physiqueChime1ereS by Ariane Aymka

Physique-Chimie 1er S

v 10/10

Sommaire

Partie A : Chapitre I : Chapitre II : Chapitre III : Chapitre IV : Chapitre V : Chapitre VI

Cours de Physique...................................................................................... 3

Les interactions fondamentales .................................................................... 4 Forces et mouvements.................................................................................. 7 Travail mécanique et énergie...................................................................... 12 Circuit électrique en courant continu........................................................... 16 Forces electromagnétiques ......................................................................... 19 Optique………… ………………………………………………………………23

Partie B : Chapitre I : Chapitre II : Chapitre III : Chapitre IV : Chapitre V : Chapitre VI : Chapitre VII :

Cours de Chimie ....................................................................................... 27

Grandeurs physiques .................................................................................. 28 Conductimetrie. ........................................................................................... 34 Solutions aqueuses. .................................................................................... 37 La chaine carbonée..................................................................................... 41 Les groupes fonctionnels. ........................................................................... 44 Nomenclature des composés organiques................................................... 47 La matière et ses transformations............................................................... 49

Partie C : Chapitre I : Chapitre II : Chapitre III : Chapitre IV : Chapitre V : Chapitre VI :

Les Intéractions fondamentales .................................................................. 52 Forces et mouvement.................................................................................. 53 Travail mécanique et énergie...................................................................... 57 Circuit électrique en courant continu........................................................... 60 Forces électromagnétiques......................................................................... 62 Optique …………………………………………………………………………..65

Partie D : Chapitre I : Chapitre II : Chapitre III : Chapitre IV : Chapitre V : Chapitre VI : Chapitre VII :

Exercices de Physique.............................................................................. 51

Exercices de Chimie. ............................................................................... 69

Grandeurs physiques. ................................................................................. 70 Conductimetrie ............................................................................................ 72 Solutions aqueuses ..................................................................................... 73 La chaîne carbonee..................................................................................... 77 Les groupes fonctionnels ............................................................................ 78 Nomenclature des composés organiques................................................... 79 La matière et ses transformations............................................................... 79

Partie E : Partie F :

Correction des exercices de physique ...................................................... 83 Correction des exercices de chimie........................................................... 89

Grandeurs et unités en sciences physiques et chimie ......................................................................... 92 Conductivités molaires ioniques à 25 °C................................................................................................ 92 Tableau de données.................................................................................................................................. 92

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Partie A : COURS DE

PHYSIQUE

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Chapitre I : LES INTERACTIONS FONDAMENTALES I. RAPPEL SUR LES VECTEURS Un vecteur possède 4 caractéristiques : une direction, un sens et une norme et un point d'application. Addition de deux vecteurs

r r A et B :

A α

C B

Remarque : A + B = C n’implique pas || A || + || B || = || C ||. On a seulement || A || + || B || ≥ || C || (inégalité triangulaire) Produit scalaire de deux vecteurs

r A

( )

et B : A . B =|| A ||.|| B ||.cos α, α étant l’angle A, B .

II. LES TROIS INTERACTIONS FONDAMENTALES 1° L'interaction gravitationnelle (rappel) L’interaction gravitationnelle est l’interaction qui existe entre deux corps de masses non nulles. Deux corps ponctuels A et B de masses mA et mB exercent l’un sur l’autre des forces attractives. Ces forces ont même

direction, même valeur mais sont de sens contraires. La force gravitationnelle FA→ B exercée par le corps A sur le corps B a pour caractéristiques : Direction : celle de la droite (AB) Sens : de B vers A. Point d’application : centre d’inertie du solide B.

Intensité: • •

FA→B = FB→ A = G

m A ⋅ mB r2

G est la constante de gravitation universelle (G=6,67.10-11 U.S.I.). FA->B=intensité de la force gravitationnelle en newton (N).

FB → A FA → B

• •

mA et mB=masses des corps A et B (kg). r =distance entre A et B (m). B

2° L'interaction électrostatique a - Les particules élémentaires La matière est constituée d'atomes. Ces atomes sont eux-mêmes constitués de protons, de neutrons et d'électrons. Les protons et les neutrons, constitutifs du noyau, sont appelés nucléons.

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Localisation

charge

+ e = 1,6 ⋅ 10

Masse −19

1,67 ⋅ 10 −27 kg

Protons

Dans le noyau

Neutrons

Dans le noyau

1,67 ⋅ 10 −27 kg

Electrons

Autour du noyau

− e = − 1,6 ⋅ 10 −19 C

9,11 ⋅ 10 −31 kg

On appelle e la charge électrique élémentaire. Elle correspond à la charge d'un proton et s’exprime en Coulomb (C). Toute charge Q est un multiple de cette charge élémentaire : Q = n ⋅ e, n ∈ Ν Le nombre de protons est caractéristique de l'élément chimique considéré. Un atome est électriquement neutre, il possède autant d'électrons que de protons. On appelle isotope des noyaux qui ont le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons.

b - L’interaction électrostatique L’interaction électrostatique est créée par les charges électriques des corps. • •

Deux charges de même signe se repoussent : l’interaction électrostatique est répulsive. Deux charges de signes opposés s’attirent : l’interaction électrostatique est attractive.

qA<0 FB → A

qA<0 FB → A FA→ B

FA→ B

qB>0

qB< 0

r Interaction attractive (qA et qB sont de signes opposés)

Interaction répulsive (qA et qB sont de même signe)

r La force électrostatique FA→ B exercée par le corps A sur le corps B a pour caractéristiques :

Direction : celle de la droite (AB) Sens : de B vers A, si les charges sont de signes opposés, de A vers B si les charges sont de même signe. Point d’application : centre d’inertie du corps B. Intensité: FA→ B = FB → A = k • • •

q A ⋅ qB r2

Cette relation est nommée « loi de coulomb ».

k= constante de d’interaction électrostatique ( k ≅ 9 ⋅ 10 U .S .I . ). qA et qB sont les charges des deux corps A et B en coulomb (C). r=distance séparant A et B en mètre (m). 9

Remarque : cette force est donc d'autant plus forte que les particules sont chargées, et qu'elles sont proches. En effet, cette conséquence est due à la norme de la force : plus le numérateur est grand et/ou plus le dénominateur est petit, plus la valeur de la force augmente. Un atome ayant perdu ou gagné un électron devient chargé. On parle alors d’ion. Les électrons peuvent se déplacer librement dans un métal et dans une solution électrolytique (eau salée…). Leurs mouvements sont susceptibles de donner naissance à des courants électriques. Les métaux et les solutions électrolytiques sont donc des conducteurs. D'autres matériaux (verre, bois, matières plastiques…), sont des isolants. Dans les isolants, les électrons ne peuvent presque pas se déplacer, les courants électriques ne peuvent pas apparaitre.

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3° L'interaction forte Les noyaux des atomes sont constitués de neutrons et de protons. Les protons étant chargé positivement, la répulsion électrique entre les protons devrait faire « éclater » les noyaux. La cohésion du noyau est assurée par une interaction fondamentale, plus intense que l’interaction électrostatique: l'interaction forte. Cette interaction attractive est de courte portée et n’est valable que pour les noyaux allant de l’hydrogène (H) à l’uranium (U). Son action ne dépasse pas les dimensions du noyau, soit 10 - 15 m.

III. INTERACTIONS ET COHESION DE LA MATIERE A DIVERSES ECHELLES • •

A l’échelle atomique, l’interaction électrostatique prédomine. Elle assure la cohésion des atomes et des molécules par l’intermédiaire des liaisons chimiques. Elle est à l’origine des différentes forces intermoléculaires. A l'échelle astronomique, les corps sont globalement neutres, la cohésion de la matière est donc assurée par l’interaction gravitationnelle. C’est l’interaction la plus faible qui existe mais elle est toujours attractive. Les forces gravitationnelles cumulent leurs effets, et leurs actions se manifestent à grande distance. L’interaction gravitationnelle explique le mouvement des corps célestes.

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Chapitre II : FORCES ET MOUVEMENTS I. MOUVEMENT D’UN SOLIDE INDEFORMABLE 1° Vecteur vitesse instantanée d’un point du solide Au cours du mouvement, le centre r d’inertie du solide occupe les positions successives M1,M2,….. A la date t, le vecteur vitesse instantanée v(t) a pour caractéristiques : Direction : Celle de la tangente à la trajectoire du point M. Sens : celui du mouvement du point M. Point d’application : le point M. r 1 -1 Norme : v(t) est la norme du vecteur v(t) défini v(t ) = M 1 M 2 . v(t) s’exprime en m.s . t 2 − t1

M à la date t

Remarques: t2 - t1→0 ce qui implique que M1 et M2 soient infiniment proches de M ; v(t) (vitesse instantanée du solide à la date t) est la vitesse moyenne entre deux dates t1 et t2 très voisines de t et encadrant t.

vr(t) M2 (t2)

M1 (t1)

2° Centre d’inertie d’un solide Pour étudier le mouvement d’un solide, on considère le plus souvent son centre d’inertie G. On réduit l’étude du solide à celle de ce point particulier dont le mouvement est le plus simple

3° Mouvement de translation d’un solide A une date t, tous les points d’un solide en mouvement de translation uniforme ont le même vecteur vitesse. La trajectoire d’un point d’un solide en translation est une droite. vA(t)

A G

vC(t)

vG(t)

A G C

vA(t) = vG (t) = vC (t) = v (t)

4° Mouvement de rotation d’un solide autour d’un axe fixe La trajectoire d’un point d’un solide en rotation autour d’un axe fixe est un cercle. On repère ce point par un angle θ défini à partir d’une position d’origine et par rapport à une orientation (angles orientés). On définit alors la vitesse angulaire ω:

ω=

θ 2 − θ1 t 2 − t1

. Elle s’exprime en rad.s-1.

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M2 v2

O M1

Remarques importantes : Pour Δt = t2 - t1→0, ω est la vitesse angulaire instantanée. Lorsqu’un solide est en rotation autour d’un axe fixe, tous les points du solide ont la même vitesse angulaire ω, mais les vitesses v des divers points dépendent de leur distance à l’axe de rotation. On a : v = R ⋅ ω avec R, la distance du point de l’axe de rotation. v s’exprime en m.s-1, R s’exprime en m et ω s’exprime en rad.s-1 Pour un solide en rotation uniforme (ω=constante), on définit la période de rotation T (s’exprimant en s) et la fréquence f (s’exprimant en Hz) à partir des relations :

2π

f =

1 T

II. FORCES MACROSCOPIQUES S’EXERÇANT SUR UN SOLIDE 1° La résultante des forces de pesanteur Tous les objets sont attirés vers le sol. L’attraction gravitationnelle exercée par la terre sur un objet se traduit par un ensemble de forces réparties sur tout le volume de cet objet. On admet que cet ensemble de forces

est équivalent à une force unique, notée P , appelée poids du corps. Ses caractéristiques sont les suivantes : Direction : la verticale. Sens : vers le centre de la Terre. Point d’application : centre d’inertie G du corps.

Intensité : P = m g d’où P = m ⋅ g , g étant dirigé vers le centre de la Terre. • m=masse du corps (kg) • P s’exprime en newton (N) • g= accélération de la pesanteur ou intensité de la pesanteur (g=9,81 N.kg-1)

2° La tension d’un ressort L’action exercée par un ressort sur une main qui l’étire est modélisée par une force que l’on appelle tension

du ressort, notée T . Les caractéristiques de cette force sont : Direction : axe du ressort. Sens : le sens inverse du déplacement de l’extrémité du ressort. Point d’application : extrémité du ressort.

Intensité : T = − k ⋅ x d’où T = k ⋅ x , avec x dans le sens du mouvement • T=tension en newton (N). • x= déplacement de l’extrémité du ressort en mètre (m). • k=constante de raideur du ressort (N.m-1).

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3° Les forces de frottements • Les forces de frottements apparaissent dès que deux surfaces sont en contact. Dans certains cas on peut les négliger, si les mobiles sont autoporteurs ou si la surface est parfaitement lisse (une route verglacée par exemple). • Cette force de frottements a les caractéristiques suivantes : Direction : tangente à celle du mouvement du solide (tangente au vecteur vitesse). Sens : opposé à celui du mouvement (opposé au vecteur vitesse). Point d’application : le centre de la surface de contact.

Intensité: constante au cours du temps, f = − k ⋅ v d’où f = k ⋅ v en newton (N).

4° La réaction du support C’est la force exercée par tout support en contact avec r un solide. • Avec frottements : On décompose la réaction R en

deux forces orthogonales : la réaction normale R N et la

réaction tangentielle RT . On admet alors que la force de frottements est égale à

r RT .

• Sans frottement : La force de frottements est nulle

donc RT aussi. La réaction R est alors égale à R N .

