Correction Examen 2021 Rattrapage PC

Correction Examen PC – Session Rattrapage 2021 (BIOF)

Correction de l’examen national de Physique Chimie

Section Sciences Expérimentales – Option Physique Chimie BIOF

Session de rattrapage 2021

Exercice 1 (7 points)

Partie 1 : Étude d’une solution aqueuse d’acide méthanoïque

I – Dosage

1. Noms des éléments numérotés

1 → pH-mètre

2 → burette

3 → Solution aqueuse \(S_a\) d’acide méthanoïque (solution titrée)

4 → Solution aqueuse \(S_b\) d’hydroxyde de sodium (solution titrante)

2. Équation de la réaction du dosage

\(AH_{(aq)} + HO^-_{(aq)} \rightarrow A^-_{(aq)} + H_2O_{(\ell)}\)

3. Détermination graphique de \(V_{bE}\)

\(V_{bE} = \boxed{15 \text{ mL}}\)

4. Déduction de \(C_a\)

\(C_a V_a = C_b V_{bE} \Rightarrow C_a = \dfrac{C_b V_{bE}}{V_a} = \dfrac{10^{-1} \times 15}{15} = \boxed{10^{-1} \text{ mol.L}^{-1}}\)

II – Étude de la solution \(S_a\)

1. Équation de réaction avec l’eau

\(AH_{(aq)} + H_2O_{(\ell)} \rightleftharpoons A^-_{(aq)} + H_3O^+_{(aq)}\)

2.1. Expression du rapport des concentrations

État\(AH\)\(H_2O\)\(A^-\)\(H_3O^+\)
Initial\(C_a V\)Excès00
Final\(C_a V – x_f\)Excès\(x_f\)\(x_f\)
\([A^-] = [H_3O^+] = \dfrac{x_f}{V} = 10^{-pH}\)
\([AH] = \dfrac{C_a V – x_f}{V} = C_a – 10^{-pH}\)
\(\dfrac{[A^-]}{[AH]} = \dfrac{10^{-pH}}{C_a – 10^{-pH}}\)

A.N. : \(\dfrac{[A^-]}{[AH]} = \dfrac{10^{-2,38}}{10^{-1} – 10^{-2,38}} \approx \boxed{4,35 \times 10^{-2}}\)

2.2. Espèce prédominante

\(\dfrac{[A^-]}{[AH]} < 1 \Rightarrow [A^-] < [AH]\)

L’espèce prédominante est l’acide \(AH\).

3. Valeur du \(pK_A\)

\(pH = pK_A + \log\dfrac{[A^-]}{[AH]} \Rightarrow pK_A = pH – \log\dfrac{[A^-]}{[AH]} = 2,38 – \log(4,35\times10^{-2}) \approx \boxed{3,74}\)

III – Influence de la dilution sur \(\tau\)

1. Expression de \(\tau\)

\(\tau = \dfrac{x_f}{x_{max}} = \dfrac{10^{-pH} \cdot V}{C \cdot V} = \dfrac{10^{-pH}}{C}\)

2. Complétion du tableau

Solution\(S_1\)\(S_2\)
pH2,83,6
\(\tau\)10 %45 %
\(C\) (mol.L\(^{-1}\))\(1,58 \times 10^{-2}\)\(5,58 \times 10^{-4}\)

3. Influence de la dilution

\(C_1 > C_2\) et \(\tau_2 > \tau_1\) : plus la dilution augmente, plus \(\tau\) augmente.


Partie 2 : Étude de la pile nickel-argent

1. Électrode où se produit l’oxydation

L’oxydation se produit à l’anode (pôle –) : électrode de nickel Ni.

