Examen PC pour SVT 2026 NORMAl avec correction

Acide éthanoïque · Réactivité

Acide faible · Équilibre avec l’eau · Estérification (chauffage à reflux)

1. Définition d’un acide

Brønsted

Un acide selon Brønsted est toute espèce chimique (ionique ou moléculaire) susceptible de libérer au moins un proton \( \text{H}^+ \).

Donneur de proton.

Exemple : \( \text{CH}_3\text{COOH} \), \( \text{HCl} \), \( \text{NH}_4^+ \)

2. Réaction avec l’eau

Tableau d’avancement
\[ \text{CH}_3\text{COOH}_{(aq)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^-_{(aq)} + \text{H}_3\text{O}^+_{(aq)} \]
ÉtatAvanc. (mol)\( \text{CH}_3\text{COOH} \)\( \text{H}_2\text{O} \)\( \text{CH}_3\text{COO}^- \)\( \text{H}_3\text{O}^+ \)
Initial0\( C_A V \)Excès0≈0
Intermédiaire\( x \)\( C_A V – x \)Excès\( x \)\( x \)
Final (équilibre)\( x_f \)\( C_A V – x_f \)Excès\( x_f \)\( x_f \)
\( C_A \) : concentration initiale en acide, \( V \) : volume de la solution.

3. Taux d’avancement

τ < 100%
\[ \tau = \frac{x_f}{x_{\text{max}}} \times 100\% \]

Réaction totale : \( x_{\text{max}} = C_A V \) (acide limitant, eau excès).
À l’équilibre, \( x_f = [\text{H}_3\text{O}^+]_{\text{eq}} \times V = 10^{-\text{pH}} \cdot V \).

\[ \tau = \frac{10^{-\text{pH}}}{C_A} \times 100\% \]

Application numérique : pH = 3,37 ; \( C_A = 10^{-2} \ \text{mol·L}^{-1} \)

\[ \tau = \frac{10^{-3,37}}{10^{-2}} \times 100\% = 10^{-1,37} \times 100\% \approx 4,27\% \]
✅ \( \tau = 4,27\% < 100\% \) → réaction limitée, acide faible.

4. Quotient \( Q_{r,eq} \)

Constante d’acidité
\[ Q_{r,eq} = \frac{[\text{H}_3\text{O}^+]_{eq} [\text{CH}_3\text{COO}^-]_{eq}}{[\text{CH}_3\text{COOH}]_{eq}} \]

Avec \( [\text{H}_3\text{O}^+]_{eq} = [\text{CH}_3\text{COO}^-]_{eq} = 10^{-\text{pH}} \)
\( [\text{CH}_3\text{COOH}]_{eq} = C_A – 10^{-\text{pH}} \)

\[ Q_{r,eq} = \frac{10^{-2\text{pH}}}{C_A – 10^{-\text{pH}}} \]

AN : pH=3,37 ; \( C_A=10^{-2} \)

\[ Q_{r,eq} = \frac{10^{-6,74}}{10^{-2} – 10^{-3,37}} \approx \frac{1,82\times10^{-7}}{10^{-2} – 4,27\times10^{-3}} = \frac{1,82\times10^{-7}}{5,73\times10^{-3}} \approx 3,18\times10^{-5} \]

5. p\(K_A\) de l’acide

pKa = 4,72

À l’équilibre, \( K_A = Q_{r,eq} \). Ainsi :

\[ pK_A = -\log\left( \frac{10^{-2\text{pH}}}{C_A – 10^{-\text{pH}}} \right) \]

Application numérique :

\[ pK_A = -\log\left( \frac{10^{-2\times 3,37}}{10^{-2} – 10^{-3,37}} \right) = -\log\left( \frac{10^{-6,74}}{5,73\times10^{-3}} \right) \approx 4,72 \]
📌 \( K_A = 10^{-4,72} \approx 1,90 \times 10^{-5} \) (constante d’acidité).

6. Prédominance

pH = 3,37 ; pKa = 4,72

\( \text{pH} < pK_A \) → la forme acide prédomine.

\[ \text{CH}_3\text{COOH} \ \text{est l’espèce majoritaire.} \]

Seulement ~4% de l’acide est dissocié en ions éthanoate.