5° Action d’un fluide sur un solide – Poussée d’Archimède Les fluides (gaz et liquides) exercent sur les corps qu’ils entourent des forces de contact. La poussée

→

d’Archimède PA est la force exercée sur un corps plongé dans un fluide. Elle a pour caractéristiques :

• • •

Direction : la verticale. Sens : vers le haut. Point d’application : centre d’inertie du fluide déplacé.

•

Intensité: PA = m f .g =

ρ f ⋅V f ⋅ g

L’intensité est défini comme étant égale au poids du volume de fluide déplacé. • • • •

→ PA

Liquide

PA=poussée d’Archimède en newton (N). ρ= masse volumique du fluide (kg.m-3) V =volume du fluide déplacé égal au volume du solide immergé dans le fluide (m3). g= intensité de la pesanteur (N. kg-1).

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III. LES LOIS DE NEWTON 1° 1ère loi de Newton: Principe d’inertie Dans un référentiel galiléen, si le vecteur vitesse

r vG du centre d’inertie ne varie pas alors

∑F

ext

est nulle.

Si le vecteur vitesse du centre d’inertie ne varie pas, cela signifie qu’il a un mouvement de translation rectiligne uniforme ou qu’il est immobile. De façon équivalente, on peut énoncer : dans un référentiel galiléen si G est au repos ou en mouvement rectiligne uniforme alors

∑F

ext

r =0.

Un solide isolé mécaniquement n’est soumis à aucune force. Un solide pseudo-isolé mécaniquement est soumis à des forces qui se compensent à chaque instant c’est à dire que la somme de ces forces est nulle. Des référentiels galiléens sont des référentiels en translation rectiligne et uniforme les uns par rapport aux autres. On considère (mais ce n’est qu’une approximation) que les référentiels terrestre et géocentrique sont galiléens.

2° 2ème loi de Newton (énoncé semi-quantitatif) r Dans un référentiel galiléen, si vG varie alors ∑ Fext ≠ 0 et réciproquement. La direction et le sens de r ∑ Fext sont ceux de la variation Δv g de v g entre deux instants proches. Remarque : L’énoncé définitif de la 2ème loi de Newton sera donné en Terminale.

3° 3ème loi de Newton: Principe des actions réciproques ou d’action-réaction r Lorsqu’un système (SA) exerce sur un autre système (SB) une force FA→ B , le système (SB) exerce sur (SA) r r r une force FB→ A . Ces deux forces ont même droite d’action et vérifient la relation : FA→ B = − FB→ A B

Ce principe s’applique à tous les systèmes en interaction, qu’ils soient en contact ou non, en mouvement ou immobile.

Exemple : un solide immobile appuie sur un plan horizontal avec une force Fsolide / sol .Réciproquement, le sol

maintient le solide avec une force Fsol / solide . De plus, on a : Fsolide / sol = − Fsol / solide

IV. METHODE DE RESOLUTION D’UN EXERCICE L’approche la plus rigoureuse pour résoudre un exercice de mécanique est la suivante: 1. Faire un schéma précis et suffisamment grand pour pouvoir y représenter toutes les forces. 2. Définir le référentiel, en précisant que celui-ci est supposé galiléen. 3. Définir le système étudié. 4. Bilan des forces : décrire toutes les forces s’exerçant sur le système. 5. Enoncer le principe de l’inertie. 6. Projeter chacune des forces sur des axes préalablement définis. 7. Calculer la somme des forces extérieures, en projection sur chacun des axes. 8. Conclure.

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METHODE : comment projeter une force ? Pour projeter F sur les axes (Ox) et (Oy), on utilise la trigonométrie : On note Fx la composante de F projetée sur l’axe des abscisses et Fy la composante de F projetée sur l’axe des ordonnées.

F Fx

Fx d’où Fx = F ⋅ cos(α ) F Fy sin (α ) = d’où Fy = F ⋅ sin (α ) F

cos(α ) =

α x

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Chapitre III : TRAVAIL MECANIQUE ET ENERGIE I. TRAVAIL D’UNE FORCE 1° Définition Une force exercée sur un solide peut avoir plusieurs effets : • modification de la position du solide. • modification du vecteur vitesse (modification du mouvement du solide). • déformation de l’objet. Dans ces trois cas, il s’établit un transfert d’énergie : c’est le travail de la force. Si l’objet est en équilibre dans le référentiel d’étude, il n’y a pas de transfert par travail mécanique vers cet objet.

2° Travail d’une force constante r

Dans le cas général, le travail d’une force constante F appliquée à un solide lorsque son point d’application se déplace entre deux points A et B est indépendant de la trajectoire. Il est défini à partir de la relation suivante :

()

W A→ B F = F . AB = F . AB. cos(α ) et W A→ B F s’exprime en Joule (J). L’angle α est défini sur la figure 1.Lorsque la force qui s’exerce sur le solide est constante, on distingue trois cas particuliers :

Si F et AB ont même direction et même sens, le travail de F est moteur.

Si F et AB ont même direction et des sens opposés, le travail de F est résistant.

W A→ B F > 0

W A→ B F < 0

()

force

sont ne

()

W A→ B F = 0

F A

Si F et perpendiculaires, travaille pas.

Figure 1 : le travail d’une force est indépendant du chemin suivi

A Figure 2 : schéma de l’exemple pour le calcul du travail du poids

3° Travail du poids Si un solide de masse m est à un instant t0 en A et à l’instant t 1 > t 0 en B, le travail du poids effectué sur le solide est :

W ( P) = mg ( z A − z B ) La valeur du travail du poids entre deux points A et B est indépendante du chemin suivi. Elle ne dépend que de la différence d’altitude entre A et B.

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( ) va dépendre de la définition du repère

Remarque importante : Soit h = zA – zB Le signe de W A→ B F B

(orientation de l’axe Oz). r • Si zA > zB alors W A → B ( P ) = m g h > 0 travail moteur. B

•

Si zA < zB alors W A → B ( P ) = m g h < 0 travail résistant. B

Exemple : A l’aide d’une poulie, un homme tire une caisse en haut d’un promontoire. Le travail du poids est donc égal à : W A→ B ( P ) = mg ( z A − z B ) = − mgh . Le travail du poids est résistant dans ce cas.

4° Puissance moyenne d’une force La puissance moyenne d’une force est le travail effectué par la force par unité de temps. Dans le cas d’un travail constant pendant une durée Δt, la puissance est :

P( F ) =

W (F ) Δt

r P (F ) s’exprime en Watt (W) (1W=1J.s-1)

II. LE TRAVAIL : UN MODE DE TRANSFERT D’ENERGIE 1° Energie cinétique a - Définition Tout objet en mouvement possède une énergie intrinsèque due à son déplacement : c’est l’énergie cinétique EC. Elle s’exprime à partir de la relation suivante :

Ec =

• • •

1 m ⋅ v2 2

v=vitesse de l’objet (m.s-1) m=masse de l’objet (kg) Ec=énergie cinétique (J)

b - Théorème de l’énergie cinétique •

La variation d’énergie cinétique entre deux points A et B est égale à la somme des travaux des forces extérieures appliquées au solide entre ces deux points.

( )

ΔEc = ∑ W A→ B Fext

Ainsi, un travail moteur (positif) va augmenter l’énergie cinétique du solide, et inversement, un travail résistant va la diminuer.

2° Energie potentielle de pesanteur a - Définition Un solide en interaction avec la Terre possède une énergie potentielle Epp. L’énergie potentielle de pesanteur traduit la possibilité pour le solide de se mettre en mouvement sous l’action de son poids. Elle s’exprime en Joule (J).Son expression est la suivante:

E pp = mgz + cste

• • •

m=masse du solide (kg) z=altitude du solide définie par rapport à une origine (m) g=intensité de la pesanteur (N.kg-1)

Remarque: La valeur de l’énergie potentielle est définie à une constante près, seules les variations de l’énergie potentielle ont un sens physique. On détermine la constante en choisissant arbitrairement l’origine de l’énergie potentielle. Si Epp=0 lorsque z=0, la constante vaut 0.

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b - Etude de la chute libre Un solide est en chute libre quand la seule force à laquelle il est soumis est son poids. On lâche un solide de masse m situé à l’altitude z0 sans vitesse initiale : dans ce cas-ci précis, seul le poids sera pris en compte (les frottements de l’air sur le solide sont volontairement négligés). Lorsque le solide est à l’altitude z1<z0, le théorème de l’énergie cinétique permet de calculer la vitesse atteinte par le solide en z1 :

1 1 2 2 mv1 − 0 = W ( P) or W ( P) = mg ( z 0 − z1 ) donc mv1 − 0 = mg ( z 0 − z1 ) 2 2 d’où v1 = 2 g ( z 0 − z1 ) . ΔEc =

En utilisant la définition de E pp on a :

ΔE c = mgz 0 − mgz1 ⇔ ΔEc = −(mgz1 − mgz 0 ) ⇔ ΔEc = − ΔE pp Remarque : la variation d’énergie cinétique est égale à l’opposé de la variation d’énergie potentielle de pesanteur. Lorsqu’un solide est en chute libre, il y a un échange permanent d’énergie. Toute perte d’énergie cinétique se retrouve sous forme d’un gain d’énergie potentielle et réciproquement. L’énergie mécanique d’un système est égale à la somme de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle. Em=Ec+Epp, or:

1 1 2 2 mv1 = mgz 0 − mgz1 ⇔ mv1 + mgz1 = mgz 0 2 2 On a donc : Em1 = Em0 et donc Em1-Em0=0. On remarque donc que la variation d’énergie mécanique d’un solide en chute libre est nulle. L’énergie mécanique d’un solide en chute libre ne varie pas.

3° Energie interne Un système peut stocker de l’énergie sous forme d’énergie cinétique, d’énergie potentielle de pesanteur mais il peut aussi en stocker sous forme d’énergie interne. Ainsi le travail reçu par un système peut avoir d’autres effets que la variation de l’énergie cinétique : Déformation du solide Si le solide est déformable, le travail reçu va le déformer au lieu de le mettre en mouvement. Exemple : compression d’un ressort.

Elévation de température ou de pression Par exemple, si l’on comprime un réservoir de gaz (ex : une pompe à vélo), sa température augmente.

Changements d’état physicochimique Le travail reçu par le système peut apporter l’énergie suffisante à la réalisation d’une réaction chimique ou d’un changement d’état.

Dans chacun de ces trois cas, le travail reçu provoque une variation de l’énergie interne. Cette forme d’énergie est stockée par le système. L’énergie interne d’un corps est à la fois constituée des énergies cinétiques microscopiques des particules le constituant et des énergies potentielles d’interaction entre ces différentes particules. Le transfert d’énergie sous forme de travail n’est pas la seule manière de faire varier l’énergie interne d’un système, ce qu’on appelle le transfert thermique le peut également.

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III. LE TRANSFERT THERMIQUE Lorsque deux systèmes A et B de températures respectives TA et TB sont mis en contact, le système le plus chaud se refroidit, le système le plus froid se réchauffe, jusqu’à ce que les deux systèmes aient la même température. Ces changements de température se font grâce à un échange d’énergie : le transfert thermique. On note généralement Q ce transfert d’énergie. Retenons les points suivants : • Le transfert thermique se produit toujours du système le plus chaud vers le système le plus froid. • Le transfert thermique est en général lent. • Le transfert thermique peut provoquer une élévation de température ou un changement d’état. B

Etat initial : TA>TB

Etat final : TA’ = TB’

+Q Système A TA

Système B TB

Système A TA’

Système B TB’

Si Q provoque une élévation de température : Q = m.c.Δθ m est la masse du corps en kg, Δθ est la variation de température et c est la capacité thermique massique du corps en J.kg-1.°C Si Q provoque un changement d’état : Q = m.L m est la masse de substance qui change d’état en kg et L est la chaleur latente massique de changement d’état en J.kg-1. On rappelle qu’un changement d’état s’effectue toujours à température constante.

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Chapitre IV : CIRCUIT ELECTRIQUE EN COURANT CONTINU I. TRANSFERTS D’ENERGIE ELECTRIQUE 1° Effet Joule Tout conducteur parcouru par un courant électrique (constant ou non) est le siège d’un transfert d’énergie vers l’extérieur. Ce transfert s’effectue sous forme de transfert thermique : l’effet Joule. Pour un conducteur ohmique de résistance R (en ohm Ω), traversé par un courant d’intensité I (en ampère de symbole A), la puissance PJ (en Watt de symbole W) dissipée par effet Joule est donnée par :

PJ = RI 2 Ce phénomène est notamment utilisé dans les bouilloires électriques. Un gros conducteur ohmique est parcouru par un courant électrique. Il y a alors dissipation d’énergie par effet joule. La chaleur dissipée est utilisée pour faire bouillir de l’eau.