2. Équation bilan de la réaction

Anode : \(Ni_{(s)} \rightleftharpoons Ni^{2+}_{(aq)} + 2e^-\)
Cathode : \(2Ag^+_{(aq)} + 2e^- \rightleftharpoons 2Ag_{(s)}\)
\(2Ag^+_{(aq)} + Ni_{(s)} \rightarrow Ni^{2+}_{(aq)} + 2Ag_{(s)}\)

3. Durée \(\Delta t_{max}\)

État\(2Ag^+\)\(Ni\)\(Ni^{2+}\)\(2Ag\)
\(t=0\)\(C_2 V\)\(n_0(Ni)\)\(C_1 V\)0
\(t=t_f\)\(C_2 V – 2x_{max}\)\(n_0(Ni) – x_{max}\)\(C_1 V + x_{max}\)\(2x_{max}\)

Le nickel est le réactif limitant : \(x_{max} = \dfrac{m}{M(Ni)}\)

\(n_{max}(e^-) = 2x_{max} = \dfrac{I \Delta t_{max}}{F} \Rightarrow \Delta t_{max} = \dfrac{2mF}{I \cdot M(Ni)}\)

A.N. : \(\Delta t_{max} = \dfrac{2 \times 0,587 \times 96500}{60\times10^{-3} \times 58,7} = 32166,67 \text{ s} \approx \boxed{8,94 \text{ h}}\)

4. Concentration des ions \(Ni^{2+}\)

\([Ni^{2+}] = C_1 + \dfrac{x_{max}}{V} = C_1 + \dfrac{m}{M(Ni) \cdot V}\)

A.N. : \([Ni^{2+}] = 0,2 + \dfrac{0,587}{58,7 \times 0,600} \approx \boxed{0,217 \text{ mol.L}^{-1}}\)


Exercice 2 (2 points) – Ondes sonores

1. Répondre par vrai ou faux

a- Faux

b- Vrai

c- Faux

d- Vrai

2.1. Célérité de l’onde

\(\Delta t = K \cdot d\)

\(K = \dfrac{(0,08 – 0,02)\times10^{-3}}{(40 – 10)\times10^{-2}} = 2\times10^{-4} \text{ s.m}^{-1}\)
\(\nu = \dfrac{d}{\Delta t} = \dfrac{1}{K} = \dfrac{1}{2\times10^{-4}} = \boxed{5000 \text{ m.s}^{-1}}\)

2.2. Nature du métal

La célérité \(\nu = 5000 \text{ m.s}^{-1}\) correspond à l’aluminium.


Exercice 3 (2,5 points) – Désintégration du phosphore 32

1. Équation de désintégration

\(^{32}_{15}P \rightarrow {}^{A}_{Z}X + {}^{0}_{-1}e\)
\(\begin{cases} 32 = A + 0 \\ 15 = Z – 1 \end{cases} \Rightarrow \begin{cases} A = 32 \\ Z = 16 \end{cases}\)

\(^{32}_{15}P \rightarrow \boxed{^{32}_{16}S} + {}^{0}_{-1}e\)

2.1. Expression de \(\ln N\)

\(N = N_0 e^{-\lambda t} \Rightarrow \ln N = \ln N_0 – \lambda t\)

2.2. Déduction de \(\lambda\)

La courbe \(\ln N = f(t)\) est affine : \(\ln N = K t + b\)

\(K = \dfrac{33 – 23,3}{0 – 200} = -0,0485 \text{ jours}^{-1}\)
\(-\lambda = K \Rightarrow \lambda = 0,0485 \text{ jours}^{-1}\)

2.3. Déduction de \(t_{1/2}\)

\(t_{1/2} = \dfrac{\ln 2}{\lambda} = \dfrac{\ln 2}{0,0485} \approx \boxed{14,3 \text{ jours}}\)

3. Activité \(a_1\) à \(t_1 = 28,58 \text{ jours}\)

\(a_1 = a_0 e^{-\lambda t_1} = \dfrac{\lambda m_0 N_A}{M} e^{-\lambda t_1}\)

A.N. : \(a_1 = \dfrac{0,0485 \times 10^{-5} \times 10^{-3} \times 6,02\times10^{23}}{32} \times e^{-0,0485 \times 28,58} \approx \boxed{2,28 \times 10^{12} \text{ Bq}}\)


Exercice 4 – Dipôles RC, RL et oscillations RLC

I. Réponse d’un dipôle RC

1. Valeur de \(R_1\)

À \(t=0\), \(u_C(0) = 0\) et \(i(0) = 50 \text{ mA}\)

