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BACCALAURÉAT BLANC

Mars 2014 ___

PHYSIQUE-CHIMIE

Série S ___

DUREE DE L’EPREUVE : 3 H 30 - COEFFICIENT 6

___

L’usage d’une calculatrice EST autorisé

Ce sujet comporte trois exercices présentés sur 13 pages numérotées de 1 à 13, y compris celle-ci.

Les feuilles d’annexes (pages 12/13 et 13/13) sont à rendre agrafées avec la copie

Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont indépendants les uns des autres.

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EXERCICE I : LE RUGBY, SPORT DE CONTACT ET D’ÉVITEMENT (7 points) Le rugby est un sport d’équipe qui s’est développé dans les pays anglo-saxons à la fin du XIXème siècle.

Pour simplifier l’étude, les joueurs et le ballon seront supposés ponctuels.

Les parties I et II sont indépendantes. I. Le rugby, sport de contact

Document 1 : le plaquage

Il y a « plaquage » lorsqu’un joueur porteur du ballon, sur ses pieds dans le champ de jeu, est simultanément tenu par un ou plusieurs adversaires, qu’il est mis au sol et/ou que le ballon touche le sol. Ce joueur est appelé « joueur plaqué ».

D’après http://www.francerugby.fr/ Un joueur A de masse mA = 115 kg et animé d’une vitesse vA = 5,0 m.s−1est plaqué par un joueur B de masse mB = 110 kg et de vitesse négligeable.

1.1. Dans quel référentiel les vitesses sont-elles définies ? 1.2. On suppose que l’ensemble des deux joueurs est un système isolé.

Exprimer, en justifiant le raisonnement, la vitesse des deux joueurs liés après l’impact puis calculer sa valeur.

II. Le rugby, sport d’évitement.

Document 2 : La chandelle

Au rugby, une « chandelle » désigne un coup de pied permettant d’envoyer le ballon en hauteur par-dessus la ligne de défense adverse. L’objectif pour l’auteur de cette action est d’être au point de chute pour récupérer le ballon derrière le rideau défensif.

D’après http://www.francerugby.fr/ On se place dans le référentiel terrestre supposé galiléen. Le champ de pesanteur terrestre est considéré uniforme, de valeur g = 9,81 N.kg−1. On négligera toutes les actions dues à l’air.

Le joueur A est animé d’un mouvement rectiligne uniforme de vecteur vitesse 1v . Afin d’éviter un plaquage, il réalise une chandelle au-dessus de son adversaire. On définit un repère ( ), ,O i j :

- origine : position initiale du ballon ; - vecteur unitaire i de même direction et de même sens que 1v ;

- vecteur unitaire j vertical et vers le haut.

À l’instant t = 0 s, le vecteur vitesse du ballon fait un angle α égal à 60° avec l’axe Ox et sa valeur est v0 = 10,0 m.s−1.

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Le graphique ci-dessous représente la trajectoire du ballon dans le repère choisi.

2.1. Étude du mouvement du ballon.

2.1.1. Établir les coordonnées ax et ay du vecteur accélération du point M représentant le ballon.

2.1.2. Etablir les équations horaires du mouvement du point M qui sont :

x(t) = (v0 . cos α).t et y(t) = – 12

g t2 + (v0 . sin α).t

2.1.3. En déduire l’équation de la trajectoire du point M : 2

0

( ) (tan ).2( .cos )

gy x x xv

αα

= − +

2.1.4. Le tableau de l’ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE rassemble les représentations graphiques de l’évolution dans le temps des grandeurs x, y, vx et vy, coordonnées des vecteurs position et vitesse du point M. Dans le tableau de l’ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE, écrire sous chaque courbe l’expression de la grandeur qui lui correspond et justifier.

2.2.Une « chandelle » réussie

2.2.1. Déterminer par le calcul le temps dont dispose le joueur pour récupérer le ballon avant que

celui-ci ne touche le sol. Vérifier la valeur obtenue en faisant clairement apparaître la réponse sur l’un des graphes du tableau de l’ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE.

2.2.2. Déterminer de deux manières différentes la valeur de la vitesse v1 du joueur pour que la chandelle soit réussie.

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EXERCICE II : ALCOOL ET MAUX DE TÊTE (8 points) Plusieurs hypothèses ont été avancées pour expliquer les maux de tête qui surgissent généralement 15 à 30 minutes après une première consommation modérée de vin rouge. Une première explication mettrait la faute sur les tanins, qui sont des constituants antioxydants des raisins, et ce sont les vins rouges qui en produisent le plus. Les tanins augmentent la production de sérotonine au cerveau, ce qui pourrait entraîner des maux de tête.