2° Energie et puissance au niveau d’un récepteur Il existe de nombreux récepteurs électriques. On peut notamment citer le conducteur ohmique, la lampe, le moteur, l’électrolyseur…… Soit un récepteur électrique placé entre deux points A et B et parcouru par un courant d’intensité I. Un récepteur électrique doit toujours être étudié en convention récepteur : la tension U AB et l’intensité I qui traverse le récepteur doivent être de sens contraire. Un récepteur est caractérisé par sa résistance interne, notée r (en Ω) et sa force électromotrice ou f.e.m. notée E (en V) .La tension U AB aux bornes du récepteur est :

U AB = V A − VB = r.I + E

UAB I A

Remarque : U AB s’exprime comme une différence de potentiels V (en Volt de symbole V) entre les points A et B. L’énergie électrique reçue en régime continu par ce récepteur pendant un temps Δt (en s) est donnée par : U AB = tension aux bornes du récepteur (V). We = U AB ⋅ I ⋅ Δt I=intensité du courant traversant le récepteur (A). We = énergie reçue (J).

La puissance électrique reçue P (en W) par le récepteur est alors :

Pe = U AB ⋅ I =

We Δt

We = U AB ⋅ I ⋅ Δt = (rI + E ).I .Δt = rI 2 Δt + EIΔt We = W J + WU W J = rI 2 Δt Wu = EIΔt We est l’énergie électrique reçue par le récepteur, WJ est l’énergie dissipée par effet Joule et WU est l’énergie utile. Un récepteur électrique reçoit de l’énergie électrique. Une partie est dissipée par effet joule et est donc transformée en chaleur. L’autre partie est transformée en énergie utile. Cette énergie utile peut être de l’énergie mécanique dans le cas d’un moteur ou de l’énergie lumineuse dans le cas d’une lampe.

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Dans le cas particulier du conducteur ohmique, toute l’énergie électrique reçue est transformée en chaleur ce qui peut être recherché (radiateur électrique par exemple). Dans le cas des autres récepteurs électriques, l’effet joule est considéré comme néfaste car on assimile ça à de la perte d’énergie.

Pe = U AB ⋅ I ⋅ = (rI + E ).I . = rI 2 + EI Pe = PJ + PU PJ = rI 2 Pu = EI Pe est la puissance électrique reçue par le récepteur, PJ est la puissance dissipée par effet Joule et Pu est la puissance utile.

3° Energie et puissance au niveau d’un générateur Un générateur est caractérisé par sa résistance interne, notée r (en Ω) et sa force électromotrice ou f.e.m. notée E (en V). On note I l’intensité du courant sortant de la borne P (borne positive).La tension U PN aux

UPN I

bornes du générateur est :

U PN = E − r.I

Un générateur électrique doit toujours être étudié en convention générateur : la tension U AB et l’intensité I qui traverse le générateur doivent être de même sens. Un générateur électrique transforme de l’énergie chimique, rayonnante ou mécanique en énergie électrique qu’il fournit au circuit dans lequel il est placé. Un générateur est un dipôle actif. La puissance délivrée par le générateur est alors : Pe =Puissance électrique transférée au circuit extérieur

Pe = U PN ⋅ I = E.I − r.I 2

(W). Pch =Puissance convertie en puissance électrique (W).

et Pe = Pch − Pj

Pj =Puissance Joule transférée par effet Joule ou rayonnement (W).

We = U PN ⋅ I .Δt = E.I .Δt − r.I .Δt 2

et We = Wch − Wj

We =Energie électrique transférée au circuit extérieur (J). Wch = Energie convertie en puissance électrique (J). W j = Energie Joule transférée par effet Joule ou rayonnement (J).

4° Bilan énergétique Dans un circuit électrique comportant plusieurs générateurs et plusieurs récepteurs, la puissance électrique fournie par les générateurs est entièrement consommée par les récepteurs. L'énergie électrique est convertie, dans les récepteurs, en énergie(s) utile(s) et est dissipée par effet Joule.

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II. COMPORTEMENT GLOBAL D’UN CIRCUIT 1° Lois d’additivité a - La loi d’additivité des tensions : la loi des mailles Dans un circuit en série, les tensions s’ajoutent. La somme de toutes les tensions d’un circuit fermé (une maille) est nulle. Si l’on considère le circuit ci-contre, la loi des mailles appliquée au circuit et à la maille ABCD permet d’écrire :

UCB B

U BA + U AD + U DC + U CB = 0

UBA

Remarque importante: Il faut bien prendre soin de prendre les tensions toutes dans le même sens.

UDC

D UAD

b - La loi d’additivité des intensités : la loi des nœuds Enoncé de la loi des noeuds: Au niveau d’un nœud du circuit, la somme des intensités qui « arrivent » au nœud est égale à la somme de celles qui « partent ». Exemple: au nœud A, on a: I 1 + I 2 = I 3

I2 A

2° Récepteurs résistifs a - Loi d’Ohm Tout conducteur ohmique de résistance R (en Ω), traversé par un courant I (en A) vérifie la loi d’Ohm : U AB = R I

b - Résistances équivalentes Pour simplifier un circuit comprenant plusieurs résistances, on peut déterminer des résistances équivalentes Req . On distingue deux configurations particulières : Deux résistances R et R’ en série Leur association est équivalente à une seule résistance de valeur :

Deux résistances R et R’ en parallèle Leur association est équivalente à une seule résistance de valeur :

Req = R + R'

Req =

R ⋅ R' R + R'

Remarque : si l’on considère n résistances en parallèle, la résistance équivalente se calcule grâce à la relation suivante :

n 1 1 =∑ Req i =1 Ri

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 18

Chapitre V : FORCES ELECTROMAGNETIQUES I. LE CHAMP MAGNETIQUE 1° Généralités Le champ magnétique peut être créé par un mouvement de charge (par exemple, le déplacement des électrons dans un circuit électrique) ou par un aimant. Certains matériaux possèdent un champ magnétique permanent Lorsque l'on approche une aiguille aimantée (boussole) d'un circuit électrique ou d'un aimant, celle-ci s'oriente dans la direction du champ magnétique existant en ce point.

Le champ magnétique existant en un point est symbolisé par le vecteur B . Ses caractéristiques sont : Sa direction : celle de l’aiguille aimantée placée en ce point. Son sens : du pôle sud vers le pôle nord de l’aiguille aimantée. Sa valeur : B exprimée en tesla de symbole T. Dans le cas d’un champ magnétique crée par un mouvement de charge, son intensité dépend de la quantité de charges en mouvement et de la vitesse de celles-ci. Lors de la création d’un champ magnétique, il y a création de ligne de champ. Le champ magnétique est dirigé suivant les lignes de champ. Les lignes de champ ont la propriété de se refermer sur elles-mêmes et ne se coupent jamais. Les lignes de champ crées par un aimant sont orientées du nord vers le sud de cet aimant.

En tout point d’une ligne de champ, le champ magnétique B est tangent à celle ligne de champ. Pour un champ magnétique uniforme (c’est à dire constant en tout point), les lignes de champ sont parallèles entre elles. Remarque : le champ magnétique n'est pas une force. Comme le champ de pesanteur, c'est une grandeur vectorielle susceptible de créer une force.

2° Exemples de champs magnétiques D'une manière générale, le champ magnétique créé par un courant dépend de la géométrie du circuit électrique, de son intensité, et de la distance du point de mesure.

Champ magnétique créé par un courant rectiligne : les lignes de champs forment des cercles centrés sur le circuit.

Fil

Lignes de champ

Vue en coupe

Champ magnétique créé par une boucle de courant :

Vue de face

Vue de dessus

Règle d’orientation du champ magnétique pour un conducteur rectiligne parcouru par un courant d’intensité I : On utilise la règle du bonhomme d’ampère. Un personnage est disposé le long du conducteur de manière à ce que le courant circule de ses pieds vers sa tête. Il regarde vers un point M :le vecteur champ magnétique

en ce point est orienté vers sa gauche. B est perpendiculaire au plan passant par M et contenant le fil.

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 19

Un exemple fondamental : le champ magnétique B créé par un solénoïde :

A l'intérieur du solénoïde (sauf près des extrémités), le champ magnétique B est constant. Il a pour caractéristiques : Direction : parallèle à l'axe du solénoïde. Sens : déterminé par le sens du courant (cf. encadré "règle de la main droite") Norme: B = • • • •

μ0

N I L

μ0= perméabilité du vide (μ0=4π.10-7 U.S.I.). N=nombre de spires du solénoïde. L=longueur du solénoïde en mètre (m). I= intensité du courant parcourant le solénoïde en ampère (A).

METHODE : comment orienter B dans un solénoïde ? On applique la règle de la main droite. On place la main droite de telle sorte que les doigts indiquent le sens du courant (la paume doit être tournée vers l’intérieur de la bobine). Le pouce indique le sens du champ magnétique à l'intérieur du solénoïde. Schéma du solénoïde parcouru par un courant I :

II. FORCES ELECTROMECANIQUES 1° Loi de Laplace r

Le champ magnétique B crée une force qui s'applique à toute charge en mouvement. Un circuit électrique contient une infinité de charges en mouvement, il subira donc en présence d'un champ magnétique une

force : la force de Laplace notée F . Pour une portion rectiligne de circuit électrique, la force de Laplace a pour caractéristiques Direction : orthogonale au champ magnétique B et orthogonale au circuit électrique. Sens : déterminé par les sens du champ magnétique et du circuit (on applique la "règle des trois doigts"). Point d'application : le centre d'inertie de la portion de circuit considéré.

Norme:

F = I ⋅l ⋅ B⋅sin(α)

I= intensité du courant du circuit (A) l=longueur de la portion du circuit (m) B= valeur du champ magnétique (T) α= angle formé entre le circuit et le champ magnétique

Remarque : si B est parallèle au circuit électrique alors F = 0 ( sin α = sin 0 = 0 ).

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 20

METHODE : comment déterminer le sens de F dans un circuit parcouru par un courant? On applique la règle des 3 doigts. Le pouce de la main droite étant dirigé dans le sens du courant, l'index dans le sens du champ magnétique, le majeur indique le sens de la force de Laplace. CONVENTIONS Pour représenter un vecteur perpendiculaire au plan de la figure, on utilise les conventions suivantes : Pour un vecteur perpendiculaire au plan de la feuille et dirigé vers vous. Pour un vecteur dirigé dans le sens opposé (il "rentre" dans la feuille).

2° Exemple : les rails de Laplace LES RAILS DE LAPLACE Bilan des forces : -

Poids P

Réaction des rails R

z x

r - Force de Laplace F = I ⋅ l ⋅ B ⋅ i ∑ Fext = P + R + F

Projection sur Ox : F Projection sur Oz : P+R La barre est limitée à un déplacement sur Ox, donc P+R=0. Donc :

∑F

ext

= I ⋅ l ⋅ B ⋅ i avec I ⋅ l ⋅ B > 0

Le rail va donc se déplacer vers la gauche et le mouvement sera accéléré d’après la deuxième loi de Newton.

III. COUPLAGE ELECTRODYNAMIQUE Dès lors que les forces de Laplace sont mises en jeu, il y a conversion de l'énergie électrique en énergie mécanique. Nous allons considérer deux exemples en traitant de considérations énergétiques.

1° Exemple 1 : Rails de Laplace Dans l’hypothèse où l’on néglige les pertes d'énergie par effet Joule et par frottement, l'énergie électrique fournie par le générateur est convertie en énergie cinétique ; on peut donc écrire l’équation suivante :

ΔEc =

2 PΔt 1 2 mv = ΔEelectrique = PΔt d’où v = m 2

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2° Exemple 2 : Moteur électrique à courant continu Un circuit électrique rectangulaire parcouru par un courant I est placé dans un champ magnétique uniforme. Le cadre peut tourner autour de l'axe z. Entre A et B, la force de Laplace est dirigée "vers vous", entre B et C le circuit et le champ magnétique sont parallèles et la force de Laplace est nulle, entre C et D la force de Laplace "rentre dans la page" et entre D et A, le circuit est parallèle au champ magnétique et la force est nulle. Les deux forces FAB et FCD vont mettre en rotation le cadre autour de l'axe z. Ce système est donc un moteur électrique. Il convertit l’énergie électrique en énergie mécanique.

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I FCD

FAB B

Chapitre VI : OPTIQUE I. CONDITIONS DE VISIBILITE D’UN OBJET 1° Vision directe d’un objet Deux types d’objets sont visibles : les objets qui émettent de la lumière (filament incandescent, étoiles,…) et ceux qui réfléchissent la lumière qu’ils reçoivent (ex : la Lune).Dans les deux cas on appellera ces objets des sources lumineuses.

