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SPECIFIQ

UE

Terminales S2 et S3

BAC BLANCJanvier 2015

PHYSIQUE-CHIMIE

SERIE SCIENTIFIQUE

Durée de l'épreuve : 3 h 30 – Coefficient : 6L'usage de la calculatrice est autorisé

Ce sujet comporte 13 pages numérotées

Physique chimie - Bac blanc n°1 (janvier 2015)

EXERCICE I :l'acidification des océans (7,5 points)

Dans cet exercice on s’intéresse, au processus dit « d'acidification de l’océan » et à ses conséquencessur les organismes calcificateurs comme les coraux et les mollusques qui fabriquent un squelette ou unecoquille calcaire.

Les parties 1, 2 et 3 sont indépendantes l'une de l'autre.

1. Acidification des océans

Les documents utiles à la résolution de cette partie sont donnés en fin de l’exercice.

1.1. Que peut-on déduire des courbes du document1 ?

Aujourd’hui, les océans ont un pH voisin de 8,1 soit 0,1 unité plus faible qu’au moment de la révolutionindustrielle.

1.2. À partir des documents 2 et 3, montrer qu’une augmentation de la quantité de dioxyde decarbone dans l’atmosphère conduit à une diminution du pH dans l’eau.

1.3. Montrer qu’une diminution de 0,1 unité pH au voisinage de 8,1 représente une augmentationde la concentration en ions oxonium [H3O+] d’environ 30%.

2. Le carbone dans les océans

Le carbone est principalement présent dans les océans sous trois formes qui coexistent : l’ion carbonateCO3

2–(aq), l’ion hydrogénocarbonate HCO3–(aq) et l’acide carbonique H2CO3(aq). Ce dernier étant

instable en solution aqueuse, s’écrit CO2(aq) + H2O(l).

On note Ka la constante d’acidité associée au couple acide / base noté HA / A–. On peut montrer que

pH=pKa+log([ A−][ HA ] ) . Soient Ka1 et Ka2 les constantes d’acidité des couples associés aux espèces

carbonées des réactions 1 et 2 du document 3.

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Moules et huîtres menacées par l’acidification des océans

Depuis le début de l’ère industrielle, les émissions anthropiques (1) de dioxyde de carbone (CO2) dans

l’atmosphère ont fortement augmenté …

Frédéric Gazeau, chercheur à l’Institut Néerlandais d’Écologie, et ses collègues dont Jean-pierreGattuso, directeur de recherche au laboratoire d’Océanographie de Villefranche-sur-mer(CNRS/Université Pierre et Marie Curie) ont examiné la réponse des huîtres et des moules cultivées enEurope à l’acidification des océans.

Les résultats, publiés dans la revue Geophysical Research Letters, sont sans appel : ils montrent pour lapremière fois que ces mollusques seront directement affectés par le bouleversement en cours de lacomposition chimique de l’eau de mer. Au-delà de leur intérêt commercial, les moules et les huîtresrendent des services écologiques très importants : elles créent par exemple des habitats permettantl’installation d’autres espèces, contrôlent en grande partie les flux de matière et d’énergie et sontd’importantes proies pour les oiseaux au sein des écosystèmes qui les abritent. Un déclin de cesespèces aurait donc des conséquences graves sur la biodiversité des écosystèmes côtiers et sur lesservices qu’elles rendent aux populations humaines.

Note (1) : anthropique : lié aux activités humaines.

d’après http://www2.cnrs.fr/communique/1054.htmhttp://www.science.gouv.fr/fr/actualites/bdd/res/2555/moules-et-huitres-menaces-par-l-acidifiaction-des-oceans/


On pose CT =[CO2 ]+[ HCO3− ]+[CO3

2− ]

Le diagramme du document 4 représente les variations en fonction du pH des rapports :

α1=[ CO2 ]

CT

, α2=[ HCO3

− ]CT

, α3=[ CO3

2−]CT

2.1. Déduire de ce diagramme les valeurs de pKa1 et pKa2.

2.2. Placer sur un axe gradué, représentant l'échelle de pH, les domaines de prédominance desespèces CO2 (aq), HCO3

− (aq) et CO32− (aq).

2.3. Évaluer α1, α2 et α3 dans les océans.

2.4. La variation de pH observée a-t-elle modifié de manière notable la valeur de α2 ?

2.5. Quelle est la conséquence de l’augmentation du dioxyde de carbone dissous pour lesorganismes marins qui ont une coquille à base de carbonate de calcium ? Justifier à l’aide d’undes documents.