L'ibuprofène est un anti-inflammatoire non stéroïdien, indiqué, chez l'adulte et l'enfant, dans le traitement de courte durée des douleurs telles que maux de tête.

L’ibuprofène est une molécule de formule brute C13H18O2. Son nom en nomenclature officielle est acide 2-(4-isobutylphényl)propanoïque.

De par ses propriétés anti-inflammatoire, antalgique et antipyrétique, elle constitue le principe actif de divers médicaments. Cet exercice comporte deux parties indépendantes conduisant à étudier la structure de la molécule d’ibuprofène et la chaptalisation du vin. I. La molécule d’ibuprofène

1.1. Sur la formule semi-développée de l’ibuprofène de la figure 1 de l’annexe à rendre avec la copie, entourer le groupe caractéristique associé à la fonction acide carboxylique.

1.2.La molécule d’ibuprofène est chirale. 1.2.1. Expliquer la cause de cette chiralité en la nommant et en la repérant sur la figure 2 de

l’annexe à rendre avec la copie. 1.2.2. Cette chiralité entraîne l’existence de deux énantiomères de l’ibuprofène. Comment

reconnaître si des molécules sont énantiomères ? Aucun schéma n’est attendu. 1.2.3. Sur la figure 3 de l’annexe à rendre avec la copie, la représentation de Cram de l’un des

deux énantiomères de l’ibuprofène est fournie, mais elle est inachevée. Compléter cette représentation et schématiser le deuxième énantiomère.

1.3.Diverses techniques d’analyse ont permis de connaître la structure de la molécule d’ibuprofène. Les

spectroscopies IR (infrarouge) et de RMN (résonance magnétique nucléaire) en sont deux exemples.

CCH

CHC

HC

HC

CHCH3C

OH

O

H2CCH

CH3

CH3

Formule semi-développée de l'ibuprofène

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Document 2 Bandes d’absorption IR de quelques types de liaisons chimiques

Document 1

Spectre infrarouge de l’ibuprofène

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Document 3

Spectre RMN de l’ibuprofène

L’aire du doublet (a) est environ six fois supérieure à celle du singulet (g), c’est-à-dire que le saut de la courbe d’intégration est six fois plus grand pour (a) que pour (g).

Document 4

Déplacements chimiques δ en ppm (partie par million)

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1.3.1. Donner l’origine des bandes d’absorption 1 et 2 du spectre infrarouge IR (document 1) en exploitant les données du document 2.

1.3.2. Sur la formule semi-développée de l’ibuprofène de la figure 4 de l’annexe, entourer la ou les atomes d’hydrogène associés au signal (g) du spectre RMN. Justifier votre réponse à l’aide du document 4.

1.3.3. Le signal (g) est un signal singulet. Expliquer pourquoi. 1.3.4. Sur la formule semi-développée de l’ibuprofène de la figure 5 de l’annexe, entourer la ou

les atomes d’hydrogène associés au signal (a) du spectre RMN. Justifier votre réponse.

1.3.5. Le signal (a) est un doublet. Justifier cette multiplicité.

II. Le procédé de chaptalisation

Une autre explication à l’apparition de maux de tête peu de temps après avoir bu du vin rouge est la présence de sulfites. Ceux-ci sont ajoutés comme agent de conservation et de stabilisation du vin. Au moment de la vinification, le vigneron peut également, si la teneur naturelle en sucre dans le moût lui semble insuffisante, ajouter du sucre pour augmenter le taux d’alcool : ce procédé légal mais très encadré porte le nom de chaptalisation. Cette partie se propose d’étudier le procédé de chaptalisation décrit par Jean-Antoine Chaptal (1756-1832) dans son essai L’art de faire, de gouverner et de perfectionner les vins. 2.1. Fermentation alcoolique du glucose En 1801, Jean-Antoine Chaptal écrit : « Le principe sucré existe dans le moût* et en fait un des principaux caractères, il disparoît par la fermentation et est remplacé par l’alcool qui caractérise essentiellement le vin. » Le sucre mentionné est du glucose contenu dans le jus de raisin, de formule brute C6H12O6 qui, sous l’action des levures de la peau du raisin, se transforme en éthanol. Cette réaction, dite fermentation alcoolique, produit également du dioxyde de carbone. * Le moût désigne la mixture obtenue après pression ou cuisson de fruits ou d'autres produits destinés à la fermentation.

2.1.1. Représenter la formule topologique de l’éthanol de formule brute C2H6O.

2.1.2. Quelle est la classe de l’éthanol ?

2.1.3. Écrire l’équation de la réaction de formation de l’éthanol lors de la fermentation alcoolique du glucose.