2° Modèle du rayon lumineux Dans un milieu homogène défini, la lumière se propage en ligne droite. Un objet peut être vu s’il existe un rayon lumineux provenant de l’objet et arrivant dans l’œil de l’observateur. Lorsque le rayon lumineux rencontre un changement d’indice du milieu, noté n, son rayon est dévié suivant les lois de Descartes.

i1 i’

LOIS DE DESCARTES • Le rayon réfléchi et le rayon réfracté sont contenus dans le plan perpendiculaire à la surface, et contenant le rayon incident. • Loi de Descartes pour la réflexion: i’ = i1 (i1=angle incident et i’=angle refléchi) • Loi de Descartes pour la réfraction: n1.sin (i1) = n2.sin (i2) (i2=angle refracté)

II. SYSTEME OPTIQUE On appelle système optique tout dispositif capable de dévier les rayons lumineux (Exemples :miroirs, microscopes, lentilles…). Si un objet renvoie de la lumière à travers un système optique, il existe en général un endroit où l’œil peut « voir » cet objet déformé par le système optique (on peut également placer à cet endroit un écran pour visualiser l’image). C’est l’image de cet objet à travers le système optique. Notre cerveau interprète cette image comme venant en ligne droite.

Image Objet

III. IMAGE FORMEE PAR UN MIROIR-PLAN 1° Définition On appelle miroir plan une surface plane réfléchissant toute (ou presque toute) la lumière qu’elle reçoit. Les rayons lumineux arrivant sur un miroir plan sont donc réfléchis, d’après la loi de Descartes sur la réflexion.

2° Image d’un point-objet Pour déterminer le trajet du rayon lumineux allant du point-objet A à son image, on place le symétrique A’ de A par rapport au miroir. On relie ensuite celui-ci et l’endroit (A’’) où on veut avoir l’image par une droite. La réflexion sur le miroir se produit à l’endroit où cette droite coupe le miroir (M). L’image existera donc en A’’ si le point M est effectivement sur le miroir. L’œil situé en A’’ verra l’objet A comme s’il était en A’.

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A’

M A’’

3° Image d’un objet volumineux Pour connaître la taille de l’image d’un objet volumineux, il suffit de construire l’image de chacun de ces points (en pratique on trace l’image des extrémités de l’objet).

IV. LENTILLES CONVERGENTES 1° Définition Les lentilles convergentes sont transparentes et ont des bords fins. Elles modifient la trajectoire des rayons lumineux. On les schématise par une double-flèche : Axe optique S (centre optique) Lentille

On appelle axe optique l’axe perpendiculaire à la lentille et passant par le centre optique de la lentille. Le centre optique est noté S. Un rayon lumineux passant par le centre optique de la lentille n’est pas dévié. C’est généralement le centre de la lentille.

2° Foyer-image, foyer-objet Foyer image

Foyer objet

Définition

C’est l’endroit de l’espace où se situe l’image d’un point-objet situé sur l’axe optique à l’infini. Il est noté F’.

C’est l’endroit de l’espace où se situe l’objet dont l’image serait située à l’infini. Il est noté F.

propriétés

•

Tout rayon incident arrivant perpendiculairement à la lentille passe par le foyer image Tout objet situé à l’infini donnera une image dans le plan focal image de la lentille. C’est le plan orthogonal à l’axe optique contenant le foyer image.

F’

•

Tout rayon sortant perpendiculairement à la lentille provient du foyer objet. Tout objet situé dans le plan focal objet (c’est le plan orthogonal à l’axe optique contenant le foyer objet) donnera une image à l’infini.

Construction géométrique du foyer image F’

Construction géométrique du foyer objet F

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3° Vergence et distance focale '

On appelle distance focale la distance séparant le centre optique du foyer focal image. On le note f . On a : f = SF et f ' = SF ' .f et f’ sont des grandeurs algébriques, on a : f = − f ' On appelle vergence d’une lentille, notée C, l'inverse de la distance focale : C =

1 f'

Elle est exprimée en dioptrie (δ).

4° Construction de l’image d’un point-objet Pour déterminer l’image d’un point-objet, il suffit de construire quelques-uns des rayons lumineux partant de ce point. Tous ces rayons sont concourants en un point : c’est l’image du point. On connaît trois rayons particuliers : • Le rayon (1) passant par le centre optique : ce rayon n’est pas dévié. • Le rayon (2) arrivant perpendiculairement à la lentille : il passe par le foyer image F’. • Le rayon (3) passant par le foyer objet F : il ressort perpendiculairement à la lentille. En pratique, il suffit de tracer deux de ces rayons, leur intersection détermine la position de l’image. (2)

(1) A

F’

A’

(3) B’

5° Grandissement Le grandissement γ est défini ainsi :

γ =

taille de l' image A' B' = taille de l' objet AB

Remarque: pour une lentille convergente, le grandissement est négatif. On a aussi : γ = SA SA

6° Relation de conjugaison RELATION FONDAMENTALE :

1 1 1 − = SA' SA f '

ATTENTION ! Toutes les relations en optique sont à utiliser avec des valeurs algébriques ! (positives ou négatives) Il est donc nécessaire d'orienter l'axe optique.

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Partie B : COURS DE

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 27

CHIMIE

Chapitre I : GRANDEURS PHYSIQUES I. MASSE, VOLUME, PRESSION 1° Définitions Grandeur

Symbole et unité ρ (kg.m-3 ou g.L-1 )

Masse volumique

Relation

ρ=

d (nombre sans dimension)

Densité

n (mol)

Quantité de matière

Concentration

C (mol.L-1)

Masse molaire

M (en g.mol-1)

Volume molaire

Vm (en m3.mol1 )

Pression Température absolue

Remarques m est la masse en kg. V est le volume en m3. 1m3=103L et 1ml=1cm3 ρ est la masse volumique de l’espèce considérée à exprimer dans la même unité que ρeau. ρeau=1kg.L-1= 103 kg.m-3=1g.cm-3

m V

ρ ρ eau

nombre d' atomes ou de molécules m = NA M

n V m M= n V Vm = n c=

P (Pa)

Pas de relation générale

T(K)

T ( K ) = θ (°C ) + 273

N A = 6,02 ⋅ 10 23 mol-1 (nombre d’Avogadro) m est la masse en g. M est la masse molaire en g.mol-1. V est le volume en L et n le nombre de mole en mol. m est la masse en g et n le nombre de mole en mol. Vm est le volume d’une mole de gaz. Si V est exprimé en L, Vm est en L.mol-1. 1 bar = 105 Pa Patmosphérique≈1,013bar Elle est définie à partir du zéro absolu (T=OK) qui vaut -273 °C.

2° Loi des gaz parfaits Un gaz parfait est un gaz où il n'existe pas d'interactions entre les molécules. Dans un intervalle étendu de température et de pression, ce modèle est vérifié par tous les gaz. La loi des gaz parfaits s’écrit :

PV = nRT

P=pression du gaz (Pa) V=volume du gaz (m3) n=nombre de mole du gaz (mol) R=constante des gaz parfaits (R = 8,314 U.S.I.) T=température du gaz (K)

A T et P quelconques, le volume molaire est défini par, V m =

V RT = . P n

En particulier dans les conditions standard de température et de pression c’est à dire à T=298K et P=105 Pa

Vm = 24.4 L.mol −1 Dans les conditions normales de températures et pression c’est à dire T=0°C et P=1atm, Vm = 22,4 L.mol-1 .

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 28

II. CONCENTRATION ET SOLUTIONS ELECTROLYTIQUES 1° Solide ionique Un solide ionique est constitué d’anions et de cations régulièrement disposés dans l’espace. Chaque ion est attiré par les ions de signes opposés qui l’entourent, ce qui assure la cohésion du solide. L’ensemble est électriquement neutre. Par exemple, le chlorure de sodium (sel de table) est constitué d’ions Na+ et Cl-.

2° Dissolution d'un solide ionique Lorsqu'un solide ionique est introduit dans une solution aqueuse, celui-ci se dissout et se dissocie en ions. L’équation de dissolution de NaCl en milieu aqueux s’écrit : NaCl(s) → Na+(aq) + Cl-(aq) La solution ainsi formée contient des ions mobiles qui peuvent, s’il y a mouvement d’ensemble, assurer le passage d’un courant électrique. Une telle solution capable de laisser passer le courant est appelée solution électrolytique. Remarque : dans une équation bilan de réaction, on note (s) pour un solide, (l) pour un liquide, (g) pour un gaz et (aq) pour une espèce chimique en solution aqueuse.

3° Solvatation des ions Les ions dans une solution aqueuse ne sont pas isolés, mais solvatés. Ils sont entourés de molécules d'eau (rôle du solvant). Exemples : L’ion Cl- étant chargé négativement, il sera entouré de molécules d’eau qui seront orientés de manière à lui présenter leurs parties chargées positivement. L’ion K+ étant chargé positivement, il sera entouré de molécules d’eau qui seront orientés de manière à lui présenter leurs parties chargées négativement.

Cl-

δ+

δ-

−

δ -

δ+

K+

δ-

Solvatation de l’ion Cl-

δ-

Solvatation de l’ion K+

Cas particulier : en solution aqueuse, les protons H+ libres n'existent pas, ils sont toujours sous forme d'ions oxonium H3O+ (H+ + H2O→ H3O+). Ces ions oxonium sont eux-mêmes solvatés par des molécules d'eau.

4° Caractère dipolaire d'une molécule L’électronégativité est la capacité d’un atome a attirer à lui les électrons. Cette électronégativité varie d’un atome à l’autre dans la classification. Sens croissant de l’électronégativité Tableau périodique

Remarque : dans le tableau périodique des éléments, l'électronégativité augmente avec le numéro atomique sur une période (sauf les gaz rares qui ne sont pas électronégatifs), et elle diminue si la période augmente

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 29

Exemple : Le fluor (F) est beaucoup plus électronégatif que le sodium (Na). Molécule polaire :Une molécule est dite polaire lorsque les barycentre des charges négatives et des charges positives ne sont plus confondus. Molécule diatomique : considérons la molécule HCl (chlorure d’hydrogène).On rappelle que lors de l’établissement d’une liaison covalente entre deux atomes, il y a mise en commun de deux électrons. Chaque atome apporte un électron et le doublet ainsi formé est commun à chacun de ces deux atomes. L’atome Cl étant plus électronégatif c’est à dire plus avide en électrons que l’atome H, les électrons de la liaison covalente seront statistiquement plus proche de Cl que de H.Une charge partielle négative -δe (δ<1) apparaît sur l’atome de chlore et une charge partielle positive +δe apparaît sur l’atome d’hydrogène. Le barycentre des charges négatives se trouve sur Cl et le barycentre des charges positives sur H. Le barycentre des charges positives ne coïncidant plus avec le barycentre des charges négatives : la molécule est polaire. Molécule polyatomique : Les molécules constituées de plus de deux atomes peuvent avoir également un caractère dipolaire. Il suffit pour cela que le barycentre des charges positives ne coïncide pas avec le barycentre des charges négatives (exemple: la molécule d’eau H20). Dans le cas de la molécule d’eau le barycentre des charges négatives se trouve sur O et le barycentre des charges positives se trouve entre les deux atomes de H. Les deux barycentres ne coïncidant pas, la molécule est polaire.

δ+

δ+ H

δ+

δ-

O δ-

Représentation des charges partielles dans la molécule de HCl

Représentation des charges partielles dans la molécule d’ H20

5° Dissolution dans l’eau d’un gaz ou d’un liquide polaire Les molécules polaires d’un gaz ou d’un liquide et les molécules d’eau (polaires) interagissent grâce aux attractions entre charges de signes opposés. On rappelle en effet que le principe de l’interaction électrostatique implique que des systèmes de charges opposées s’attirent alors que des systèmes de charges identiques se repoussent. Des liaisons intermoléculaires s’établissent expliquant la dissolution, conduisant à l’apparition d’ions solvatés (c’est à dire entourées de molécules de solvant. Dans notre cas le solvant est l’eau). Les solutions ainsi formées sont également des solutions électrolytiques (c’est à dire des solutions qui permettent le passage du courant). Exemples : Acide sulfurique : H2SO4(l) → 2H+(aq) + SO42-(aq). Acide chlorhydrique : HCl (g) → H+(aq) + Cl-(aq).