3. Du corail artificiel pour protéger les récifs de l'acidité des océans

3.1. En vous aidant des informations de toutes les parties de cet exercice, expliquer l'intérêtchimique d'utiliser ce corail, puis réfléchir sur les avantages et inconvénients de cette solutioninnovante qui permettrait de protéger le corail ou les huîtres ? Toute prise d'initiative pertinentesera valorisée.

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Les récifs coralliens ne sont pas seulement magnifiques, ils sont également vitaux pour les écosystèmesmarins et les communautés côtières qu’ils protègent des vagues et des tempêtes.

Mais ces organismes fragiles sont aujourd’hui menacés par l’acidification grandissante des océans,causée par les émissions de CO2.

Ce danger, qui pèse sur les récifs, a incité Nell Benett, une diplômée du Royal College of Art de Londres,à concevoir un produit qui serait capable de réduire l’acidité de l’eau autour du corail.

[...] Voici la solution innovante proposée par Nell Bennett : un corail artificiel, fabriqué à partir dematériaux alcalins riches en minéraux, comprenant du carbonate de calcium (CaCO3) et du carbonatede sodium (Na2CO3) . Placé sur un récif corallien, le corail artificiel va se dissoudre lentement,permettant ainsi de réduire le niveau d’acidité de l’eau. Nell Bennett estime qu’il faudrait tester le produitpendant au moins un an en mer pour évaluer son efficacité.

‘‘C’est tout simplement une matière qui se dissout dans l’eau, dit-elle. Il n’y a pas de grandestechnologies ou quoi que ce soit à apprendre aux communautés locales qui souhaiteraient l’utiliser.’‘

Selon les chercheurs, l’acidité des océans aurait augmenté de 26 % par rapport à la période pré-industrielle. Si les émissions de CO2 ne baissent pas, beaucoup craignent que les récifs coralliens soientamenés, à terme, à disparaître.

D'après article Euronews du 9 octobre 2014

http://fr.euronews.com/2014/10/09/du-corail-artificiel-pour-proteger-les-recifs-de-l-acidite-des-oceans/

Le carbonate de sodium se dissout dans l'eau selon la réaction :

Na2CO3 (s) → 2 Na+(aq) + CO3

2−(aq)

http://fr.euronews.com/2014/10/09/du-corail-artificiel-pour-proteger-les-recifs-de-l-acidite-des-oceans/


DOCUMENTS DE L’EXERCICE I

Document 1 – Évolution depuis 1958 de la composition en CO2 dans l’atmosphère à Mauna Loa (Hawaï), de la pression de CO2 dans l’océan, du pH de l’océan.

Document 2 – Loi de Henry

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La dissolution d’un gaz dans l’eau obéit à la loi de Henry selon laquelle à température constante, laconcentration C du gaz dissous est proportionnelle à la pression partielle p qu’exerce ce gaz au-dessus du liquide.

À chaque instant un pourcentage constant des molécules du gaz dissous dans la phase liquide repasseà l’état gazeux et s’échappe du liquide mais dans le même temps le même pourcentage des moléculesde ce gaz passe en solution. Lorsque les deux flux se compensent, l’équilibre de saturation est atteint,soit pour le dioxyde de carbone :

CO2 (g) ⇌ CO2 (aq)

La courbe représentant la concentration en dioxyde de carbone dans l’atmosphère exprimée en ppmv(partie par million par volume) n’est qu’une indication de l’évolution de cette concentration sans soucid’échelle.Afin de comparer le contenu en CO2 de l’atmosphère et de l’eau de mer, on définit la pression de CO2dans l’océan :

p CO2=[CO2 ]

βoù β est le coefficient de solubilité du CO2,


Document 3 - Réactions d’équilibre des espèces carbonées

Document 4 - Variation en fonction du pH des rapports α1,α2 et α3.

Document 5 - Réaction de dissolution du carbonate de calcium.

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Dans les eaux de surface de l’océan, le carbone se présente sous trois formes minérales dissoutes enéquilibre chimique selon les réactions ci-dessous :

CO2 (aq) + 2H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + HCO3– (aq) (Réaction 1)

HCO3– (aq) + H2O (l) ⇌ H3O+ (aq) + CO3

2– (aq) (Réaction 2)

En présence d’un excès de dioxyde de carbone, le carbonate de calcium CaCO3(s) se dissout selon

l’équation :

CaCO3 (s) + CO2 (aq) + H2O ( l) ⇌ Ca2+ (aq) +2 HCO3– (aq)


EXERCICE II : Un nouveau stockage optique : Le Blu-ray (7,5 points)

Document 1 : Technique du disque laser

Document 2 : LASER et émission stimulée d'un photon

LASER : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Amplification de lumière parémission stimulée de rayonnement),

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La technique du disque LASER repose sur une méthode optique : un faisceau de lumière cohérente(LASER) vient frapper le disque en rotation. Des cavités de largeur 0,6 µm, dont la longueur oscilleentre 0,833 µm et 3,56 µm, sont creusées à la surface réfléchissante du disque, produisant desvariations binaires de l’intensité lumineuse du rayon réfléchi qui sont enregistrées par un capteur.

