Différents exercices donnés en devoir les années précédentes pour le devoir n°2

avec la correction et le barème

Exercice : Electrophorèse – 4,5 points – 15 min

L’électrophorèse est une technique d’analyse utilisée en biologie pour identifier les acides

aminés présents dans une solution.

Doc 1 : Protocole expérimental d’électrophorèse

Plonger une bande rectangulaire de papier Whatman (a) dans la solution tampon de pH 7.

Placer la bande dans l'appareil à électrophorèse dont les cuves (b) ont été préalablement remplies de la solution tampon. Veiller à ce que seules les deux extrémités de la bande trempent dans leurs bacs respectifs.

Placer une plaque métallique (c) dans chacun des bacs (elles sont notées anode et cathode) et les connecter à un générateur de tension électrique continue réglé sur 100 V.

Au centre D de la bande, déposer une mince ligne de l'échantillon liquide.

Attendre environ 1 h, puis égoutter et sécher la bande à l'étuve.

Pulvériser un révélateur chimique, puis révéler à l’étuve. La figure obtenue est appelée électrophorégramme.

1. En modélisant la cuve à électrophorèse comme un condensateur plan, déterminer les caractéristiques du champ électrostatique dans la cuve ?

2. En utilisant la relation E = U/d, déterminer la valeur du champ électrostatique qui règne entre les deux plaques métalliques.

3. Sur le schéma du doc. 1, représenter le vecteur champ électrostatique au point D (sur la ligne de dépôt).

4. Identifier les acides aminés correspondant aux trois taches observées sur l'electrophorégramme du doc 2. Justifier en utilisant la relation entre la force électrostatique et le champ.

Si on considère la cuve comme un condensateur plan, le champ électrique est un vecteur perpendiculaire aux deux plaques, dirigé vers la cathode et uniforme tel que E = U/d

. E = U/d = 100/0,12 = 8,3.102 V/m

Représentation correcte

. On utilise la relation : �⃗� = q�⃗⃗�. Si l’acide aminé a migré vers la gauche, c’est que la force l’a attiré vers

la gauche. Donc c’est que la force est dirigée dans le même sens que le vecteur champ électrique.

Donc c’est que la charge est positive. Il s’agit donc de la lysine. L’acide aminé qui n’a pas bougé a une

charge nulle : l’alanine.

(relation) (sens F et E ->charge)

(identif)

TOTAL EXERCICE sur 4,5 points

Exercice : Quand il est question de champs : 9,5 points – environ 20 minutes

A- Thermogramme La thermographie infrarouge est une technique permettant d'obtenir une image thermique d'une

scène par analyse du rayonnement infrarouge. L'image obtenue est

appelée thermogramme.

L’image ci-jointe représente le thermogramme d'un chien. Elle

permet de visualiser un champ.

1. Quelle est la grandeur associée à ce champ ?

2. S’agit-il d'un champ scalaire ou vectoriel ? Justifier

3. Quelle est la température de la truffe du chien ?

B - Champ électrique

Le solide ponctuel S porte une charge positive Q. On place en un point A à son voisinage un objet-

test portant une charge q

1. Cas 1 : la charge q est positive

a. Sur le schéma ci-joint représenter la force électrostatique

exercée par le solide S sur l'objet-test. Justifier le tracé.

b. Représenter le vecteur EA représentant le champ électrostatique en A. Justifier le tracé. 2. Cas 2 : la charge q est négative a. Le champ électrostatique en A est-il modifié ? Justifier

b. La force électrostatique exercée par S sur l'objet-test est-elle modifiée ? Justifier

Champ magnétique

La photographie ci-contre représente le spectre d'un aimant en U. Il est

obtenu en disposant de la limaille de fer sur une plaque en plexiglass

déposée sur l’aimant

1. S’agit-il d’un champ scalaire ou vectoriel ? Justifier

2. Quel est le nom des lignes que l'on peut modéliser à partir de la

photographie ? Justifier

3. Quel instrument pourrait permettre d‘orienter ses lignes ?

4. Avec cette photo peut-on dire si le champ est uniforme? Justifier

A1. Il s’agit d’un champ de température

A2.Il s’agit d’un champ scalaire : les couleurs de l’image donnent des valeurs (de T) en tout point de l’espace

A3. La température de la truffe est de 20°C car elle est en bleue. La température de la fourrure est plus élevée (Les couleurs jaune et rouges correspond ent à des températures de 30-35°C)

B1a. Les deux charges sont positives. Donc la force électriques est répulsive. (justif) (schéma)

B1b. D’après la définition : �⃗� = q�⃗⃗�. q est positive. Donc le vecteur champ aura le même sens

que la force.

(justif) (schéma)

B2a. Le champ est inchangé car il est du à la particule S qui est restée inchangé.

B2b. La force est modifiée. La particule test étant chargée négativement, la force aura un sens opposé à E

C. 1. Le champ magnétique est un champ vectoriel

Il s’agit de ligne de champ. Elles donnent la direction du champ magnétique

C. 2. Une boussole donnerait la direction du champ.

C.3. On ne peut pas savoir si la valeur du champ est la même en tout point de l’espace. Cependant, on voit que la direction n’est pas la même partout. Le champ n’est donc pas uniforme

TOTAL EXERCICE sur 9,5 points

Exercice : Particules élémentaires : 2 points – environ 10 minutes

La masse de tous les électrons d’un atome est 5,5.10-30 kg.

1. Combien d’électrons possède cet atome. Justifier. 2. Quel est le nombre de charges positives portées par le noyau de cet atome ? Justifier. 3. Quel est le nom de ces particules qui portent les charges positives ?

