sr2017

Correction Examen National 2017 – Session Rattrapage (Détaillée)

Correction détaillée de l’examen national du Baccalauréat

Physique – Chimie – 2ème année S.Ex – Sciences Physiques

Session de rattrapage 2017

Exercice 1 – Estérification et hydrolyse

Rendement de la réaction d’estérification

Question 7 : Calcul du rendement r

1. Définition du rendement :

Le rendement d’une réaction chimique est le rapport entre la quantité de produit effectivement formé et la quantité maximale que l’on pourrait obtenir si la réaction était totale.

\(r = \dfrac{n_{\text{exp}}(Ester)}{n_{\text{thé}}(Ester)}\)

2. Détermination de la quantité expérimentale d’ester :

D’après le tableau d’avancement de la réaction d’estérification :

\(Acide + Alcool \rightleftharpoons Ester + Eau\)

La quantité d’ester formé à l’équilibre est égale à l’avancement final \(x_f\).

3. Utilisation de la constante d’équilibre K :

On donne : \(K = 4\)

Les quantités initiales sont : \(n_i(acide) = 0,1 \text{ mol}\) et \(n_i(alcool) = 0,4 \text{ mol}\).

Tableau d’avancement :

ÉtatAcideAlcoolEsterEau
Initial0,10,400
Équilibre\(0,1 – x_f\)\(0,4 – x_f\)\(x_f\)\(x_f\)

4. Expression de la constante d’équilibre :

La constante d’équilibre \(K\) s’exprime en fonction des quantités de matière à l’équilibre (le volume se simplifie car toutes les espèces sont dans le même volume) :

\(K = \dfrac{n_f(ester) \times n_f(eau)}{n_f(acide) \times n_f(alcool)} = \dfrac{x_f \times x_f}{(0,1 – x_f)(0,4 – x_f)} = 4\)

5. Résolution de l’équation :

Développons l’expression :

\(x_f^2 = 4(0,1 – x_f)(0,4 – x_f)\)
\(x_f^2 = 4(0,04 – 0,5x_f + x_f^2)\)
\(x_f^2 = 0,16 – 2x_f + 4x_f^2\)
\(3x_f^2 – 2x_f + 0,16 = 0\)

Résolvons cette équation du second degré :

\(\Delta = (-2)^2 – 4 \times 3 \times 0,16 = 4 – 1,92 = 2,08\)
\(\sqrt{\Delta} = \sqrt{2,08} \approx 1,442\)
\(x_{f1} = \dfrac{2 + 1,442}{6} = 0,573 \text{ mol}\)  (solution à rejeter car \(x_f < 0,1 \text{ mol}\))
\(x_{f2} = \dfrac{2 – 1,442}{6} \approx 0,093 \text{ mol}\)

Donc : \(x_f \approx 9,3 \times 10^{-2} \text{ mol}\).

6. Quantité théorique d’ester :

Si la réaction était totale, le réactif limitant (l’acide) serait entièrement consommé :

\(n_{thé}(ester) = x_{max} = 0,1 \text{ mol}\)

7. Calcul du rendement :

\(r = \dfrac{x_f}{x_{max}} = \dfrac{0,093}{0,1} = \boxed{0,93 = 93\%}\)

Le rendement est de 93%, ce qui signifie que la réaction est quasi-totale.

Question 8 : Équation de la réaction

\(CH_3COOH + CH_3CH_2OH \rightleftharpoons CH_3COOCH_2CH_3 + H_2O\)

Acide éthanoïque + Éthanol ⇌ Éthanoate d’éthyle + Eau


Exercice 2 – Diffraction et Radioactivité

Partie I : Diffraction d’une onde lumineuse

Question 1 : Détermination de la longueur d’onde \(\lambda\)

1. Rappel sur la diffraction :

Lorsqu’une onde lumineuse monochromatique traverse une fente de largeur \(d\) (ou un obstacle de dimension \(d\)), elle est diffractée. L’angle de diffraction \(\theta\) est donné par :

\(\theta = \dfrac{\lambda}{d}\)  (pour les petits angles)

2. Relation entre \(\theta\) et la largeur de la tâche centrale :

Sur un écran placé à une distance \(D\) de la fente, la largeur de la tâche centrale de diffraction est \(L\). Pour les petits angles :

\(\tan\theta = \dfrac{L/2}{D} = \dfrac{L}{2D}\)

Comme \(\theta\) est petit, \(\tan\theta \approx \theta\), donc :

\(\theta = \dfrac{L}{2D}\)

3. Expression de la longueur d’onde :

En égalant les deux expressions de \(\theta\) :

\(\dfrac{\lambda}{d} = \dfrac{L}{2D} \Rightarrow \lambda = \dfrac{L \cdot d}{2D}\)

4. Application numérique :

Données : \(L = 56 \text{ mm} = 56 \times 10^{-3} \text{ m}\), \(d = 0,1 \text{ mm} = 0,1 \times 10^{-3} \text{ m}\), \(D = 3,5 \text{ m}\).