Plus précisément, lorsque le faisceau passe de la surface plane (plat) à une cavité (creux), il se produitdes interférences et la valeur binaire 1 est attribuée. Au contraire, tant que le faisceau reste dans uncreux ou sur un plat, le capteur détecte le même faisceau original et fait correspondre à cet état lavaleur binaire 0.

L’information binaire peut être ensuite transformée en un signal analogique par un convertisseur.


1. Le LASER, faisceau de lumière cohérente :

La lumière émise par la source LASER provient de l’émission stimulée d’atomes excités auparavant(l'étape d'excitation s'appelle le pompage optique). On a représenté sur le document 3 deux niveauxd’énergie d’un atome présent dans la cavité de la sourceLASER.

1.1. Dans quel niveau d’énergie l’atome est-ille plus excité ?

1.2. Quelle est la valeur de la longueur d’ondede la radiation lumineuse qu’il faut envoyer surl’atome pour provoquer une émission stimulée decet atome ?

La relation entre la fréquence ν de la radiation lumineuse et l’énergie E du photon est E=h×ν

Constante de Planck : h = 6,62×10–34 J.s

Célérité de la lumière : c = 3,00×108 m.s-1

1 eV = 1,60×10–19 J

1.3. Quelle est la longueur d’onde de la radiation émise par l’atome ?

1.4. Donner une caractéristique de la lumière LASER.

2. Lecture des informations sur le disque LASER :

Le document 4 (page suivante) représente le système de lecture du disque.

Le faisceau lumineux, constitué d’une lumière monochromatique de longueur d’onde λ0 dans le videest émis par la diode LASER. Il traverse une couche protectrice transparente en polycarbonate dontl’indice est n = 1,55, puis il est réfléchi par le disque et détecté par la photodiode.

Lors de la détection d’un 0, le faisceau est entièrement réfléchi par un plat ou par un creux (figure 1document 4). Tous les rayons composant le faisceau ont donc parcouru un même trajet. Lors de ladétection d’un 1, le faisceau laser passe d’un plat à un creux ou inversement (figure 2 document 4). Unepartie du faisceau est alors réfléchie par le plat et l’autre partie par le creux. Tous les rayons composantle faisceau n’ont donc pas parcouru le même trajet.

On note ΔL la différence de parcours des deux parties du faisceau qui se superposent et interfèrent lorsde leur détection.

L’indice n d’un milieu transparent est défini par la relation n=cv

, v étant la célérité de la lumière dans

le milieu transparent.

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Document 3

Figure 1

Figure 2

Document 4


Dans le polycarbonate, la longueur d’onde de la lumière monochromatique constituant le faisceau est :

λ=λ0

n

2.1. Calculer, dans le vide, la fréquence du laser νC D utilisé par un lecteur CD (voir document 6page suivante).

2.2. L’indice du polycarbonate est n= 1,55. Calculer la célérité de l’onde lumineuse dans le CD.

2.3. Que devient la fréquence νC D dans l'air puis dans le polycarbonate ?

2.4. Donner la condition que doit vérifier ΔL pour que les interférences soient destructives.

2.5. Montrer que la profondeur minimale d du creux s’exprime en fonction de λ , la longueur

d’onde de la lumière laser dans le polycarbonate, par la relation : d= λ4

2.6. Calculer d pour un CD.

2.7. Dans quel cas le capteur reçoit-il plus de lumière (détection d'un 0 ou détection d'un 1) ?Justifier la réponse.

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3. Intérêt de la technologie Blu-Ray :

La quantité NA = sin α est appelée « ouverturenumérique ».

α est l’angle d’ouverture du demi-cône formé parle faisceau laser (voir document 3).

Le diamètre D du spot sur l’écran s’exprime alorspar la formule :

D = 1,22. 0lNA

Il est donné sur le document 6 les valeurs de l’ouverture numérique, de la longueur d’onde et de la

distance l qui sépare deux lignes de données sur le disque.