1. Nombre d’électrons = masse de tous les électrons/Masse d’un

électron = 5,5.10-30/9,1 10–31 = 6

(justif) (calcul)

2. L’atome étant électriquement neutre il y a 6 charges positives.

3. Ce sont des protons

TOTAL EXERCICE sur 2 points

Exercice : Interactions fondamentales : 8,5 points – environ 25 minutes

Les deux parties de cet exercice sont indépendantes

Partie A : Le tritium

Le tritium 𝐻13 est un isotope de l’élément Hydrogène.

1. Déterminer le nombre de proton(s), de neutron(s), d’électron(s) et de nucléon(s) présents dans cet atome.

2. Calculer la force d’interaction électrique s’exerçant entre le noyau et un électron se trouvant à 5,0.10-2 nm.

3. Calculer la force d’interaction gravitationnelle exercée par la Terre sur un électron posé à sa surface.

4. En déduire l’influence de l’attraction de la Terre face aux interactions électriques dans un atome.

Partie B : Le satellite MetOp

MetOp est un des satellites météorologiques de la Terre. Sa masse est de 4,1 t. Il décrit une orbite

circulaire a une altitude h = 820 km.

1. Calculer la force d’interaction gravitationnelle exercée par la Terre sur le satellite. 2. Que peut-on dire de la force d’interaction électrique entre ces deux mêmes objets ? Justifier. 3. Quelle est l’interaction qui prédomine à cette échelle. Justifier.

A.1 1 proton, 2 neutrons et 1 électron

2. Fe = k2d

qq BA = 9,0.109×(1,60.10−19)²

(5,0.10−11)² =9,2.10-8 N

(expression) (choix des valeurs) (calcul correct)

3. Fg = (GMtme)/Rt² = 6.67.10-11x5,97.10-24x9,1.10-31/(6,38.106)² = 8,9.10-30 N

(expression) (choix des valeurs) (calcul correct)

4. L’attraction terrestre est négligeable devant les interactions électriques

B. 1. Fg = (GMtmsat)/(Rt+h)² = 6.67.10-11x5,97.10-24x4,1.103/(6,38.106+820.103)² =3,1.104 N

(expression) (choix des valeurs) (calcul correct)

B.2. Les deux objets étant électriquement neutre, l’interaction électrique est nulle.

(valeur) (justif)

B.3. A l’échelle astronomique, c’est donc l’interaction gravitationnelle qui prédomine

Résultats sans unité ou avec une unité incorrecte - 0,5

Incohérence du nombre de chiffres significatifs - 0,5

TOTAL EXERCICE sur 8,5 points

Exercice : Dosage du bleu de méthylène : 13,5 points – environ 25 minutes

Le collyre est une solution pharmaceutique qui permet de traiter les

infections des yeux ou des paupières. Le collyre étudié contient du bleu de

méthylène, que l’on veut doser et dont le spectre d’absorption a l’allure

suivante.

1. A l’aide du spectre, expliquer pourquoi cette molécule donne une

couleur bleue à la solution. 2. On se place au maximum d’absorption pour réaliser des les mesures avec précision avec un

spectrophotomètre. A quelle longueur d’onde se place-ton avec cette solution ? 3. À partir d'une solution-mère de bleu de méthylène, on répare une échelle de teintes dont les

concentrations masques et les mesures d'absorbance sont données dans le tableau suivant

:

a. Tracer le graphe représentant l'absorbance en fonction de la concentration massique.

b. Quelle est la nature de la courbe obtenue ?

c. Quelle loi est ainsi mise en évidence ? Justifier.

d. Déterminer la relation numérique entre A et Cm. Justifier.

e. L'absorbance du collyre dilué 100 fois vaut 0,314. Quelle est la concentration massique du bleu

de méthylène dans la solution de collyre diluée ? Justifier.

f. En déduire la concentration massique du bleu de méthylène dans le collyre commercial. Justifier.

Correction et grille d’évaluation

. Le spectre montre que la molécule absorbe dans le domaine du rouge. La molécule apparaît donc bleue.

2. Pour être au maximum, il faut se placer vers 650 nm.

3. a. (choix de l’échelle) (noms des axes avec les unités) (points correctement placés) (droite bien tracée)

3.b. La courbe est une droite passant par l’origine. (droite) (passant par

l’origine)

3.c. On peut donc en déduire que l’absorbance est proportionnelle à la concentration. C’est la loi de Beer-Lambert qui est ainsi mise en évidence.

3.d. En prenant un point sur la droite, on peut calculer le coefficient directeur : Avec le point A : ΔA/ ΔCm = 0,3/2,4=0,13 L.mg-1 Soit A = 0,13 Cm avec Cm en mg.L-1

(coef. Dir.) (calcul) (conclusion)

3.e. Par lecture graphique ou par l’expression mathématique de la question 3.d. Lecture graphique (point B) : Cm = 2,5 mg.L-1

Grâce à l’équation de droite : A = 0,13 Cm . On a Cm = A /0,13 = 0,314/0.13 = 2,4 mg.L-1

(méthode expliquée)

(détermination

exacte)

3.d. On connaît la concentration massique de la solution diluée 100 fois. Pour obtenir la concentration avant dilution, il faut multiplier par 100. On obtient : Cm = 100 x 2,5 (ou 2,4) = 250 (ou 240) mg.L-1

(explication) (valeur)

Unité incorrecte ou problème de chiffres significatifs -0,5

TOTAL EXERCICE sur 13,5 points

Concentration massique (mg.L-1) 0,500 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

Absorbance 0,053 0,128 0,243 0,374 0,488 0,659