Si pH > pKa, la base conjuguée \( \text{CH}_3\text{COO}^- \) deviendrait majoritaire.

7. Effet de la dilution

Loi de Le Chatelier

La dilution d’une solution d’acide faible augmente le taux d’avancement final \( \tau \).

L’équilibre se déplace dans le sens de la dissociation (augmentation du nombre de particules).

✅ \( \tau \) augmente quand \( C_A \) diminue.

La constante \( K_A \) ne dépend que de la température.

8. Constante d’équilibre

QCM

La constante d’équilibre \( K = Q_{r,eq} = K_A \) à température fixée.

\[ K = K_A = 10^{-pK_A} = 10^{-4,72} \approx 1,90 \times 10^{-5} \]
Proposition juste : C — \( K = 1,90 \times 10^{-5} \)

La constante d’équilibre est indépendante de la concentration.

Partie 2 – Estérification

Chauffage à reflux

9. Montage du chauffage à reflux : Montage 1 (ballon, réfrigérant à eau, chauffe-ballons).

10. Rôle de l’acide sulfurique : catalyseur, il accélère la réaction sans être consommé.

Réaction : acide éthanoïque + alcool ⇌ ester + eau.

⚗️ \( \text{CH}_3\text{COOH} + \text{R-OH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOR} + \text{H}_2\text{O} \)

Le reflux évite les pertes de réactifs par évaporation.

L’équilibre est lent sans catalyseur. L’acide sulfurique joue un rôle de déshydratant et catalyseur.

Récapitulatif des réponses

Partie 1
QuestionRéponse essentielle
1Acide : donneur de proton \( \text{H}^+ \).
2\( \text{CH}_3\text{COOH} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^- + \text{H}_3\text{O}^+ \)
3Tableau d’avancement, \( \tau = 4,27\% \) → réaction limitée.
4\( Q_{r,eq} = \dfrac{10^{-2\text{pH}}}{C_A – 10^{-\text{pH}}} \)
5\( pK_A = 4,72 \) ; \( K_A \approx 1,9\times10^{-5} \)
6\( \text{pH} < pK_A \) → espèce prédominante \( \text{CH}_3\text{COOH} \).
7La dilution augmente le taux d’avancement \( \tau \).
8\( K = 1,90\times10^{-5} \) (proposition C).
9-10Chauffage à reflux (montage 1) ; catalyseur : \( \text{H}_2\text{SO}_4 \).
Correspond au barème standard des exercices d’acidité et d’estérification.
Données: pKa(CH₃COOH) ≈ 4,75 à 25°C. La valeur calculée 4,72 est cohérente. La réaction d’estérification est lente, catalysée par les acides forts.

Physique · Radioactivité & Circuits

Césium 137 · Désintégration β⁻ · Dipôle RL · RLC série

Césium 137 – Composition

Ex.1 – Q1
\[ ^{137}_{55}\text{Cs} \]

Protons : \( Z = 55 \)
Neutrons : \( N = A – Z = 137 – 55 = 82 \)

✅ Noyau composé de 55 protons et 82 neutrons.

Désintégration β⁻

Lois de Soddy
\[ ^{137}_{55}\text{Cs} \rightarrow ^{137}_{56}\text{Ba} + ^{0}_{-1}e \]

Conservation du nombre de masse : \( A = 137 \)
Conservation de charge : \( 55 = 56 + (-1) \)

L’élément fils est le baryum 137.

Énergie libérée

E = Δm·c²

Défaut de masse :

\[ E_{\text{lib}} = \left| \big( m(^{137}\text{Ba}) + m(e^-) – m(^{137}\text{Cs}) \big) c^2 \right| \]

Masses (u) : \( m(^{137}\text{Ba}) = 136,90582 \) ; \( m(e^-)=0,00055 \) ; \( m(^{137}\text{Cs})=136,90708 \)

\[ \Delta m = 136,90582 + 0,00055 – 136,90708 = -0,00071 \ \text{u} \] \[ E_{\text{lib}} = 0,00071 \times 931,5 \ \text{MeV} \approx 0,661 \ \text{MeV} \]
🎯 Énergie de désintégration : \( E = 0,661 \ \text{MeV} \)

Loi de décroissance

Dotation & sécurité

Activité : \( a(t) = a_0 e^{-\lambda t} \), demi-vie \( t_{1/2}=30 \ \text{ans} \).