2.2.Chaptalisation du Muscadet Plus loin, Chaptal précise : « Comme le but et l’effet de la fermentation spiritueuse se réduisent à produire de l’alcool, en décomposant le principe sucré, il s’ensuit que la formation de l’un est toujours en proportion de la destruction de l’autre […] c’est pour cela qu’on augmente à volonté la quantité d’alcool, en ajoutant du sucre au moût qui paroît en manquer. » Cette méthode d’ajout de sucre a gardé son nom, la chaptalisation ; elle est utilisée depuis la fin du XVIIIe siècle. Dans l’appellation muscadet, la chaptalisation est autorisée si la teneur en glucose du moût est inférieure à 161 g.L-1. Pour savoir s’il est possible légalement d’ajouter du saccharose dans le moût de ce vin, il est nécessaire de doser le glucose qu’il contient.

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Principe du dosage : On oxyde, à chaud et en milieu basique, le glucose par l'acide 3,5-dinitrosalycilique (DNS), espèce chimique incolore. Cette réaction produit l'acide 3-amino-5-nitrosalicylique qui est un composé rouge. Une fois la réaction avec le DNS terminée, l’acide 3-amino-5-nitrosalicylique formé est dosé par spectrophotométrie visible. Cette réaction étant totale et le DNS étant en excès, la quantité d’acide formé est proportionnelle à la quantité de glucose oxydé. Protocole du dosage : Étape 1 : à partir d’une solution mère de glucose de concentration molaire Cglucose = 1,0 × 10-2 mol.L-1 et d’une solution contenant le DNS, un groupe d’élèves prépare cinq solutions dont ils mesurent les absorbances, une fois la réaction d’oxydation achevée. Les volumes utilisés pour préparer ces solutions et les valeurs des absorbances mesurées sont indiqués dans le tableau ci-dessous.

Solution 1 2 3 4 5 Volume de la solution mère (mL) 0 0,30 0,60 0,90 1,20 Volume du réactif contenant le DNS (mL) 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0

Volume d’eau distillée (mL) 3,0 2,7 2,4 2,1 1,8 Absorbance 0 0,25 0,51 0,74 1,1

Étape 2 : le groupe d’élèves prépare une solution X à partir d’une solution de moût du raisin Muscadet que l’on a dilué 50 fois. Les volumes utilisés pour préparer cette solution et la valeur de l’absorbance mesurée sont indiqués dans le tableau ci-dessous.

Solution X Volume du moût de raisin dilué (mL) 0,40 Volume du réactif contenant le DNS (mL) 2,0

Volume d’eau distillée (mL) 2,6 Absorbance 0,67

Donnée : M (glucose) = 180 g mol-1 . Exploitation :

2.2.1. Pourquoi a-t-on dilué le moût avant de préparer la solution X ? 2.2.2. Est-il possible de rajouter du saccharose dans le moût du raisin de Muscadet dans le

respect de la réglementation ? On attend pour cette question l’explicitation détaillée du raisonnement, les calculs et une conclusion.

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EXERCICE III : SURFER SUR LA VAGUE (5 points) La houle est un train de vagues régulier généré par un vent soufflant sur une grande étendue de mer sans obstacle, le fetch. En arrivant près du rivage, sous certaines conditions, la houle déferle au grand bonheur des surfeurs ! Les documents utiles à la résolution sont rassemblés à la fin de l’exercice. Donnée : intensité de la pesanteur : g = 9,8 m.s-2. I. La houle, onde mécanique progressive

1.1. Pourquoi peut-on dire que la houle est une onde mécanique progressive ? 1.2. Il est possible de simuler la houle au laboratoire de physique avec une cuve à ondes en utilisant

une lame vibrante qui crée à la surface de l’eau une onde progressive sinusoïdale de fréquence f = 23 Hz. On réalise une photographie du phénomène observé (document 1). Déterminer, en expliquant la méthode utilisée, la vitesse de propagation v de l’onde sinusoïdale générée par le vibreur.

1.3. Au large de la pointe bretonne, à une profondeur de 3000 m, la houle s’est formée avec une longueur d’onde de 60 m. En utilisant le document 2, calculer la vitesse de propagation v1 de cette houle. En déduire sa période T.

1.4. Arrivée de la houle dans une baie. 1.4.1. Sur la photographie aérienne du document 3, quel phénomène peut-on observer ? Quelle est la condition nécessaire à son apparition ? 1.4.2. Citer un autre type d’onde pour laquelle on peut observer le même phénomène.