\(\lambda = \dfrac{56 \times 10^{-3} \times 0,1 \times 10^{-3}}{2 \times 3,5} = \dfrac{5,6 \times 10^{-6}}{7} \approx 8 \times 10^{-7} \text{ m} = \boxed{0,8 \ \mu\text{m}}\)

Question 2 : Effet du remplacement par une lumière violette

La lumière violette a une longueur d’onde \(\lambda_v \approx 400 \text{ nm}\), plus petite que celle de la lumière étudiée (\(\lambda = 800 \text{ nm}\)).

La largeur de la tâche centrale est proportionnelle à la longueur d’onde : \(L = \dfrac{2D}{d} \cdot \lambda\).

Donc, si \(\lambda\) diminue, \(L\) diminue également.

Conclusion : La nouvelle tâche centrale sera plus étroite.


Partie II : Désintégration du Cobalt 60

Question 1 : Particule \(X\) et type de désintégration

1. Équation de désintégration :

Le noyau de Cobalt 60 (\(^{60}_{27}Co\)) se désintègre en donnant un noyau de Nickel 60 (\(^{60}_{28}Ni\)).

D’après les lois de conservation de Soddy :

Conservation du nombre de masse : \(60 = 60 + A \Rightarrow A = 0\)
Conservation de la charge : \(27 = 28 + Z \Rightarrow Z = -1\)

La particule émise est donc un électron : \(^{0}_{-1}e\).

\(^{60}_{27}Co \rightarrow {}^{60}_{28}Ni + {}^{0}_{-1}e\)

2. Type de radioactivité :

Il s’agit d’une désintégration de type \(\beta^-\) (émission d’un électron).

Question 2 : Énergie libérée

1. Défaut de masse :

L’énergie libérée lors d’une désintégration radioactive correspond à la différence de masse entre les noyaux père et fils, exprimée en énergie via la relation d’Einstein \(E = \Delta m \cdot c^2\).

\(\Delta m = m(^{60}_{28}Ni) + m(e^-) – m(^{60}_{27}Co)\)
\(\Delta m = 59,91543 + 0,00055 – 59,91901 = -3,03 \times 10^{-3} \text{ u}\)

La masse diminue : le défaut de masse est \(\Delta m = 3,03 \times 10^{-3} \text{ u}\).

2. Énergie libérée en MeV :

On utilise la conversion : \(1 \text{ u} = 931,5 \text{ MeV}/c^2\).

\(E_{lib} = |\Delta m| \times 931,5 = 3,03 \times 10^{-3} \times 931,5 \approx \boxed{2,82 \text{ MeV}}\)

Question 3 : Énergie de liaison par nucléon

1. Calcul pour \(^{60}_{28}Ni\) :

L’énergie de liaison par nucléon est donnée par :

\(\mathcal{E} = \dfrac{[Z m_p + (A-Z) m_n – m(^{60}_{28}Ni)] \cdot c^2}{A}\)

Avec \(Z = 28\), \(A = 60\), \(m_p = 1,00728 \text{ u}\), \(m_n = 1,00866 \text{ u}\), \(m(^{60}_{28}Ni) = 59,91543 \text{ u}\).

\(\mathcal{E} = \dfrac{[28 \times 1,00728 + 32 \times 1,00866 – 59,91543] \times 931,5}{60}\)
\(= \dfrac{[28,20384 + 32,27712 – 59,91543] \times 931,5}{60}\)
\(= \dfrac{0,56553 \times 931,5}{60} = \dfrac{526,79}{60} \approx \boxed{8,78 \text{ MeV/nucléon}}\)

2. Comparaison de stabilité :

Pour \(^{56}_{28}Ni\), on donne \(\mathcal{E} = 8,64 \text{ MeV/nucléon}\).

Puisque \(8,78 > 8,64\), le noyau \(^{60}_{28}Ni\) est plus stable que \(^{56}_{28}Ni\).