En 1986 (Tchernobyl) \( a_0 = 1,2 \times 10^5 \ \text{Bq/kg} \).
En 2026 : \( t = 2026-1986 = 40 \ \text{ans} \)

\[ a_{2026} = 1,2\times10^5 \cdot e^{-\frac{\ln2}{30}\times 40} = 1,2\times10^5 \cdot e^{-0,924} \approx 4,87\times10^4 \ \text{Bq/kg} \]

Zone sans danger : \( a_{\text{lim}} = 3,0\times10^3 \ \text{Bq/kg} \)

\[ t = 1986 + \frac{t_{1/2}}{\ln2} \ln\left(\frac{a_0}{a_{\text{lim}}}\right) = 1986 + \frac{30}{\ln2} \ln\left(\frac{1,2\times10^5}{3,0\times10^3}\right) \] \[ t = 1986 + \frac{30}{0,693} \ln(40) \approx 1986 + 43,3 \times 3,689 \approx 1986 + 159,7 \approx 2146 \]
📅 Retour à une activité sans danger vers l’année 2146.

Dipôle RL – Courbes

Ex.2 – Q1/Q2

Plus la résistance est faible, plus l’intensité en régime permanent est élevée.
\( R < R' \) ⇒ la courbe (1) correspond à la plus petite résistance \( R \).

Équation différentielle : maille \( u_L + u_R = E \)

\[ L\frac{di}{dt} + (R+r)i = E \quad\Rightarrow\quad \frac{L}{R+r}\frac{di}{dt} + i = \frac{E}{R+r} \] \[ \tau = \frac{L}{R+r} \quad,\quad I = \frac{E}{R+r} \]

RL – Résistance interne \(r\) et inductance

Graphique

Régime permanent : \( I’ = 100 \ \text{mA} \) (courbe avec \(R’\)).

\[ R’ + r = \frac{E}{I’} = \frac{6}{0,100} = 60\ \Omega \] \[ r = 60 – R’ = 60 – 50 = 10 \ \Omega \]

Constante de temps graphique : \( \tau’ = 10 \ \text{ms} \) (tangente à l’origine).

\[ \tau’ = \frac{L}{R’+r} \quad\Rightarrow\quad L = \tau’ (R’+r) = 0,010 \times 60 = 0,6 \ \text{H} \]
🔧 \( r = 10\ \Omega \) ; \( L = 0,6\ \text{H} \)
Une augmentation de \(R\) diminue \(\tau\) et \(I_{\text{max}}\).

RLC série – Période de l’énergie

Oscillations libres

Pour un circuit RLC non amorti, l’énergie électromagnétique oscille à une période \( T_e \) liée à la période propre \( T_0 \).

Graphiquement : \( T_e = 25 \ \text{ms} \) (période des battements d’énergie).

Pour un oscillateur LC, l’énergie totale est constante mais les énergies \(E_C\) et \(E_L\) varient à une fréquence double :

\[ T = 2T_e = 50 \ \text{ms} \]
📊 \( T = 50 \ \text{ms} \) → période des oscillations de charge/courant.

La pseudo-période (si faible amortissement) est proche de \(T_0\).

Synthèse des résultats

Valeurs clés
GrandeurValeur
Protons / neutrons (Cs-137)55 / 82
Énergie de désintégration β⁻\(0,661 \ \text{MeV}\)
Activité en 2026\(4,87\times10^4 \ \text{Bq/kg}\)
Année zone sûre (~3000 Bq/kg)≈ 2146
Résistance interne \(r\) (bobine)\(10\ \Omega\)
Inductance \(L\)\(0,6 \ \text{H}\)
Constante de temps \( \tau’ \) (R’=50Ω)\(10 \ \text{ms}\)
Période des oscillations RLC (T)\(50 \ \text{ms}\)
La période de l’énergie \(T_e\) est la moitié de la période électrique car \(E_C\) et \(E_L\) varient à \(2\omega\).

RL – Modèle général

Régime transitoire
\[ \tau \frac{di}{dt} + i = I \quad\text{avec}\quad \tau = \frac{L}{R+r},\ I = \frac{E}{R+r} \]

Solution : \( i(t) = I \left(1 – e^{-t/\tau}\right) \) pour un échelon de tension.