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 30

6° Concentration des espèces en solution EXERCICE D’APPLICATION / EXEMPLE On dissout 1 g de sulfate de potassium (K2SO4) dans 20 mL d'eau. On cherche la concentration des ions en solution. L’équation de dissolution du cristal ionique s’écrit : K2SO4(s) → 2 K+(aq) + SO42-(aq) Les espèces en solution sont donc les ions potassium K+ et les ions sulfates SO42Par définition : n K 2 SO4 =

[ ] = nV

Donc : K

[SO ] = 2−

K+

n SO 2 − 4

m K 2 SO4 M K 2 SO4

2 ⋅ n K 2 SO4 V

n K 2 SO4 V

et l’équation bilan permet d’écrire : n K 2 SO4 =

2 ⋅ m K 2 SO4 V ⋅ M K 2 SO4

m K 2 SO4 V ⋅ M K 2 SO4

nK +

= n SO 2 − 4

2 ⋅1 = 0,57 mol.L−1 20 ⋅ 10 −3 ⋅ 174,3

1 −3

20 ⋅ 10 ⋅ 174,3

= 0,29mol.L−1

CONSEILS POUR REUSSIR : à quelles règles obéit la rédaction d’un exercice ? • Gardez toujours une écriture littérale jusqu'à la fin, ne faîtes pas d'applications numériques intermédiaires : elles sont source d'erreurs et de confusions. • Utilisez des indices de manière à toujours avoir des notations claires et précises. Par exemple, n ne signifie rien, nK+ est de manière explicite la quantité de matière de K+. • Si l’on introduit de nouvelles notations dans la résolution de l’exercice, prendre soin de bien les définir.

III. APPLICATION AU SUIVI D'UNE TRANSFORMATION CHIMIQUE 1° Réactif limitant d'une transformation chimique Considérons la réaction suivante : a A + b B → c C + d D On dit que les réactifs sont dans des proportions stœchiométriques si l’on vérifie la relation suivante :

nf n iA n Bi nf = = C = D a b c d

Notations: i : état initial et f : état final

Exemple : Soit la réaction 2Fe2+ + 3Cu = 2Fe + 3Cu2+, si on fait réagir 4 moles de Fe2+ et 6 moles de Cu, on retrouve bien

4 6 = 2 et = 2 . La réaction se fait dans les proportions stœchiométriques. 2 3

En général, les réactifs ne sont pas dans des proportions stœchiométriques. On appelle réactif en excès le réactif qui ne sera pas entièrement consommé par la réaction. On appelle réactif limitant le réactif qui réagit entièrement. Si A est le réactif limitant, on a :

n iA nCf nf n iA n Bi < = = D et a b a c d

Exemple : Soit la réaction 2 Fe3++ 3Cu = 2Fe+3Cu2+, si on fait réagir 4 moles de Fe2+ et 5 moles de Cu, on retrouve bien

4 5 = 2 mais < 2 . Cu est le réactif limitant. 2 3

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 31

CONSEILS DE METHODE : Comment connaître le réactif limitant d'une réaction ? 1ère méthode • Calculer les quantités

i X

de tous les réactifs et Comparer ces valeurs : la plus petite correspond au

réactif limitant. Comment calculer les quantités de matière des produits après la réaction ? • Déterminer le réactif limitant. • Appliquer

n iA nCf nf = = D , où A est le réactif limitant et C et D les produits a c d

2ème méthode • Etablir le tableau d’avancement de la réaction en utilisant les notations x et xmax • Pour chaque réactif, faire l’hypothèse qu’il correspond au réactif limitant et calculer la valeur du xmax correspondant en égalisant le nombre de mole final à 0. • L’avancement xmax est alors obtenu pour chaque réactif. • Comparer alors lequel des xmax est le plus petit, ce dernier correspondra au réactif limitant.

2° Avancement d'une réaction chimique On appelle avancement de la réaction, à un instant t, la quantité de produit apparu (pour un coefficient stœchiométrique égal à 1). Il est noté x et son unité est la mole. On peut tracer le tableau d’avancement d’une réaction. Avec celui-ci, on peut connaître les quantités de matières des espèces à la fin de la réaction (ici A est le réactif limitant): Si A est le réactif limitant, nfA=0 donc

n − a. xmax i A

Equation bilan

n iA = 0, et xmax = . a a

→

Quantité de matière

Etat initial

n iA

n Bi

Etat à l'instant t

n iA − a ⋅ x(t )

n Bi − b ⋅ x(t )

c ⋅ x(t )

d ⋅ x(t )

Etat final

n Bi − b.x max = b n Bi − ⋅ n iA a

c.x max =

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 32

c i nA a

d .x max =

d i nA a

EXERCICE D’APPLICATION / EXEMPLE On verse 1 g de poudre de zinc dans V=10 mL de solution de sulfate de cuivre II de concentration c=0.5 mol.L-1. On observe la réaction suivante : Zn( s ) + Cu

→ Zn 2+ ( aq ) + Cu ( s )

( aq )

1ère méthode :

n Zn =

m Zn 1 = = 1,53 ⋅ 10 − 2 mol et nCu 2 + = c ⋅ V = 0,5 ⋅ 10 −2 = 5 ⋅ 10 −3 mol M Zn 65,4

Donc Cu2+ est le réactif limitant. 2ème méthode : Equation bilan

( s )

+ Cu

2 +

( aq

)

→

2 +

( aq

)

+ Cu

( s )

Quantité de matière

nZn

nCu2+

nZn2+

nCu

Etat initial

nZn

nCu2+

Etat à l'instant t

nZn - x(t )

nCu2+- x(t )

x(t )

Etat final

nZn - xmax

nCu2+- xmax

xmax

Si Zn est le réactif limitant, alors nZn - xmax =0 et donc xmax =1.53.10-2 mol. Si Cu2+ est le réactif limitant, alors nCu2+- xmax =0 et donc xmax =5.10-3mol. Ici la plus petite valeur de xmax est 5.10-3mol donc Cu2+ est le réactif limitant. On peut maintenant réécrire le tableau d’avancement en remplaçant les quantités de matière initiales ainsi que xmax par leur valeurs numériques. La lecture de la dernière ligne du tableau nous donne les quantités de matière finales de chaque réactif et de chaque produit. Le tableau d’avancement de la réaction est le suivant : Equation bilan

( s )

+ Cu

2 +

( aq

)

→

2 +

( aq

)

+ Cu

( s )

Quantité de matière

nZn

nCu2+

nZn2+

nCu

Etat initial

1,53 ⋅ 10 −2

5 ⋅ 10 −3

Etat à l'instant t

1,53 ⋅ 10 −2 − x(t )

5 ⋅ 10 −3 − x(t )

x(t )

Etat final

1,03 ⋅ 10 −2

5 ⋅ 10 −3

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 33

Chapitre II : CONDUCTIMETRIE I. CONDUCTANCE D'UNE SOLUTION IONIQUE 1° Définition Une solution ionique est un conducteur électrique, les transporteurs de charges sont les ions, espèces chargées. La conductance G d'une solution, s’exprimant en siemens (S), est l'inverse de la résistance équivalente Req en ohm(Ω). On a donc : G = 1 Req

Pour une solution parcourue par un courant I et de conductance G, la tension aux bornes des électrodes est

donnée par la relation suivante :

I G

U est en volt (V), I est en ampère (A) et G en siemens(S).

2° Mesure de la conductance d'une solution Principe de la mesure : on place dans la solution une électrode, constituée de deux plaques parallèles de même surface S (en m2) et distante d’une longueur L (en m) reliées aux bornes d'un conductimètre. Celui-ci impose une tension U et mesure l'intensité du courant I qui circule dans la portion de solution comprise entre les plaques. Il calcule ainsi la conductance de la solution. Dans la solution, ce ne sont pas des électrons qui circulent mais des ions. Les cations (ions chargés positivement) se déplacent dans le sens conventionnel du courant et se dirigent vers la cathode ( ici il s’agit de la borne négative). Les anions se dirigent vers l’anode. conductimètre

Paramètre influant sur la valeur de la conductance : • Température. • Caractéristiques des électrodes (surface, distance entre elles, état de la surface). • Nature de la solution (concentrations des ions, nature des ions, du solvant, du soluté …).

+ A

Schéma de principe de la mesure de G d’une solution

3° Mesure d'une concentration En déterminant G, on détermine la concentration des ions constituant la solution : G dépend de c. A tout autre facteur égal, la courbe G=f(c) (courbe d’étalonnage) est une droite permettant de déterminer c.

G (S)

C (mol.L-1) Forme de la courbe d’étalonnage

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 34

II. CONDUCTIVITE D'UNE SOLUTION IONIQUE 1° Définition La conductance G (S) est reliée à une autre grandeur : la conductivité σ (S.m-1). Elles sont reliées par la relation suivante :

G =σ ⋅

S 2 L (S=surface des électrodes (m ) et L=distance entre les électrodes

(m)). σ dépend de la nature de la solution ( nature des ions présents, concentration…) et de la température. Comme énoncé dans la partie I.2, G dépend bien de la nature des électrodes (S et L), de la température et de la nature de la solution (σ).

2° Relation avec la concentration La conductivité est proportionnelle à la concentration des ions en solution. On appelle conductivité ionique molaire λ le facteur de proportionnalité. Pour une solution constituée de n ions (X1, X2, ..., Xi,… ;,Xn), on a :

σ = ∑ λ i [ X i ] [ X i ] s’ exprimé en mol.m-3 et λi en S.m2.mol-1 i

Il faut faire très attention aux unités lors de l’utilisation de cette formule car la concentration est à exprimer en mol.m-3 : 1m3=103L. 1mol.m-3 = 10-3mol.L-1. 1mol.L-1=103mol. m-3. 1mS.m2.mol-1=10-3S.m2.mol-1 1S.cm2.mol-1= 10-4 S.m2.mol-1

3° Conductivité ionique molaire limite La conductivité ionique molaire dépend de la nature des ions considérés mais également de la température et de la concentration totale des ions de la solution. Pour des solutions infiniment diluées λ tend vers λo qui s’appelle la conductivité ionique molaire limite. Dans les exercices, nous utiliserons ces valeurs pour faire les différents calculs. Cations

λ°( mS.m².mol-1)

Anions

λ°( mS.m².mol-1)

H3O+

34,98

OH-

19,92

Li+

3,86

F-

5,54

Na+

5,01

Cl-

7,62

K+

7,35

Br-

7,81

Ag+

6,20

I-

7,70

NH4+

7,34

NO3-

7,14

Mg2+

10,61

CH3COO-

4,09

Quelques valeurs de conductivité ionique molaire limite à 25°C

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 35

4° Courbe théorique G=f(c) des solutions de solides ioniques dissous Ces solutions sont du type M+(aq) + X-(aq) où [M+] = [X-] = c. Dans ce cas :

σ = λ0M [M + ] + λ0X [X − ] = (λ0M + λ0X ) ⋅ c +

−

d’où G =

(

)

S 0 λ M + + λ0X − ⋅ c L

Si on trace la droite d’équation G=f(c), On obtient une droite dont le coefficient directeur est

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 36

(

)

S 0 λ M + + λ0X − . L

Chapitre III : SOLUTIONS AQUEUSES I. RÉACTIONS ACIDO-BASIQUES 1° Définitions Un acide est une espèce susceptible de libérer un ou plusieurs protons H+ (au sens de Brönsted). Une base est une espèce susceptible de capter un ou plusieurs protons H+ (au sens de Brönsted). Un couple acide/base est un couple de molécules qui différent d'un seul proton, l'une étant l'acide, l'autre la base. NH4+(aq)/NH3(aq) : NH4+ est l'acide et NH3 est la base. Exemples : CH3CO2H/CH3CO2- : CH3CO2H est l'acide et CH3CO2- est la base. Remarque: l’eau est un ampholyte, c'est à la fois un acide et une base. Les deux couples correspondant sont : H3O+(aq)/H2O et H2O/OH-(aq)

2° Réactions acido-basique Lors d'une réaction acido-basique, on observe un transfert de proton de l'acide d’un couple acide/base 1 vers la base d’un couple acide/base 2. De manière générale, une réaction acido-basique s’écrit : ( si on considère les couples AH/A- et BH/B-) acide1 + base2 = base1+ acide2 AH + B- = A- + BH Exemples :

Réaction d'un acide dans l'eau CH3CO2H + H2O = CH3CO2- + H3O+ (couples en jeu : H3O+/ H2O et CH3CO2H/ CH3CO2- ) Réaction d'une base dans l'eau CH3CO2- + H2O = CH3CO2H + OH- (couples en jeu : H2O / OH- et CH3CO2H/ CH3CO2- )

3° Caractère acide ou basique d'une solution aqueuse Une solution aqueuse contient toujours des ions oxonium H3O+ et des ions hydroxydes OH- en proportion variable. L’eau étant un ampholyte, un échange de proton peut avoir lieu entre deux molécules d’eau. Les deux couples mis en jeu sont H3O+(aq)/H2O et H2O/OH-(aq) : 2 H2O = H3O+ + OHDans une solution aqueuse, lorsque :

• • •

[H3O+] = [OH-], la solution est neutre et pH=7. [H3O+] > [OH-], la solution est acide et pH<7. [H3O+] < [OH-], la solution est basique et pH>7.