En effet, plus l’énergie de liaison par nucléon est élevée, plus le noyau est stable.


Exercice 3 – Dipôles RC et RLC

1. Étude du dipôle RC

1.2. Équation différentielle en \(u_C\)

1. Loi d’additivité des tensions :

Dans le circuit série de la figure 1 :

\(u_R + u_C = E\)

2. Expressions de \(u_R\) et \(u_C\) :

– Loi d’Ohm : \(u_R = R \cdot i\)

– Définition du courant : \(i = \dfrac{dq}{dt} = C \dfrac{du_C}{dt}\)

Donc : \(u_R = R \cdot C \dfrac{du_C}{dt}\)

3. Équation différentielle :

\(RC \dfrac{du_C}{dt} + u_C = E\)

C’est une équation différentielle linéaire du premier ordre à coefficients constants.

1.3. Expressions de \(A\) et \(\tau\)

1. Solution proposée :

La solution de l’équation différentielle est de la forme : \(u_C(t) = A \cdot (1 – e^{-t/\tau})\).

Cette solution correspond à la charge d’un condensateur à travers une résistance.

2. Vérification :

Dérivons \(u_C(t)\) :

\(\dfrac{du_C}{dt} = \dfrac{A}{\tau} e^{-t/\tau}\)

Remplaçons dans l’équation différentielle :

\(RC \cdot \dfrac{A}{\tau} e^{-t/\tau} + A(1 – e^{-t/\tau}) = E\)
\(A + \left(\dfrac{RC}{\tau} – 1\right) A e^{-t/\tau} = E\)

Cette égalité doit être vraie pour tout \(t\), donc :

\(\dfrac{RC}{\tau} – 1 = 0 \Rightarrow \tau = RC\)
\(A = E\)

1.4. Valeurs de \(C\) et \(R_2\)

1. Détermination de \(C\) :

D’après la courbe (1) de la figure 2, la constante de temps est \(\tau_1 = 2 \text{ ms}\).

Avec \(R_1 = 20 \ \Omega\) :

\(C = \dfrac{\tau_1}{R_1} = \dfrac{2 \times 10^{-3}}{20} = 10^{-4} \text{ F} = \boxed{100 \ \mu\text{F}}\)

2. Détermination de \(R_2\) :

D’après la courbe (2), \(\tau_2 = 6 \text{ ms}\).

\(R_2 = \dfrac{\tau_2}{C} = \dfrac{6 \times 10^{-3}}{10^{-4}} = \boxed{60 \ \Omega}\)

1.5. Influence de la résistance

La constante de temps \(\tau = R \cdot C\) est proportionnelle à la résistance \(R\).

Lorsque la résistance augmente, la charge du condensateur est plus lente (le temps de charge est plus long).

Conclusion : \(\tau\) augmente avec \(R\).


2. Circuit RLC non amorti

2.1. Équation différentielle en \(q\)

1. Loi d’additivité des tensions :

\(u_C + u_L = 0\)

2. Expressions des tensions :

– \(u_C = \dfrac{q}{C}\)

– \(u_L = L \dfrac{di}{dt}\) avec \(i = \dfrac{dq}{dt}\), donc \(u_L = L \dfrac{d^2q}{dt^2}\)

3. Équation différentielle :

\(\dfrac{d^2q}{dt^2} + \dfrac{1}{LC}q = 0\)

C’est l’équation d’un oscillateur harmonique. La solution est sinusoïdale.

2.2. Période propre \(T_0\)

La solution de l’équation différentielle est : \(q(t) = Q_m \cos\left(\dfrac{2\pi}{T_0} t\right)\).

En dérivant deux fois et en remplaçant dans l’équation :

\(-\left(\dfrac{2\pi}{T_0}\right)^2 Q_m \cos\left(\dfrac{2\pi}{T_0} t\right) + \dfrac{1}{LC} Q_m \cos\left(\dfrac{2\pi}{T_0} t\right) = 0\)
\(\left(\dfrac{2\pi}{T_0}\right)^2 = \dfrac{1}{LC} \Rightarrow \boxed{T_0 = 2\pi\sqrt{LC}}\)

2.3. Inductance \(L\)

D’après la figure 3, \(T_0 = 60 \text{ ms} = 60 \times 10^{-3} \text{ s}\).