Le produit \( \tau \) caractérise la rapidité d’établissement du courant.

✔ L’augmentation de la résistance totale diminue \(I\) et \( \tau \).
Exercice 1 : radioactivité du césium-137, désintégration β⁻, datation par activité résiduelle. Exercice 2 : dipôle RL (constante de temps, détermination de \(r\) et \(L\)) et circuit RLC série (période des oscillations).

Mécanique · Chute libre & oscillateur

Vide · Poids seul · MRUV · Ressort horizontal · Énergie mécanique

Chute libre (sous vide)

Boule & Plume

Dans la chambre à vide, aucune force de frottement ni poussée d’Archimède.
Seul le poids s’exerce → chute libre quel que soit l’objet.

Deuxième loi de Newton : \( \vec{P} = m\vec{a}_G \) ⇒ \( \vec{a}_G = \vec{g} \)

Projection sur l’axe vertical (Oz) : \( a_z = g = 10\ \text{m·s}^{-2} \)

📌 L’accélération est identique pour la boule et la plume : \( a = 10\ \text{m/s}^2 \)
Mouvement rectiligne uniformément varié (MRUV) car accélération constante.

Proposition exacte

QCM
✅ Proposition C : « Les deux objets ont la même accélération » — indépendante de la masse.

Galilée : dans le vide, une plume et une boule touchent le sol simultanément.

Durée & vitesse d’impact

h = 30 m

Équations horaires (vitesse initiale nulle, origine en haut) :

\[ v(t) = g t , \quad x(t) = \frac12 g t^2 \]

Arrivée au sol : \( \frac12 g t_S^2 = h \) ⇒ \( t_S = \sqrt{\frac{2h}{g}} \)

\[ t_S = \sqrt{\frac{2 \times 30}{10}} = \sqrt{6} \approx 2,45\ \text{s} \]

Vitesse d’impact : \( v_S = g t_S = 10 \times 2,45 = 24,5\ \text{m·s}^{-1} \)

🎯 \( t_S \approx 2,45\ \text{s} \) ; \( v_S \approx 24,5\ \text{m/s} \)

Oscillateur ressort – Période propre

Graphique x(t)

Période relevée graphiquement : \( T_0 = 2\ \text{s} \).

Amplitude : \( x(t) = X_m \cos\left(\frac{2\pi}{T_0}t\right) \)

Vitesse maximale : \( \dot{x}_m = X_m \cdot \frac{2\pi}{T_0} \) ⇒ \( X_m = \dot{x}_m \cdot \frac{T_0}{2\pi} \)

Donnée : \( \dot{x}_m = 0,125\ \text{m/s} = 12,5\ \text{cm/s} \)

\[ X_m = 0,125 \times \frac{2}{2\pi} = 0,125 \times \frac{1}{\pi} \approx 0,0398\ \text{m} \approx 4\ \text{cm} \]
📏 Amplitude \( X_m \approx 4\ \text{cm} \)

Raideur du ressort

K = ?

Période propre : \( T_0 = 2\pi \sqrt{\frac{m_1}{K}} \) ⇒ \( K = \frac{4\pi^2 m_1}{T_0^2} \)

Masse \( m_1 = 3\ \text{kg} \), \( T_0 = 2\ \text{s} \)

\[ K = \frac{4\pi^2 \times 3}{2^2} = \frac{12\pi^2}{4} = 3\pi^2 \approx 29,6\ \text{N·m}^{-1} \]
🔧 \( K \approx 30\ \text{N·m}^{-1} \)

Plus la raideur est grande, plus la période est faible.

Conservation de l’énergie

Forces conservatives

La boule est soumise à :

  • Poids \( \vec{P} \) (vertical, ne travaille pas sur le plan horizontal)
  • Réaction normale \( \vec{R} \) (perpendiculaire au déplacement → nul)
  • Tension du ressort \( \vec{T} \) (force conservative)

La seule force qui travaille est la tension du ressort (conservative).
✅ L’énergie mécanique du système {boule + ressort} se conserve.