II. Surfer sur la vague La houle atteint une côte sablonneuse et rentre dans la catégorie des ondes longues. 2.1.Calculer la nouvelle vitesse de propagation v2 de la houle lorsque la profondeur est égale à 4,0 m,

ainsi que sa nouvelle longueur d’onde λ2. Les résultats obtenus sont-ils conformes aux informations données dans le document 4 ?

2.2. Pour la pratique du surf, la configuration optimale est : - à marée montante c'est-à-dire entre le moment de basse mer et celui de pleine mer ; - avec une direction du vent venant du Sud-Ouest. Un surfeur consulte au préalable un site internet qui lui donne toutes les prévisions concernant le vent, la houle et les horaires des marées (document 5). Proposer en justifiant, un créneau favorable à la pratique du surf entre le jeudi 21 et le samedi 23 juin 2012.

2.3. Un autre phénomène très attendu par les surfeurs, lors des marées importantes est le mascaret. Le mascaret est une onde de marée qui remonte un fleuve. Cette onde se propage à une vitesse de l’ordre de 5,1 m.s-1.

Le passage du mascaret étant observé sur la commune d’Arcins à 17 h 58, à quelle heure arrivera-t-il à un endroit situé à une distance d = 13 km en amont du fleuve ?

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Document 1 : Simulation de la houle au laboratoire avec une cuve à ondes. Document 2 : Vitesse de propagation des ondes à la surface de l’eau. - cas des ondes dites « courtes » (en eau profonde) : longueur d’onde λ faible devant la profondeur h de l’océan (λ < 0,5 h)

.gv2

λ=

π

- cas des ondes dites « longues » (eau peu profonde) : longueur d’onde λ très grande devant la profondeur de l’océan (λ > 10h)

.v gh= g est l’intensité du champ de pesanteur terrestre. D’après http://ifremer.fr/ Document 3 : Photographie aérienne de l’arrivée de la houle dans une baie. Document 4 : Déferlement des vagues sur la côte En arrivant près de la côte, la houle atteint des eaux peu profondes. Dès que la profondeur est inférieure à la moitié de la longueur d’onde, les particules d’eau sont freinées par frottement avec le sol. La houle est alors ralentie et sa longueur d’onde diminue. Ces modifications des caractéristiques de l’onde s’accompagnent d’une augmentation d’amplitude. La période est la seule propriété de l’onde qui ne change pas à l’approche de la côte. Ainsi en arrivant près du rivage, la vitesse des particules sur la crête est plus importante que celle des particules dans le creux de l’onde, et lorsque la crête n’est plus en équilibre, la vague déferle.

D’après http://ifremer.fr/

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Document 5 : Prévisions maritimes.

Je 21

Je 21

Je 21

Je 21

Je 21

Je 21

Ve 22

Ve 22

Ve 22

Ve 22

Ve 22

Ve 22

Sa 23

Sa 23

Sa 23

Sa 23

Sa 23

Sa 23

05h 08h 11h 14h 17h 20h 05h 08h 11h 14h 17h 20h 05h 08h 11h 14h 17h 20h

4 7 16 23 21 21 17 15 15 15 15 12 10 10 10 13 14 15 5 10 25 28 28 28 23 21 18 19 18 15 13 13 12 15 18 21

0.7 0.7 0.9 1.3. 1.7 2.1. 2.6 2.6 2.6 2.4 2.3 2.2 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3

6 7 4 6 6 6 7 8 8 8 8 8 8 7 7 7 7 7

13 14 14 14 15 14 14 14 15 15 15 14 13 14 15 16 16 15

Tableau des marées – Juin 2012

Jour Pleine mer (h :min)

Basse mer (h :min)

Jeudi 21 juin 06 :54 19 :08 00 :58 13 :10 Vendredi 22 juin 07 :31 19 :44 01 :34 13 :46 Samedi 23 juin 08 :08 20 :22 02 :10 14 :24

Dimanche 24 juin 08 :47 21 :02 02 :49 15 :04

D’après http://www.windguru.cz/fr/

GFS 21.06.2012

00 UTC

Nom : Classe :

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ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE EXERCICE I : LE RUGBY, SPORT DE CONTACT ET D’EVITEMENT Tableau rassemblant les représentations graphiques de l’évolution dans le temps des grandeurs x, y, vx et vy.

Équation : Justification :

Équation : Justification :

Équation : Justification :

Équation : Justification :

Nom : Classe :

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EXERCICE II : ALCOOL ET MAUX DE TÊTE

Figure 1 (question 1.1.)

Figure 2 (question 1.2.1.)

Énantiomère 1 Énantiomère 2

Figure 3 (question 1.2.3.)

Figure 4 (question 1.3.2.)

Figure 5 (question 1.3.4.)