\(R_1 = \dfrac{E}{i(0)} = \dfrac{6}{50\times10^{-3}} = \boxed{120 \ \Omega}\)

2. Équation différentielle en \(i\)

\(i + R_1 C \dfrac{di}{dt} = 0\)

3. Expression de \(\tau\)

\(\tau = R_1 C\)

4. Détermination graphique de \(\tau\) et \(C\)

\(\tau = 12 \text{ ms}\)

\(C = \dfrac{\tau}{R_1} = \dfrac{12\times10^{-3}}{120} = 10^{-4} \text{ F} = \boxed{100 \ \mu\text{F}}\)

II. Réponse d’un dipôle RL

2. Équation différentielle

\(\dfrac{di}{dt} + \dfrac{R_2 + r}{L} i = \dfrac{E}{L}\)

3. Expression de \(I_p\)

\(I_p = \dfrac{E}{R_2 + r}\)

4. Valeur de \(r\)

Graphiquement \(I_p = 60 \text{ mA}\)

\(r = \dfrac{E}{I_p} – R_2 = \dfrac{6}{60\times10^{-3}} – 95 = \boxed{5 \ \Omega}\)

5. Montrons que \(L = 0,51 \text{ H}\)

Graphiquement \(\tau = 5,1 \text{ ms}\)

\(L = \tau(R_2 + r) = 5,1\times10^{-3} \times (95 + 5) = \boxed{0,51 \text{ H}}\)

III. Oscillations libres dans un circuit RLC série

1. Affectation des courbes

La courbe (a) correspond à \(R_3 = \boxed{10 \ \Omega}\) (amortissement le plus faible).

2. Pseudopériode \(T\) et période propre \(T_0\)

\(T = 45 \text{ ms} = 4,5 \times 10^{-2} \text{ s}\)

\(T_0 = 2\pi\sqrt{LC} = 2\pi\sqrt{0,51 \times 100\times10^{-6}} \approx 4,49\times10^{-2} \text{ s}\)

\(T \approx T_0\)

3. Énergie dissipée entre \(t_1\) et \(t_2\)

\(E_{th} = E_T(t_1) – E_T(t_2) = 1,80 – 1,26 = \boxed{0,54 \text{ mJ}}\)

Exercice 5 (3 points) – Mouvement d’un solide dans le champ de pesanteur

1. Équations différentielles en \(v_x\) et \(v_y\)

\(\dfrac{dv_x}{dt} = 0 \quad ; \quad \dfrac{dv_y}{dt} = -g\)

2. Expressions de \(v_x(t)\) et \(v_y(t)\)

\(v_x(t) = v_0 \cos\alpha\)
\(v_y(t) = -g t + v_0 \sin\alpha\)

3.1. Accélération de la pesanteur

La courbe \(v_y = f(t)\) est affine : \(v_y = Kt + b\)

\(K = \dfrac{6 – 0}{0 – 0,6} = -10 \text{ m.s}^{-2}\)
\(-g = K \Rightarrow \boxed{g = 10 \text{ m.s}^{-2}}\)

3.2. Angle \(\alpha\)

\(\tan\alpha = \dfrac{v_{0y}}{v_{0x}} = \dfrac{6}{69,7} \Rightarrow \alpha \approx \boxed{4,92^\circ}\)

3.3. Vitesse \(v_0\)

\(v_0 = \sqrt{v_{0x}^2 + v_{0y}^2} = \sqrt{69,7^2 + 6^2} \approx \boxed{69,96 \text{ m.s}^{-1}}\)

4. Vitesse au point E

Au point E : \(x_E = D = 80 \text{ m}\)

\(t_E = \dfrac{D}{v_{0x}} = \dfrac{80}{69,7} \text{ s}\)
\(v_{Ey} = -g t_E + v_{0y} = -10 \times \dfrac{80}{69,7} + 6 \approx -5,48 \text{ m.s}^{-1}\)
\(v_E = \sqrt{v_{0x}^2 + v_{Ey}^2} = \sqrt{69,7^2 + (-5,48)^2} \approx \boxed{69,92 \text{ m.s}^{-1}}\)

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