📌 \( E_m = E_{pe} + E_c = \text{constante} \)

Énergie mécanique totale

\(E_m\)

Aux élongations maximales (\(x = \pm X_m\)), l’énergie cinétique est nulle → énergie potentielle élastique maximale :

\[ E_m = \frac12 K X_m^2 \] \[ E_m = \frac12 \times 30 \times (0,04)^2 = 0,5 \times 30 \times 0,0016 = 0,024\ \text{J} \] \[ E_m = 2,4 \times 10^{-2}\ \text{J} \]
⚡ \( E_m = 24\ \text{mJ} \)

Cette énergie oscille entre énergie cinétique et potentielle élastique sans perte (pas de frottement).

Synthèse des résultats

Valeurs clés
GrandeurValeur
Accélération en chute libre\(10\ \text{m·s}^{-2}\)
Durée de chute (\(h=30\ \text{m}\))\(2,45\ \text{s}\)
Vitesse à l’impact\(24,5\ \text{m·s}^{-1}\)
Période propre \(T_0\)\(2\ \text{s}\)
Amplitude \(X_m\)\(4\ \text{cm}\)
Raideur \(K\)\(30\ \text{N·m}^{-1}\)
Énergie mécanique totale\(2,4 \times 10^{-2}\ \text{J}\)
Le mouvement est rectiligne uniformément accéléré pour la chute, sinusoïdal pour l’oscillateur harmonique.

Expressions générales

Formules

Chute libre sans vitesse initiale :

\[ t_S = \sqrt{\frac{2h}{g}} \quad,\quad v_S = \sqrt{2gh} \]

Oscillateur ressort horizontal :

\[ T_0 = 2\pi \sqrt{\frac{m}{K}} \quad,\quad E_m = \frac12 K X_m^2 \]

La vitesse maximale : \( v_{\text{max}} = \frac{2\pi X_m}{T_0} \)

Dans les deux cas, l’accélération ne dépend pas de la masse pour la chute libre, mais la période du ressort augmente avec la masse.
Exercice 3 – chute libre sous vide (Galilée) et oscillateur élastique. Résultats cohérents avec les lois de Newton et la conservation de l’énergie mécanique.

Autre version

Correction de l’examen national de Physique Chimie – SVT 2026

Correction de l’examen national de Physique Chimie

Filière Sciences de la vie et de la terre – Session normale 2026

Direction provinciale : Mohammedia

Question Réponse Barème
Chimie : Réactivité de l’acide éthanoïque
Partie 1 : Étude d’une solution aqueuse d’acide éthanoïque
1. Un acide selon BRÖNSTED, est toute espèce chimique, ionique ou moléculaire, susceptible de libérer au moins un proton \(H^+\). 0,5
2. \[ CH_3COOH_{(aq)} + H_2O_{(\ell)} \;\rightleftharpoons\; CH_3COO^-_{(aq)} + H_3O^+_{(aq)} \] 0,5
3.
Équation chimique : \( CH_3COOH_{(aq)} + H_2O_{(\ell)} \;\rightleftharpoons\; CH_3COO^-_{(aq)} + H_3O^+_{(aq)} \)
État Avanc. Quantité de matière en mol
Initial 0 \(C_A.V\) En excès 0 0
Interm. \(x\) \(C_A.V – x\) En excès \(x\) \(x\)
Final \(x_f\) \(C_A.V – x_f\) En excès \(x_f\) \(x_f\)
0,75
4. On a : \(\displaystyle \tau = \frac{x_f}{x_{max}} \times 100\%\) ; D’après le tableau d’avancement : \(x_f = 10^{-pH}.V\)

En considérant la réaction totale et puisque l’eau est en excès, donc \(CH_3COOH\) est le réactif limitant, d’où : \(C_A V – x_{max} = 0\)

Alors : \(x_{max} = C_A V\) ; D’où : \(\displaystyle \tau = \frac{10^{-pH}}{C_A} \times 100\%\) ; A.N : \(\displaystyle \tau = \frac{10^{-3,37}}{10^{-2}} \times 100\%\) ;

\(\tau = 4{,}27\% < 100\%\)   La réaction est limitée
0,5 0,25
5. On a : \(\displaystyle Q_{r;\acute{e}q} = \frac{[H_3O^+]_{\acute{e}q}.[CH_3COO^-]_{\acute{e}q}}{[CH_3COOH]_{\acute{e}q}}\) et \([H_3O^+]_{\acute{e}q} = [CH_3COO^-]_{\acute{e}q} = 10^{-pH}\)

