence d'échantillonnage est de 5 kHz. Vrai.
Te = un petit carreau = 0,2 ms = 2 10-4 s ; fe = 1 /(2 10-4) = 5 103 Hz.
La même note est jouée par dix instruments identiques dans les mêmes conditions que précédemment.
d. Le niveau sonore est dix fois plus élevé. Faux.
L'intensité sonore est multipliée par 10 et le niveau sonore croît de 10 log 10 = 10 dB.

Exercice 16. Satellite artificiel de la terre.
On s'intéresse à un satellite S de masse m = 500 kg qui décrit une trajectoire circulaire autour de la terre. Il se situe à une altitude h = 270 km par rapport à la surface de la terre.
Raccone carrée (60)~8 ; G = 6,67 10-11 SI ; rayon de la terre R = 6,40 103 km ; masse de la terre M = 6,00 1024 kg.
a. La force exercée par la terre sur ce satellite a pour norme F=GmM /h2. Faux.
F = GmM  / (R+h)2.
b. Le rayon de son orbite est égal à 6,67 103 km. Vrai.
6,4 103 +270 =
6,67 103 km.
c. La vitesse de ce satellite est de 80 km /s. Faux.
 V = (GM  / (R+h))½  =(6,67 10-11 x 6,00 1024 / (6,67 106))½=(60 106)½ ~8 103 m/s.
d. Si on double le rayon de l'orbite, alors on quadruple la période de révolution. Faux.
3è loi de Kepler : T2 / a3 = constante.
a'3 = 23 a3 =8a3 ; T'2 = 8 T2 ; T' ~2,8 T.



  

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