\(L = \dfrac{T_0^2}{4\pi^2 C} = \dfrac{(60 \times 10^{-3})^2}{4 \times 10 \times 10^{-4}} = \dfrac{3,6 \times 10^{-3}}{4 \times 10^{-3}} = \boxed{0,91 \text{ H}}\)

2.4. Énergie totale du circuit

1. Expression de l’énergie :

L’énergie totale du circuit LC est la somme de l’énergie électrique du condensateur et de l’énergie magnétique de la bobine :

\(E = E_{élec} + E_{mag} = \dfrac{1}{2C}q^2 + \dfrac{1}{2}Li^2\)

2. À \(t = 0\) :

À \(t = 0\), le condensateur est chargé : \(q(0) = Q_m = 600 \ \mu\text{C}\), \(i(0) = 0\).

\(E = \dfrac{1}{2C}Q_m^2 = \dfrac{(600 \times 10^{-6})^2}{2 \times 10^{-4}} = \dfrac{3,6 \times 10^{-7}}{2 \times 10^{-4}} = \boxed{1,8 \times 10^{-3} \text{ J}}\)

3. À \(t = T_0/4\) :

À \(t = T_0/4\), le condensateur est déchargé (\(q = 0\)) et le courant est maximal.

L’énergie est alors purement magnétique :

\(E = \dfrac{1}{2}L I_m^2 = \dfrac{1}{2}L \left(\dfrac{2\pi}{T_0}Q_m\right)^2 = \dfrac{2\pi^2 L}{T_0^2}Q_m^2\)
\(= \dfrac{2 \times 10 \times 0,91}{0,06^2} \times (600 \times 10^{-6})^2 \approx \boxed{1,8 \times 10^{-3} \text{ J}}\)

L’énergie totale est constante : il y a conservation de l’énergie dans le circuit LC idéal.


Exercice 4 – Gravitation et Oscillateur

Partie I : Exo-planète

Question 1 : Intensité de la force de gravitation

La force gravitationnelle exercée par l’étoile \(S\) sur l’exo-planète \(b\) est donnée par la loi de Newton :

\(F_{S/b} = G \dfrac{M_S \cdot m_b}{r_b^2}\)

C’est une force attractive, dirigée de la planète vers l’étoile.

2.1. Nature du mouvement

1. Système étudié et bilan des forces :

L’exo-planète \(b\) est soumise uniquement à la force gravitationnelle de l’étoile \(S\) (on néglige les autres forces).

2. Application de la 2ème loi de Newton :

Dans le référentiel galiléen lié à l’étoile :

\(\sum \vec{F} = m_b \cdot \vec{a}_G \Rightarrow \vec{F}_{S/b} = m_b \cdot \vec{a}_G\)

3. Accélération :

On a : \(\vec{F}_{S/b} = -G \dfrac{M_S m_b}{r_b^2} \vec{u}_r\) (force centripète).

\(\vec{a}_G = -G \dfrac{M_S}{r_b^2} \vec{u}_r\)

L’accélération est radiale (dirigée vers l’étoile).

4. Composante tangentielle et vitesse :

Dans le repère de Frenet, l’accélération s’écrit : \(\vec{a} = \dfrac{dv}{dt} \vec{T} + \dfrac{v^2}{r_b} \vec{N}\).

L’accélération étant purement radiale, sa composante tangentielle est nulle :

\(\dfrac{dv}{dt} = 0 \Rightarrow v = \text{constante}\)

Le mouvement est donc uniforme.

5. Composante normale et rayon :

\(\dfrac{v^2}{r_b} = G \dfrac{M_S}{r_b^2} \Rightarrow r_b = \dfrac{G M_S}{v^2} = \text{constante}\)

Le rayon de la trajectoire est constant, donc le mouvement est circulaire.

Conclusion : Le mouvement est circulaire uniforme.

2.2. 3ème loi de Kepler

1. Relation entre vitesse et période :

Pour un mouvement circulaire uniforme de période \(T_b\) :

\(v = \dfrac{2\pi r_b}{T_b}\)

2. Vitesse issue de la gravitation :

D’après la question précédente : \(v = \sqrt{\dfrac{G M_S}{r_b}}\).

3. Égalisation :

\(\dfrac{2\pi r_b}{T_b} = \sqrt{\dfrac{G M_S}{r_b}} \Rightarrow \dfrac{4\pi^2 r_b^2}{T_b^2} = \dfrac{G M_S}{r_b} \Rightarrow \dfrac{T_b^2}{r_b^3} = \dfrac{4\pi^2}{G M_S}\)

Le rapport \(\dfrac{T_b^2}{r_b^3}\) est une constante, indépendante de la planète.