De plus : \(\displaystyle [CH_3COOH]_{\acute{e}q} = \frac{C_A.V – x_f}{V} = C_A – \frac{x_f}{V} = C_A – 10^{-pH}\)

Alors : \(\displaystyle Q_{r;\acute{e}q} = \frac{10^{-2pH}}{C_A – 10^{-pH}}\)
0,75
6. On a : \(\displaystyle K_A = \frac{[H_3O^+]_{\acute{e}q}.[CH_3COO^-]_{\acute{e}q}}{[CH_3COOH]_{\acute{e}q}}\) ;   Donc : \(K_A = Q_{r;\acute{e}q}\) ;

On a \(pK_A = -\log(K_A)\) ; Donc : \(\displaystyle pK_A = -\log\left(\frac{10^{-2pH}}{C_A – 10^{-pH}}\right)\) ;

A.N : \(\displaystyle pK_A = -\log\left(\frac{10^{-2\times 3,37}}{10^{-2} – 10^{-3,37}}\right)\) ;

Alors : \(pK_A = 4{,}72\)
0,5
7. On a : \(pH < pK_A\) ; alors l'espèce prédominante est \(CH_3COOH\) 0,5
8.1. La dilution a pour effet d’augmenter le taux d’avancement final 0,25
8.2. La constante d’équilibre ne dépend que de la température.

On a : \(\displaystyle K = Q_{r;\acute{e}q} = \frac{[H_3O^+]_{\acute{e}q}.[CH_3COO^-]_{\acute{e}q}}{[CH_3COOH]_{\acute{e}q}}\) ; donc : \(K = K_A = 10^{-pK_A}\)

AN : \(K = K_A = 10^{-pK_A} = 10^{-4,72} = 1{,}90.10^{-5}\)

La proposition juste est : C
0,5
Partie 2 : Étude de la réaction de l’acide éthanoïque avec un alcool
1 Montage du chauffage à reflux : Montage 1 0,25
2 L’acide sulfurique est un catalyseur, il accélère la réaction 0,25
3
CH₃—C O O—C₂H₅
0,5
4 On a : \(\displaystyle r = \frac{n_e}{n_{max}(ester)} \times 100\%\) ; Or \(n_1 = n_2\) ; Donc : \(\displaystyle r = \frac{n_e}{n_1} \times 100\%\)

AN : \(\displaystyle r = \frac{0,4}{0,6} \times 100\%\) ; Alors : \(r = 67\%\)
0,5
5 Pour améliorer le rendement de cette réaction, on peut utiliser l’un des réactifs en excès, ou bien éliminer l’eau formée. 0,5
Physique
Exercice 1 : Radioactivité du Césium
1. \({}^{137}_{55}Cs\) se compose de 55 protons et 82 neutrons. 0,25
2. \[ {}^{137}_{55}Cs \;\rightarrow\; {}^{A}_{Z}Ba \;+\; {}^{0}_{-1}e \] D’après les lois de Soddy : \(\begin{cases} A = 137 \\ Z = 56 \end{cases}\) ;   Alors : \[ {}^{137}_{55}Cs \;\rightarrow\; {}^{137}_{56}Ba \;+\; {}^{0}_{-1}e \] 0,5
3. On a : \(\displaystyle E_{lib} = |\Delta E| = \left|\left[ m\left({}^{137}_{56}Ba\right) + m\left({}^{0}_{-1}e\right) – m\left({}^{137}_{55}Cs\right) \right].c^2\right|\)

A.N : \(E_{lib} = \left|\left[(136{,}90582 + 0{,}00055 – 136{,}90708)\right].931{,}5\right|\)

Alors : \(E_{lib} = 0{,}661\ MeV\)
0,5
4.1. D’après la loi de décroissance radioactive : \(a(t) = a_0.e^{-\lambda.t}\)

Donc : \(\displaystyle a_{2026} = a_0.e^{-\frac{\ln(2)}{t_{1/2}}.t}\) ; A.N : \(\displaystyle a_{2026} = 1{,}2.10^{5}.e^{-\frac{\ln(2)}{30}.(2026-1987)}\) ;