3.1. Justifier l’appellation « Blu-ray » en faisant référence à la longueur d’onde du faisceau Laser.

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Document 5

Document 6


3.2. Quel est le phénomène physique propre aux ondes qui empêche d’obtenir un faisceau dediamètre plus petit sur le CD ?

3.3. En utilisant les données du document 6, vérifier que le diamètre D du spot dans le cas de latechnologie Blu-ray est compatible avec la distance 2 l qui sépare trois lignes de données surle disque.

3.4. En argumentant votre réponse expliquer comment a-t-on augmenté la capacité de stockage dudisque sans modifier sa surface.

3.5. Doit-on conserver sur un disque Blu-ray, la même profondeur de cuvette que sur un CDclassique ? Justifier la réponse.

Un lecteur vendu comme Blu-ray permet aussi de lire les CD et les DVD. Après un usage intensif, il peutarriver qu'un des formats de disque ne soit plus lisible alors qu'il est toujours possible de lire les autresformats.

3.6. Après l'étude précédente, un laser utilisé pour le Blu-ray peut-il être utilisé pour lire un CD ?Justifier brièvement.

3.7. Comment peut-on expliquer qu'un lecteur Blu-ray du commerce puisse aussi lire les DVD et lesCD ?

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EXERCICE III : Les ondes sonores et l'oreille (5 points)

D'après le bac blanc n°2 du Lycée Emile Zola de Rennes

Doc.1 : Camille réalise les observations suivantes

• Aucun signal sonore ne nous parvient du Soleil, alors qu’il s’y deroule en permanence degigantesques explosions.

• Une bougie est placee devant un haut-parleur qui emet un son tres grave. La flamme serapproche et s’eloigne alternativement de la membrane du haut-parleur, mais elle n’oscille pasdans la direction perpendiculaire.

Doc.2 :

Doc.3 : Données

• Intensite sonore de reference : I0 = 1,0.10-12 W.m-2.

• Le niveau d’intensite sonore L d’une source s’exprime par L = 10log( II0 ) avec I, l'intensité

sonore de la source en W.m-2.

• L’intensite sonore I a une distance d d’une source emettant dans toutes les directions est liee a

la puissance P de cette source par : I =PS

avec S la surface de la sphère de rayon d :

S = 4π .d2 .

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Doc.4 : Diagramme de Fletcher

Le diagramme de Fletcher indique les courbes isosoniques qui correspondent aux niveaux d’intensitesonore percue par l’oreille.

• Sur la figure 1 ci-dessous, on a le diagramme pour une personne « normale ».

• Sur figure 2 ci-dessous, on indique les limites de la parole et de la conservation.

1. Ondes sonores

1.1. Quelles sont les deux caracteristiques des ondes sonores qui decoulent des observations duDoc.1 ?

2. Sensibilite de l’oreille humaine

En utilisant le Doc.4 :

2.1. Que represente une courbe isosonique ?

2.2. Un son de frequence 40 Hz et de niveau sonore 40 dB peut-il etre entendu par une oreillehumaine ?

2.3. Delimiter la zone de confort d’ecoute d’une conversation entre deux individus ?

2.4. Pour quelle frequence la sensibilite de l’oreille humaine est-elle la plus grande ?

2.5. On considere un son de frequence 500 Hz et de niveau sonore 40 dB.

Quel est le niveau sonore de frequence 100 Hz donnant la meme sensibilite auditive ?

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2.6. A la television, les publicites nous paraissent souvent plus sonores que les films. Le niveaud’intensite sonore est pourtant reglemente. Certaines publicites jouent sur la sensibilite del’oreille afin de paraitre plus sonores, tout en respectant les normes en decibels.

Expliquer comment une publicite peut paraitre plus sonore tout en respectant la legislation ?

3. Nuisance sonore

Une usine bruyante est assimilee a une source sonore ponctuelle emettant des ondes sonoresspheriques, de frequence proche de 500 Hz et de niveau sonore L = 130 dB.

L’emission se fait sans attenuation et de facon identique dans toutes les directions de l’espace. Unehabitation est situee a une distance d = 200 m de cette usine. (Voir Doc.2)

3.1. La puissance emise par la source sonore est P = 10 W.

Quel est le niveau sonore L’ (en dB) a proximite directe de l’habitation ?

3.2. Est-ce tolerable ? Soyez critique.

3.3. A quelle distance de l’usine le son n’est-il plus percu (dans ce cas I = I0) ? On suppose qu’il n’ya pas d’amortissement du son lors de la propagation.

3.4. L’affirmation du cycliste est-elle juste ?

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