II. REACTIONS D'OXYDOREDUCTION 1° Définitions • Un oxydant est une espèce susceptible de capter un ou plusieurs électrons. Un oxydant est réduit. • Un réducteur est une espèce susceptible de libérer un ou plusieurs électrons. Un réducteur est oxydé. • Un couple oxydant réducteur ou couple redox fait intervenir un oxydant et un réducteur. Le passage de l’un à l’autre se fait par échange d’électrons. • Une réaction d'oxydoréduction est une réaction où il y a un transfert d’un ou plusieurs électrons entre l’oxydant d’un couple et le réducteur d’un autre couple.

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 37

Exemples : voici quelques couples oxydant /réducteur fréquemment rencontrés • H+(aq)/H2(g) • MnO4-(aq)/Mn2+(aq) • I2(aq)/I-(aq) • S4O62-(aq)/S2O32-(aq) • Mn+(aq)/M(s) : cation métallique/métal comme Cu2+/Cu, Fe2+/Fe, Zn2+/Zn... • Fe3+(aq)/Fe2+(aq)

2° Demi-équation électronique Lorsque l’on considère un couple oxydant/réducteur, noté Red/Ox, nous sommes amenés à écrire des demi-équations électroniques. Demi-équation électronique de réduction : Demi-équation électronique d’oxydation :

Ox1 + n1e- = Red1 Red2 = Ox2+ n2e-

METHODE : comment équilibrer une demi-équation électronique ? Pour équilibrer une demi équation électronique, il faut suivre ces 4 étapes dans l’ordre : • • • •

Equilibrer tous les éléments chimiques sauf O et H. Equilibrer l’élément oxygène en ajoutant des molécules d’eau H2O. Equilibrer l’élément hydrogène en ajoutant des H+. Equilibrer les charges (la somme des charges à gauche doit être égale à la somme des charges à droite), en ajoutant des électrons e-.

Exemples :

Fe3+ + e- = Fe2+ I2 + 2 e- = 2 IMnO4-(aq) + 8 H+ + 5 e- = Mn2+(aq) + 4 H2O

3° Réaction d'oxydoréduction et équation bilan Lorsqu’un oxydant Ox1 et un réducteur Red2 sont en présence, on observe une réaction d’oxydoréduction. On doit alors considérer les deux demi-équations électroniques des couples Red/Ox en présence. EXEMPLE / METHODE : réaction des ions Fe3+ sur le métal Zn • • •

On écrit d’abord les demi-équations électroniques de chaque couple oxydant/réducteur (Fe3+ /Fe2+ et Zn2+/Zn dans cet exemple). On multiplie chaque demi-équation par un facteur permettant, lorsqu'on fait la somme des demiéquations, d'annuler les électrons de part et d’autre de l’équation-bilan(les électrons échangés n’apparaissent pas dans l’équation bilan). On vérifie la conservation de la charge, c’est à dire que le nombre de charges (positives ou négatives) doit être le même à droite et à gauche de l’équation bilan.

Dans le cas présent, on a donc :

(Fe3+ + e- = Fe2+)×2 (Zn = Zn2+ + 2e- ) ×1

2Fe3+ + Zn → 2Fe2+ + Zn2+ (équation bilan)

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 38

Dosages

4° Principe et dispositif expérimental : Le but d’un dosage est de déterminer la concentration molaire d’une espèce A en solution. Un titrage est une technique de dosage qui utilise une réaction chimique. Lors de cette réaction, l’espèce dont on cherche la concentration (réactif à titrer) est consommée. Cette réaction doit être totale et rapide. Lors du titrage, on détermine expérimentalement la quantité de matière de réactif titrant B nécessaire pour consommer la totalité de réactif à titrer A. On ajoute progressivement le réactif titrant à la solution contenant le réactif à titrer. On considère la réaction de titrage: Réactif titrant

aA + bB → cC + dD (où A est le réactif titré et B le réactif titrant)

Burette graduée

Le but du titrage est de déterminer la concentration

[ ]i

Réactif titré

inconnue de l’espèce A notée A

5° Equivalence On appelle équivalence le moment où le réactif titré a entièrement réagi, c'est-à-dire le moment où l'avancement x de la réaction est maximal. On a alors versé un volume Veq de réactif titrant. A l'équivalence, tous les réactifs ont réagi dans les proportions stœchiométriques de la réaction. Tous les réactifs ont donc totalement disparus. A l’équivalence on peut établir le tableau d’avancement suivant : Equation bilan

+ bB

→

+ dD

Quantité de matière

n iA

nBversés

Etat final

niA -a.xmax=0

nBversés -b.xmax=0

c. xmax

d.xmax

On a donc xmax=

n iA n Bversés = a b

d’où

[A]i ⋅Vinitial a

c B ⋅ Veq b

soit

[A]i = a ⋅

cB ⋅ Veq

b Vinitial

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 39

6° Détermination de l'équivalence On peut déterminer le volume équivalent : • par conductimétrie : On trace le graphe G=f(V). A l'équivalence, on observe un changement de pente et Véq est l’abscisse du point où se produit ce changement de pente. • Par colorimétrie : si la réaction de dosage est une réaction acide base,on utilise un indicateur coloré adapté au pH de la solution à l’équivalence. Si la réaction de dosage est une réaction d’oxydo-réduction, l’un des produits peut changer de couleur en se transformant en son espèce complémentaire.

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 40

Chapitre IV : LA CHAINE CARBONEE I. LA LIAISON CHIMIQUE IMPLIQUANT LE CARBONE 1° Introduction La chimie organique est le domaine de la chimie qui s'intéresse aux molécules constituées principalement d'atomes de carbone et d'hydrogène. Ces molécules donnent lieu à un très grand nombre de réactions. Les produits de ces réactions sont omniprésents dans la vie quotidienne (médicaments, parfums, matières plastiques, carburants, ...). Les carburants et les matières plastiques sont synthétisés à partir des hydrocarbures (pétrole ou gaz naturel).

2° Rappels Règle de l’octet : Au cours de leurs transformations chimiques, les atomes caractérisés par Z > 2 évoluent de manière à acquérir une structure électronique plus stable que la leur et à saturer leur couche externe. Ils acquièrent un "octet" d'électrons c'est-à-dire 8 électrons ou 4 paires d'électrons. Une liaison covalente entre deux atomes correspond à la mise en commun entre ces deux atomes de deux électrons de leurs couches externes pour former un doublet d'électrons appelé doublet liant. Il est représenté par un tiret entre les deux atomes, par exemple : H⎯H. Le doublet liant, mis en commun entre les deux atomes, est considéré comme appartenant à chacun des atomes liés. Le nombre de liaisons covalentes que peut former un atome est égal au nombre d'électrons qu'il doit acquérir pour saturer sa couche externe à un octet d'électrons (ou un duet pour l'atome d'hydrogène). Un doublet non liant est une paire d’électrons qui ne sert pas de liaison entre deux atomes. Il est représenté par un tiret à proximité de l’atome.

3° La tétravalence du carbone Le carbone est l'élément de base de toute molécule organique. L'atome de carbone possède 6 électrons (Z=6). Sa structure électronique est (K)2 (L)4. L’atome de carbone possède donc 4 électrons de valence. Il peut engager 4 liaisons. Il est tétravalent.

4° La liaison carbone-carbone Un atome de carbone peut former une liaison avec un atome de carbone voisin, pour former une chaîne carbonée de longueur variable. Il existe des liaisons simples (notée C-C),des doubles liaisons (notée C=C) et des triples liaisons. La double liaison est plus courte et plus forte que la liaison simple.

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II. LE SQUELETTE CARBONE 1° Différentes formes d’écriture Considérons la molécule de butane de formule brute : C4H10. Elle peut être représentée de trois façons : Formule développée H

Formule semi-développée

On fait apparaitre toutes les liaisons carbone-carbone et carbone-hydrogène.

CH3

CH2

Représentation topologique

CH3

On ne fait apparaître que les liaisons carbone-carbone

La chaîne carbonée apparaît sous forme d’une ligne brisée. On ne représente pas les hydrogènes. Les carbones sont représentés par les sommets des lignes brisées.

2° Chaîne principale, chaîne ramifiée Chaîne principale : c’est l'enchaînement carbone le plus long possible dans la molécule.

Ici, il y a 8 atomes de carbone dans la chaîne principale

Chaîne secondaire : sur la chaîne principale peuvent être greffées des ramifications (les chaînes secondaires),la chaîne principale est dite ramifiée.

Ici, la chaîne principale est constituée de 10 carbones et possède deux ramifications.

3° Nomenclature Considérons une molécule constituée uniquement d’atomes de carbone et d'hydrogène, • Si toutes les liaisons entre H et C sont simples, il s'agit d'un alcane (formule brute CnH2n+2). • S'il existe une ou plusieurs liaisons C=C, c'est un alcène (formule brute CnH2n). La nomenclature des alcanes et des alcènes est composé d'un radical qui dépend du nombre de carbones de la chaîne principale suivi du suffixe -ane pour un alcane et -ène pour un alcène.

4° Isomérie On appelle isomères deux molécules différentes mais ayant la même formule brute. Exemple : C7H16

Pour les alcènes, on définit une isomérie particulière : l'isomérie Z-E. Illustrons cette notion avec l’exemple suivant : Isomère E : les deux groupes les plus légers (H) ne sont pas du même côté. La lettre E vient de l’allemand Entgegen (« opposé »).

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 42

Isomère Z : les deux groupes les plus légers (H) sont du même côté. La lettre Z vient de l’allemand Zusammen (« ensemble »).

H H

5° Propriétés physiques des alcanes Température d'ébullition Plus la chaîne carbonée est longue plus la température d'ébullition est grande. A température ambiante, seuls le méthane, l’éthane, le propane et le butane sont gazeux. Les autres sont liquides.

Solubilité Les alcanes sont très peu solubles dans l'eau, et leur solubilité diminue lorsque la chaîne carbonée s'allonge.

6° Modification du squelette carboné On peut allonger, raccourcir, ramifier, cycliser ou déshydrogéner les squelettes carbonés. On peut donc obtenir tous les squelettes souhaités. Exemple : réaction de polyaddition des alcènes (dans des conditions particulières de température et pression, catalyse…). Dans l’équation suivante, A est un groupe quelconque :

nCH 2 = CHA → −(CH 2 − CHA) n − On obtient ainsi une molécule de polymère constituée de n monomères − (CH 2 − CHA) − (n est appelé le degré de polymérisation).

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 43

Chapitre V : LES GROUPES FONCTIONNELS I. LES DIFFERENTES FONCTIONS 1° Les alcools Ils possèdent le groupe hydroxy –OH lié à un atome de carbone. On les note : R-OH. Leur nom porte le suffixe –ol. Il existe trois classes d’alcools : Alcools primaires Leur formule type est R-CH2-OH, la fonction alcool est toujours en bout de chaîne. L’atome de carbone qui porte la fonction alcool n’est lié qu’à un seul atome de carbone.

Alcools secondaires Leur formule type est RR’-CHOH, la fonction alcool est toujours dans la chaîne. L’atome de carbone qui porte la fonction alcool est lié à deux autre atomes carbones et un atome d’hydrogène.

Alcools tertiaires Leur formule type est RR’R’’-COH, la fonction alcool est toujours dans la chaîne. L’atome de carbone qui porte la fonction alcool est lié à trois atomes de carbones.

2° Les aldéhydes et les cétones Lorsqu’un atome d’oxygène établit deux liaisons avec un même atome de carbone on obtient le groupe carbonyle qui est commun aux molécules d’aldéhyde et de cétone. Aldéhydes Leur nom porte le suffixe –al et leur formule type est R-CHO.

Cétones Leur nom porte le suffixe –one et leur formule type est R-CO-R’.

3° Les acides carboxyliques Leur nom porte le suffixe –oïque et leur formule type est R-COOH ou RCO2H.

4° Les amines Leur nom porte le suffixe -ylamine et leur formule type est R-NH2.

R ⎯ NH2

5° Les dérivés halogénés Leur nom porte le préfixe halogéno- (halogène : fluor, chlore, brome, iode) et leur formule est du type R-X (où X=F, Cl, Br ou I).

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 44

R⎯X

II. REACTIVITE 1° Oxydation des alcools Seuls les alcools primaires et secondaires peuvent être oxydés. • Un alcool primaire s’oxyde d’abord en aldéhyde puis en acide carboxylique : R-CH2-OH ⇒ R-CHO ⇒ RCO2H On a les demi-réactions suivantes : R-CH2-OH → R-CHO + 2 e- + 2 H+ puis R-CHO + H2O → RCO2H + 2 e- + 2 H+ L’oxydation peut se faire en présence d’oxygène : R-CH2-OH + ½ O2 → R-CHO + H2O puis R-CHO + ½ O2 → RCO2H • Un alcool secondaire s’oxyde en cétone et ne s’oxyde pas plus : RR’-CH-OH ⇒ R-CO-R’ On a la demi-réaction suivante : RR’-CH-OH R-CO-R’ + 2 e- + 2 H+ L’oxydation peut se faire en présence d’oxygène : RR’-CH-OH + ½ O2 •

R-CO-R’ + H2O

Un alcool tertiaire ne peut pas être oxydé.