Alors : \(a_{2026} = 4{,}87.10^{4}\ Bq/kg\)
0,5
4.2. Lorsque la zone redevient sans danger, \(\displaystyle a_{lim} = a_0.e^{-\frac{\ln(2)}{t_{1/2}}.(t-1987)}\)

Donc : \(\displaystyle \frac{a_{lim}}{a_0} = e^{-\frac{\ln(2)}{t_{1/2}}.(t-1987)}\) ; D’où : \(\displaystyle \ln\left(\frac{a_{lim}}{a_0}\right) = -\frac{\ln(2)}{t_{1/2}}.(t-1987)\)

Par suite : \(\displaystyle \ln\left(\frac{a_0}{a_{lim}}\right).\frac{t_{1/2}}{\ln(2)} = (t-1987)\) ; Alors : \(\displaystyle t = 1987 + \ln\left(\frac{a_0}{a_{lim}}\right).\frac{t_{1/2}}{\ln(2)}\)

A.N : \(\displaystyle t = 1987 + \ln\left(\frac{1{,}2.10^{5}}{3.10^{3}}\right).\frac{30}{\ln(2)}\) ; la zone redevient sans danger en 2147
0,75
Exercice 2 : Dipôle RL – Circuit RLC série
1 : Dipôle RL
1.1. Plus la résistance est faible, plus l’intensité au régime permanent sera élevée, or \((R < R')\) donc la courbe (1) correspond à la résistance R. 0,5
1.2.
D’après la loi d’additivité des tensions :

À chaque instant \(t\) : \(u_L + u_R = E\)

Donc : \(\displaystyle r.i + L\frac{di}{dt} + R.i = E\)

D’où : \(\displaystyle L\frac{di}{dt} + (R+r).i = E\)

Alors : \(\displaystyle \frac{L}{R+r}\frac{di}{dt} + i = \frac{E}{R+r}\) ;

avec \(\displaystyle \tau = \frac{L}{R+r}\) et \(\displaystyle I = \frac{E}{R+r}\)

Finalement : \(\displaystyle \tau\frac{di}{dt} + i = I\)
K E i (L,r) R uL uR
0,5 0,5
1.3. Graphiquement : \(I’ = 100\ mA\) 0,25
1.4. On a : \(\displaystyle I’ = \frac{E}{R’+r}\) ; donc : \(\displaystyle R’ + r = \frac{E}{I’}\) ; D’où : \(\displaystyle r = \frac{E}{I’} – R’\)

A.N : \(\displaystyle r = \frac{6}{100\times 10^{-3}} – 50\) ; Alors : \(r = 10\ \Omega\)
0,25
1.5. Graphiquement : \(\tau’ = 10\ ms\) 0,25
1.6. On a : \(\displaystyle \tau’ = \frac{L}{R’+r}\) ; donc : \(L = \tau’.(R’+r)\)

A.N : \(L = 10\times 10^{-3} \times (50+10)\) ; Alors : \(L = 0{,}6\ H\)
0,5
1.7. Une augmentation de la résistance du dipôle RL entraîne une diminution de la constante de temps \(\tau\), donc une réponse plus rapide, et une diminution de l’intensité du courant en régime permanent \(I\). 0,5
2 : Circuit RLC série
2.1. Graphiquement la période de l’énergie : \(T_e = 25\ ms\)
On a : \(T = 2T_e\) ; Alors \(T = 50\ ms\)
0,25
2.2. On a : \(T = T_0\) ; D’autre part : \(T_0 = 2\pi.\sqrt{LC}\) ;

Donc : \(T = 2\pi.\sqrt{LC}\) ; Alors : \(\displaystyle C = \frac{T^2}{4\pi^2.L}\)

A.N : \(\displaystyle C = \frac{(50\times 10^{-3})^2}{40\times 0,6}\) ; \(C = 1{,}04.10^{-4}\ F\) Soit : \(C = 104\ \mu F\)
0,5
2.3. \(\Delta E_T = E_T(t_1) – E_T(t_0) = (E_e(t_1) + E_m(t_1)) – (E_e(t_0) + E_m(t_0))\) ;

Aux instants \(t_1\) et \(t_0\) l’énergie électrique \(E_e\) est maximale,
Donc : \(E_m(t_1) = E_m(t_0) = 0\) ; D’où : \(\Delta E_T = E_e(t_1) – E_e(t_0)\)