C’est la 3ème loi de Kepler.

2.3. Masse de l’étoile \(M_S\)

D’après la relation précédente :

\(M_S = \dfrac{4\pi^2 r_b^3}{G T_b^2}\)

Données : \(r_b = 2,24 \times 10^{11} \text{ m}\), \(T_b = 5,56 \times 10^7 \text{ s}\), \(G = 6,67 \times 10^{-11} \text{ SI}\).

\(M_S = \dfrac{4 \times 10 \times (2,24 \times 10^{11})^3}{6,67 \times 10^{-11} \times (5,56 \times 10^7)^2} \approx \boxed{2,18 \times 10^{30} \text{ kg}}\)

Cette masse est comparable à celle du Soleil (\(1,99 \times 10^{30} \text{ kg}\)).


Partie II : Oscillateur mécanique

Question 1 : Détermination de \(X_m\), \(T_0\) et \(\varphi\)

1. Amplitude \(X_m\) :

L’amplitude est la valeur maximale de l’élongation. D’après la figure 2 :

\(X_m = 6 \text{ cm} = \boxed{0,06 \text{ m}}\)

2. Période \(T_0\) :

La période est la durée d’un cycle complet. D’après la figure 2, un cycle dure 0,4 s.

\(T_0 = \boxed{0,4 \text{ s}}\)

3. Phase à l’origine \(\varphi\) :

L’élongation à \(t = 0\) est \(x(0) = X_m = 6 \text{ cm}\).

L’équation du mouvement est : \(x(t) = X_m \cos\left(\dfrac{2\pi}{T_0}t + \varphi\right)\).

À \(t = 0\) : \(x(0) = X_m \cos(\varphi) = X_m \Rightarrow \cos(\varphi) = 1 \Rightarrow \varphi = 0\).

\(\boxed{\varphi = 0 \text{ rad}}\)

Question 2 : Énergie mécanique

L’énergie mécanique d’un oscillateur harmonique est constante et vaut :

\(E_m = \dfrac{1}{2} k X_m^2\)

Avec \(k = 20 \text{ N.m}^{-1}\) :

\(E_m = \dfrac{1}{2} \times 20 \times (0,06)^2 = 10 \times 3,6 \times 10^{-3} = \boxed{3,6 \times 10^{-2} \text{ J}}\)

Question 3 : Énergie cinétique à \(t_1 = 0,3 \text{ s}\)

1. Élongation à \(t_1\) :

La figure 2 donne pour \(t_1 = 0,3 \text{ s}\) : \(x(t_1) \approx 3 \text{ cm} = 0,03 \text{ m}\).

2. Énergie potentielle élastique :

\(E_{pe}(t_1) = \dfrac{1}{2} k x(t_1)^2 = \dfrac{1}{2} \times 20 \times (0,03)^2 = 9 \times 10^{-3} \text{ J}\)

3. Énergie cinétique :

L’énergie mécanique est la somme de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle élastique :

\(E_m = E_c(t_1) + E_{pe}(t_1) \Rightarrow E_c(t_1) = E_m – E_{pe}(t_1)\)
\(E_c(t_1) = 3,6 \times 10^{-2} – 9 \times 10^{-3} = \boxed{2,7 \times 10^{-2} \text{ J}}\)

Question 4 : Travail de la force de rappel

1. Définition du travail :

Le travail de la force de rappel \(\vec{F} = -k x \vec{i}\) entre les positions \(x_A\) et \(x_B\) est :

\(W_{A \to B}(\vec{F}) = -\Delta E_{pe} = -\dfrac{1}{2}k(x_B^2 – x_A^2)\)

2. Application :

On veut le travail entre \(x_A = 0\) et \(x_B = \dfrac{X_m}{2}\).

\(W = -\dfrac{1}{2}k\left[\left(\dfrac{X_m}{2}\right)^2 – 0^2\right] = -\dfrac{1}{2}k \cdot \dfrac{X_m^2}{4} = -\dfrac{kX_m^2}{8}\)

3. Application numérique :

\(W = -\dfrac{20 \times (0,06)^2}{8} = -\dfrac{20 \times 3,6 \times 10^{-3}}{8} = -\dfrac{7,2 \times 10^{-2}}{8} = \boxed{-9 \times 10^{-3} \text{ J}}\)

Le travail est négatif : la force de rappel s’oppose au déplacement (elle est résistante).