2° Déshydratation des alcools En milieu acide et en chauffant, on peut transformer un alcool en alcène suivant la réaction : OH

H2SO4

OH2

Remarque : la déshydratation est d'autant plus facile que la classe de l'alcool est élevée : un alcool tertiaire se déshydrate plus facilement qu'un secondaire, et à fortiori qu'un primaire.

3° Passage aux dérivés halogénés On peut transformer un alcool en un dérivé halogéné suivant la réaction : ROH + HX → RX + H2O

(X= Cl, Br ou I)

Remarques : • •

La réaction est d'autant plus facile (plus rapide et avec un meilleur rendement) que la classe de l'alcool est élevée : Influence de X : la réactivité dépend du composé halogéné de départ (HI < HBr < HCl)

Exemple de réaction :

CH3CH2OH + HBr → CH3CH2Br + H2O

4° Caractérisation des composés oxygénés • Le test avec la DNPH (2,4-dinitrophénylhydrazine) : Le test caractéristique du groupe carbonyle (C=O) est le précipité jaune orange obtenu avec la 2,4-DNPH. Ce test est donc positif pour les aldéhydes et les cétones, mais il ne permet pas de les distinguer. • Le réactif de Schiff, la liqueur de Fehling et le réactif de Tollens : Ces trois réactifs donnent des tests positifs pour les aldéhydes uniquement.

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 45

- le réactif de Schiff rosit - la liqueur de Fehling donne un précipité rouge brique de Cu2O selon : R-CHO + 2 CuT22- + 5 OHR-COO- + Cu2O + 3 H2O + 4 T2- le réactif de Tollens ou nitrate d’argent ammoniacal donne lieu à un dépôt d’argent métallique (Ag) selon : R-CHO + 2 [Ag(NH3)2]+ + 3 OHR-COO- + 2 Ag + 2 H2O + 4 NH3 •

Le papier pH permet de caractériser un acide carboxylique, car la solution est acide.

5° Rendement d'une réaction Le rendement d’une réaction, noté η, est le rapport de la quantité de matière de produit obtenue expérimentalement (nréel), sur la quantité de matière maximale de produit si la réaction considérée était totale (nthéorique). On a :

η=

n réel n théorique

avec 0 < η ≤ 1

Une valeur η < 1 peut être expliquée de la façon suivante : • La réaction étant plus ou moins rapide, l’avancement maximal n’est peut-être pas atteint en arrêtant la manipulation. • Lors des lavages, des extractions et des purifications, une partie du produit formé est perdue.

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 46

Chapitre VI : NOMENCLATURE DES COMPOSES ORGANIQUES I. METHODE La méthodologie pour nommer des molécules organiques est la suivante : • Repérer la chaîne principale. • Compter les atomes de carbone de cette chaîne et en déduire le radical du nom. • Repérer la fonction. • Numéroter les carbones de la chaîne principale de telle sorte que le carbone portant la fonction ait le plus petit numéro possible. • Compléter le radical par -ane pour un alcane ou -i-ène pour un alcène (i est le numéro du carbone portant la double liaison). • Compléter par le suffixe (ou le préfixe pour les dérivés halogénés) correspondant à la fonction. Si besoin est, la fonction doit être précédée du numéro du carbone qui la porte. • Repérer et nommer les chaînes secondaires. Elles se placent avant le radical et sont précédées du numéro du carbone qui porte la chaîne secondaire. Le nom de la chaîne secondaire est composé du radical correspondant à son nombre de carbone, suivi de -yl. Dans le cas de plusieurs chaînes secondaires, celles-ci sont classées par ordre alphabétique. Le tableau cidessous donne le nom du groupement alkyle suivant le nombre d’atomes de carbone : 1 2 3 4 5 6

méthéthpropbutpenthex-

7 8 9 10 11 12

heptoctnondecundecdodec-

II. EXEMPLES Exemple 1 : Chaîne principale : 6 carbones → hex Fonction : alcool Numérotation : Il n'y pas de double liaison → hexan Suffixe : alcool en position 2 → hexan-2-ol. Chaînes secondaires : 3-éthyl et 2-méthyl Nom de la molécule : 3-éthyl-2-méthylhexan-2-ol Exemple 2 : Chaîne principale : 8 carbones → oct Fonction : dérivé chloré. Numérotation : Il y a une double-liaison en position 2→ oct-2-èn Préfixe : dérivé chloré en position 1 → 1-chlorooct-2ène. Chaînes secondaires : 3-propyl et 3-propyl Nom de la molécule : 1-chloro-3,3-dipropyloct-2-ène

Remarques : • Dans l’exemple 2 ci-dessus, on a deux propyles sur le carbone 3, on écrit donc 3,3-dipropyl • Les préfixes des fonctions sont toujours avant les ramifications. • Les ramifications sont écrites dans l'ordre alphabétique, sans tenir compte du préfixe di- ou tri-. • Tous les mots sont attachés et tous les numéros sont entre tirets.

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 47

III. TABLEAU RECAPITULATIF Fonction

Préfixe

Suffixe

Alcool

Hydroxy-

-ol

Groupement caractéristique

Formule

Exemple CH3

H3C

CnH2n+1OH

CH3

2-méthylpropan-2-ol Aldéhyde

-al

-one

CnH2nO CO

R' H3C

Dérivé halogéné

fluorochlorobromoiodo-

- ylamine

CH2

CH3

pentan-2-one

COOH

⎯ NH2

CnH2n+1COOH

R ⎯ NH2 CnH2n+1NH2

⎯F

⎯I

CH2

C OH

Acide 3méthylbutanoïque

NH2 2-méthylpropyl-1-amine

R ⎯X

⎯ Cl ⎯ Br

H3C

CH3

amino-

CH2

-oïque

Amine

CnH2nO acide

3-methylbutanal

C Acide carboxylique

CH2

CH3

H Cétone

CHO

H3C

CnH2n+1X

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 48

Cl 2-chlorobutane

Chapitre VII : LA MATIERE ET SES TRANSFORMATIONS I. LA COHESION DE LA MATIERE 1° La liaison chimique et énergie de liaison Une liaison chimique est issue de la mise en commun par deux atomes de deux électrons. Elle lie les atomes entre eux, en les maintenant à une distance relativement fixe l'un de l'autre : cette distance est appelée longueur de liaison notée lAB. L'énergie de liaison est l'énergie qu’il faut apporter pour rompre les liaisons chimiques d'une mole de molécule à l’état gazeux. Sa valeur dépend des atomes mis en jeu et du type de liaison (simple, double ou triple). L'énergie de liaison d'une liaison AB est notée DAB . DAB s’exprime en kJ.mol-1 et est toujours positive.

2° Les états de la matière et énergie de cohésion Ordre des particules

Propriétés particulières

Solide Très ordonné (cristal). Peu ordonné (verres, céramiques, polymères). Incompressible. Non fluide.

Liquide Très peu ordonné.

Gazeux Désordonné.

Incompressible. Fluide.

Compressible. Fluide.

L'énergie de cohésion est l'énergie nécessaire pour dissocier une mole d'assemblage (solide, liquide) • Pour les liquides et pour les solides, l'énergie de cohésion est l'énergie nécessaire pour transformer une mole de M(l) ou une mole de M(s) en une mole de M(g) : M(l) → M(g) pour les liquides et M(s) → M(g) pour les solides.

II. TRANSFORMATIONS CHIMIQUES 1° Chaleur de réaction On appelle chaleur de réaction QR l'énergie reçue par le système réactionnaire pour transformer une mole de réactifs. On distingue deux types de réactions suivant le signe de QR. • Si QR < 0, la réaction est dite exothermique, elle libère de l'énergie. • Si QR > 0, la réaction est dite endothermique, elle absorbe de l'énergie.

2° Principe de l'état final et de l'état initial La chaleur de réaction ne dépend que de l'état initial et de l'état final : elle ne dépend pas des produits intermédiaires qui peuvent se former. Donc : Q R = E final − E initial Remarques importantes : • La chaleur de la réaction inverse est −QR. • Pour une suite de réaction R1, R2 et R3, de chaleurs de réaction respectives Q1, Q2 et Q3, la chaleur de la réaction globale QR:

QR = Q1 + Q2 + Q3

3 1 2 C ⎯⎯→ D ⎯⎯→ E+F Ceci correspond au mécanisme suivant : A + B ⎯⎯→

A l'état gazeux, on peut calculer la chaleur de réaction, connaissant les énergies de liaisons DAB des molécules apparaissant dans l’équation bilan.

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 49

Exemple : déterminer de la réaction QR de combustion complète du méthane CH4

CH4

2 O2

CO2

2 OH2

4DC-H + 2DO=O -2DC=O - 4DO-H

C + 4H O +24O Pour la réaction étudiée, on a : Q R = 4 DC − H + 2 D0 = 0 − 2 DC =O − 4 DO − H Pour une réaction quelconque, on a : Q R =

∑D

réactifs

−

∑D

A' B '

produits

Remarque importante : ne pas oublier d'équilibrer les équations bilans.

3° Réactions de combustion Les réactifs sont appelés combustibles (exemple : les hydrocarbures) et comburants (souvent le dioxygène). La réaction de combustion complète des hydrocarbures (CxHy) et des alcools (CnH2nO) conduit à la formation du dioxyde de carbone CO2(g) et de vapeur d'eau H2O(g). Les réactions de combustion sont toujours exothermiques. Exemple: réaction de combustion complète de l’éthanol: CH3CH2OH + 3 O2 → 2 CO2 + 3 H2O

III. CHANGEMENTS D'ETATS A chaque changement d'état est associée une réaction. La figure ci-dessus donne le nom de chaque changement d’état entre les trois états de la matière :

Considérons la réaction: M(l) → M(g). Elle correspond à la vaporisation.On appelle chaleur latente de vaporisation Lv (J.mol-1) la chaleur associée à cette réaction. Elle correspond à l'énergie qu'il faut fournir pour vaporiser une mole de M à l’état liquide. Considérons la réaction :Fusion : M(s) → M(l). Elle correspond à la fusion. La chaleur de cette réaction est la chaleur latente de fusion Lf. Remarque : d’après le principe de l'état final et de l'état initial : Lliquéfaction = − LV et Lsub lim ation = LF + LV Ainsi, grâce aux seules chaleurs latentes de fusion et de vaporisation, on peut connaître les chaleurs latentes de chaque changement d'état.

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Partie C :

EXERCICES DE

PHYSIQUE (*) : exercices plutôt faciles. (**) : exercices moyens. (***) : exercices plutôt difficiles.

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Chapitre I : LES INTERACTIONS FONDAMENTALES EXERCICE I-1* : Charges élémentaires Donner la charge des particules ou molécules suivantes : un proton un électron un ion Fe3+ un ion SO42-19 Rappel : e = 1,6. 10 C

une mole d'ions NO3-

EXERCICE I-2** : Poids d'un solide On suppose que la Terre est un corps à symétrie sphérique. Son rayon est R=6370km, sa masse est M=5,98.1024kg et la constante de la gravitation universelle est : G=6,67.10-11U.S.I. a) Déterminer la valeur de la force de gravitation exercée par la terre sur un solide S de masse m=1,0kg placé à sa surface. b) Déterminer le poids du même solide placé au même endroit. c) Comparer les valeurs de ces deux forces et conclure. EXERCICE I-3*** : Entre Terre et Lune On considère une navette spatiale, de masse 1800kg, se trouvant entre la Terre et la Lune. On appelle d la distance du centre de la Terre à la navette et D la distance des centres de la Terre et de la Lune. a)Exprimer la force de gravitation exercée par la Terre sur la navette. b)Exprimer la force de gravitation exercée par la Lune sur la navette. c) A quelle distance d0 de la Lune ces deux forces auront-elles la même valeur ? Données : MTerre = 6.1021tonnes, MLune=1/83 MTerre , D=380 000km. EXERCICE I-4* : Un électron (Corrigé) a)Calculer la force électrique auquel est soumis l'électron de l'atome d'hydrogène. b)Calculer la force gravitationnelle à laquelle il est soumis et conclure. c)Effectuer les mêmes calculs avec un électron de l'uranium (Z=92 et A=238) Données : me = 9,11. 10-31 kg, mp=mn= 1,67.10-27 kg, distance moyenne électron-noyau=0,1 nm, k = 9.109 U.S.I., G = 6,67.10-11 U.S.I. et e = 1,6.10-19 C. EXERCICE I-5** : Atome d'hélium a) Calculer la force créée par les électrons de l’atome d'hélium (Z=2) qui s'exerce sur un proton. b) Calculer la force créée par l'autre proton sur un proton de l'atome d'Hélium et conclure. c) Donner un ordre de grandeur de l'interaction forte dans le noyau d'un atome d'Hélium. Données : e = 1,6 . 10-19 C, distance moyenne électron - noyau : r = 10-10 m, taille caractéristique du noyau d'hélium : r' = 10-15 m et k = 9.109 U.S.I. EXERCICE I-6** : Système de 3 charges Un électron est placé au milieu de trois charges ponctuelles comme sur le schéma ci-dessous. A quelles forces est-il soumis ? Représenter et calculer la résultante de ces forces (leur somme). Données : q = e = 1,6. 10-19 C et k = 9.109 U.S.I.