A.N : \(\Delta E_T = 0{,}5 – 2{,}25\) ; \(\Delta E_T = -1{,}75\ mJ\)

La diminution de l’énergie totale dans le circuit RLC est due à la dissipation de l’énergie totale par effet Joule dans les résistances du circuit.
0,5 0,5
Exercice 3 : Étude des systèmes mécaniques
Partie 1 : Étude d’une chute libre verticale
1. La chambre étant sous vide, il n’y a ni frottement de l’air ni poussée d’Archimède. La boule et la plume ne sont donc soumises qu’à leur poids. Elles sont alors en chute libre. 0,5
2.
Le système étudié : {la boule}.
– Bilan des forces : \(\vec{P}\) : son poids.

Dans un référentiel terrestre, considéré Galiléen, on applique la 2ème loi de Newton : \(\sum\vec{F}_{ext} = m.\vec{a}_G\) ; Donc \(\vec{P} = m.\vec{a}_G\) ; D’où : \(m.\vec{g} = m.\vec{a}_G\) ; \(\vec{a}_G = \vec{g}\)

Projection suivant (OZ), on obtient : \(a_z = g\) ; Alors : \(a_{1G} = 10\ m.s^{-2}\)

L’accélération ne dépend pas de la masse, donc l’accélération de la plume est : \(a_2 = 10\ m.s^{-2}\)
z0 k La boule h P g Le sol
0,5
3. L’accélération de la boule est constante et sa trajectoire est une droite, donc son mouvement est un mouvement rectiligne uniformément varié 0,25
4. Proposition vraie : C 0,5
5. On a : \(\displaystyle a_{1G} = \frac{dv_G}{dt} = 10\ m.s^{-2}\) ; Donc : \(v_G(t) = 10t\) ; avec \(v_G(0) = 0\ m.s^{-1}\)

D’où : \(x(t) = 5t^2\)   Lorsque la boule arrive au sol \(x(t) = h\) ;

Donc : \(5t_S^2 = h\) ; d’où : \(\displaystyle t_S = \sqrt{\frac{h}{5}}\) ; A.N : \(\displaystyle t_S = \sqrt{\frac{30}{5}}\) ; \(t_S = 2{,}45\ s\)
0,5
6. On a : \(v_{G;S} = 10t_S\) ; A.N : \(v_{G;S} = 10 \times 2{,}45\) ; alors : \(v_{G;S} = 24{,}5\ m.s^{-1}\) 0,5
Partie 2 : Étude du Système oscillant {boule – ressort}
1. Graphiquement : \(T_0 = 2\ s\)

On a : \(\displaystyle x(t) = X_m.\cos\left(\frac{2\pi}{T_0}.t\right)\) donc : \(\displaystyle \dot{x}(t) = -X_m\frac{2\pi}{T_0}.\sin\left(\frac{2\pi}{T_0}.t\right)\)

d’où : \(\displaystyle \dot{x}_m = X_m\frac{2\pi}{T_0}\) ; alors : \(\displaystyle X_m = \dot{x}_m\frac{T_0}{2\pi}\)

A.N : \(\displaystyle X_m = 0{,}125 \times \frac{2}{2\pi}\) ; \(X_m \approx 4\ cm\)
0,25 0,75
2. On a : \(\displaystyle T_0 = 2\pi\sqrt{\frac{m_1}{K}}\) ; Donc : \(\displaystyle K = \frac{4\pi^2.m_1}{T_0^2}\) ; A.N : \(\displaystyle K = \frac{40\times 3}{2^2}\)

Alors : \(K = 30\ N.m^{-1}\)
0,5
3. La boule est soumise à trois forces \(\vec{P}\), \(\vec{R}\) et \(\vec{T}\). La seule force qui travaille \(\vec{T}\) est conservative, donc l’énergie mécanique du système se conserve. 0,5
4. On a : \(\displaystyle E_m = E_{pe;max} = \frac{1}{2}K.(X_m)^2\) ; \(\displaystyle E_m = \frac{1}{2}\times 30 \times (4.10^{-2})^2\) ;

\(E_m = 2{,}4.10^{-2}\ J\)
0,5