-q R=1 e

+2q

60° -q

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EXERCICE I-8** : La molécule de diazote La molécule de diazote est constitué de deux atomes d’azote dont les noyaux comportent 7 protons ; ces noyaux sont à la distance d = 0,14 nm l’un de l’autre. 1) Déterminer la valeur des forces d’interactions électriques entre les deux noyaux. 2) Déterminer la valeur des forces d’interactions gravitationnelles entre les deux noyaux. 3) Comparer les valeurs de ces deux forces et conclure. Données : la masse de chaque noyau est 2,3.10-26 kg, K=9.109 U.S.I. , G=6,67.10-11 U.S.I. et e=1,6.10-19 C.

Chapitre II : FORCES ET MOUVEMENT EXERCICE II.1* : Vitesses moyennes Calculer les vitesses moyennes exprimées en m.s-1 et en km.h-1 dans les cas suivants : a)Au cours d'une course de sprint en athlétisme, un athlète effectue un "60 m" en 7,5 s. b)Un avion décolle de Paris à 11h00 et se pose à Séville, distantes de 1 700 km, à 13h15. c) Une course cycliste se déroule sur un parcours de 132 km ; les organisateurs ont fixé le départ à 13h30 et prévu l'arrivée à 16h50. EXERCICE II.2*** : A la montagne Un homme de masse m=70,0kg a un poids P=686,7N au niveau de la mer. On considère que le poids est égal à la valeur de l'interaction Terre-homme et que l'homme peut-être considéré comme ponctuel par rapport à la Terre. 1. En se fondant sur ces données, calculer la valeur de la constante de gravitation G. 2 Calculer le poids de l'homme au sommet de l'Everest (h=8850m). 3. A quelle altitude cet homme doit-il se trouver pour que son poids varie de 10% par rapport à celui qu'il subit au niveau de la mer? Données: Masse de la Terre: M = 5,98.1024 kg; Rayon de la Terre: R = 6400 km EXERCICE II.3* : Le T.G.V. a)Un T.G.V. approche de la gare à la vitesse de 70 km.h-1. Sur une voie parallèle, un train de marchandises se dirige également vers la même gare mais à la vitesse de 72 km.h-1. A quelle vitesse les voyageurs du T.G.V. voient-ils passer le train de marchandises ? b)Le T.G.V. roule à présent dans la campagne à une vitesse de 300 km.h-1. Il croise un autre T.G.V. roulant à la même vitesse. A quelle vitesse les voyageurs d’un T.G.V. voient-ils passer l’autre T.G.V. ? EXERCICE II-4* : Tourne-disque Un disque de rayon R = 10 cm tourne à la vitesse constante de 260 tours par minute. Calculer sa vitesse angulaire en rad.s-1, puis la vitesse d'un point de sa périphérie en m.s-1. EXERCICE II-5** : Poulies solidaires Une poulie (P1) de rayon R1 = 300 mm entraîne, par l’intermédiaire d’une courroie une poulie (P2) de rayon R2 = 100 mm. La poulie (P1) tourne à raison de n1 = 180 tours / mn. a)Déterminer sa fréquence de rotation. P1 b)Déterminer sa période. P c) Déterminer sa vitesse angulaire ω1. d)Déterminer la vitesse linéaire d’un point de la périphérie de la poulie. e)Quelle est la vitesse linéaire des points de la courroie ? f) En déduire la vitesse angulaire ω2 de la poulie (P2). EXERCICE II-6** : Chenillette Un véhicule muni d'une chenillette, remonte à vitesse constante et sans glisser une pente inclinée d'un angle α = 30° par rapport à l'horizontale. La roue arrière de la chenillette est positionnée initialement en 0. La distance entre les axes des 2 roues est de 2 m et le diamètre de chaque roue 50 cm.

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Le point O correspond à l’intersection du plan horizontal et du plan incliné.

30°

plan horizontal

O a)Calculer la vitesse du véhicule sachant qu'il lui faut 3 mn 20 s pour gagner 100 m en altitude. b)Déterminer en rad.s-1 et en tr.min-1 la vitesse angulaire des roues. c) Quel type de mouvement la carrosserie du véhicule a-t-elle par rapport au sol ? Quel type de mouvement une roue a-t-elle par rapport au véhicule ? Quel type de mouvement une roue a-t-elle par rapport au sol ? d)Représenter la trajectoire d'un point P de la chenillette par rapport au véhicule puis par rapport au sol ? EXERCICE II-7* : Cube et poussée d’Archimède Un cube homogène d'arête a=30cm est constitué d'un matériau de masse volumique ρ=790kg.m-3. On plonge ce cube dans l'eau: il flotte. Déterminer la hauteur h du cube immergée en dessous de la surface de l'eau. EXERCICE II-8** : Ballon-sonde (corrigé) Un ballon-sonde de masse à vide mB=1,0kg, doit emporter des appareils de mesure dont la masse totale est mA=4,0kg. Le ballon est gonflé à l’hélium de masse volumique ρHe = 0,18kg.m-3. 1. a)Schématiser le ballon gonflé et retenu au sol par une corde en représentant les forces qui s’exercent sur lui. b)A quelle condition le ballon peut-il s’élever ? 2. a)La valeur de la poussée d’Archimède est donnée par l’expression : Pa=ρair .V.g , avec ρair =1,3kg.m-3 (masse volumique de l’air), V le volume du ballon et g=9,8N.kg-1. Calculer le volume d’hélium nécessaire pour que la poussée d’Archimède permette le décollage du ballon. b)Très peu de temps après le décollage et en l’absence de vent, le mouvement du centre d’inertie du ballonsonde est rectiligne, vertical et uniforme. Quelle relation existe alors entre les deux forces ? Qu’est ce qui a changé par rapport à la situation du décollage ? 3. Lorsqu’il atteint l’altitude de 30km environ, le ballon éclate. a)Comment peut-on expliquer ce phénomène ? b)Quel mouvement va prendre ensuite ce qu’il reste du ballon-sonde ? B

EXERCICE II-9** : Déménagement (Corrigé) Un meuble pèse 2 500 N. Un déménageur exerce sur celui-ci une force de traction horizontale de 600 N sans pouvoir le faire glisser. a) Quelle est la valeur de la force de frottement ? b) Représenter la force exercée par le sol sur le meuble. c) Calculer la valeur de cette force. EXERCICE II-10*** : Sports d’hiver Un skieur part sans vitesse initiale sur une piste rectiligne (on choisira l’axe Ox selon la pente de la piste (en montant) inclinée d'un angle α = 20° avec l'horizontale. a)Calculer les projections Px et Py du poids du système (skieur-ski) sachant que le poids de l'ensemble est de 800 N (On choisira l'axe Oy orthogonal à Ox)

b)Le contact entre les skis et la piste a lieu avec frottements. La force de contact R possède une composante

tangentielle

r R x et une composante normale

numériquement Rx et Ry, sachant que Ry compense Py.

r Ry

telles

c) Il s'ajoute aux forces précédentes une force de freinage f = f x ⋅ i

que: R x = 0,2 ⋅ R y .Calculer

due à l'air, parallèle au vecteur

vitesse, mais de sens opposé. Initialement, fx est quasiment nulle. Représenter alors les forces exercées sur le skieur. Le skieur peut-il descendre sans pousser sur ses bâtons ?

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d)Au bout d'un certain temps, le skieur est en mouvement de translation uniforme. Calculer alors fx. EXERCICE II-11** : Tension d'un fil On considère l’équilibre ci-contre. Le poids de la boule est 10N, et α= 30°. a)Faire l’inventaire des forces extérieures s’exerçant sur la boule. b)Faire l’inventaire des forces extérieures s’exerçant sur le dynamomètre (on négligera sa masse). c)Donner un exemple de forces liées entre elles par le principe des actions réciproques, parmi celles évoquées précédemment. d) Ecrire la condition d’équilibre de la boule. e)Déterminer graphiquement (on fera une construction avec l’échelle : 1cm ↔1N) : l’indication du dynamomètre et la tension du fil. f) Retrouver les valeurs de la question e) par des relations trigonométriques. EXERCICE II-12** : Remorque tractée Un véhicule de type 4x4 tracte une remorque sur une route rectiligne et horizontale, à vitesse constante v =72 km.h-1. on définit les systèmes suivants : Système S1 : véhicule 4x4 de masse m1=1200kg et de centre d’inertie G1. Système S2 : remorque de masse m2=800kg et de centre d’inertie G2. L’ensemble {S1 + S2} constitue le système {S} de masse m et de centre d’inertie G. a)Donner la définition d’un système pseudo-isolé. b)Enoncer le Principe de l’inertie. c) Le système {S} est-il pseudo-isolé ? Justifier la réponse. d)Faire l’inventaire des forces extérieures qui s’exercent sur le système{S}. e)Faire l’inventaire des forces extérieures qui s’exercent sur le système {S1}. f) Faire l’inventaire des forces extérieures qui s’exercent sur le système {S2}. g) Le vecteur vitesse de la remorque est-il constant ? Ce système est-il pseudo-isolé ? Que penser de la somme vectorielle des forces extérieures s’exerçant sur {S2} ? h)Citer 2 forces intervenant dans les questions précédentes liées entre elles par le principe des interactions. EXERCICE II-13** : Record à battre (Corrigé) Le record du monde de vitesse à ski a été établi à la vitesse de 233,615 km.h-1. Le chronométrage s’effectue sur 100 m. La masse du skieur et de son équipement est m = 105 kg. L’angle α que fait la piste avec l’horizontale est de 46°. 1. Calculer la durée τ nécessaire pour effectuer les 100 m.

2. On désigne par P le vecteur poids du skieur et de son équipement, par RN ,le vecteur réaction normale

de la piste sur les skis et par F le vecteur force de l’ensemble des frottements s’exerçant sur le système skieur-équipement. a) Faire un schéma et représenter les forces appliquées au système. b) Quelle relation existe-t-il entre ces différents vecteurs force ? c) Calculer la valeur de RN. EXERCICE II-14** : Un peu de musculation ! Un appareil pour accroître la musculation de la main se compose de trois ressorts identiques travaillant en parallèle et réunissant deux planchettes distantes initialement de 6 cm. Lorsque l’utilisateur exerce simultanément une force de 15 N sur chaque planchette, elles se rapprochent de 2 cm. a)Rappelez l’expression de la force de rappel d’un ressort. Calculer la constante de raideur de ces ressorts.

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EXERCICE II-15* : Allongement d’un ressort (Corrigé) La masse m1 est en équilibre sur un plan incliné d’un angle α par rapport à l’horizontale. Elle est retenue à un point fixe A par l’intermédiaire d’un ressort à spires non jointives de raideur k. dans la suite de l’exercice, on néglige les forces de frottement. k m1

a)Déterminer les caractéristiques des forces appliquées au système de masse m1. b)Rappeler la relation reliant la force de tension T avec l’allongement du ressort x et sa constante de raideur, notée k. En déduire l’allongement x du ressort. On donne m1=888g, α=35° ainsi que la constante de raideur du ressort k=2 N.m-1. EXERCICE II-16 ** : Soufflerie et poids Un mobile autoporteur A de masse mA=650g et relié par un fil inextensible à un solide B de masse mB=200g (montage ci-dessous). B

1. La soufflerie du moteur est arrêtée et le mobile A est immobile. a. Déterminer la force exercée par le fil sur le solide B. b. Sachant que les forces exercées par le fil sur les solides A et B ont même valeur, déterminer la valeur de la force de frottement exercée par le table sur le mobile A. 2. La soufflerie du mobile A est maintenant en fonction. Le mobile A se met en mouvement et glisse sans frottement sur la table. a. Le solide B est-il en chute libre? b. Monter que la valeur de la force exercée par le fil sur B diffère de la valeur précédente. EXERCICE II-17*** : (Corrigé) Une boule de rayon r = 5 cm et de masse volumique ρ = 0,4 g.cm-3 est en équilibre à la surface d'un liquide de masse volumique 0,8 g cm-3. 1) Faire l’inventaire des forces agissant sur la boule d’acier. 2) Exprimer puis calculer le poids de la boule. 3) Définir puis exprimer la poussée d'Archimède. 4) En déduire le volume immergé de la boule d’acier. 5) Quelle force verticale faut-il exercée sur la boule pour que celle-ci soit entièrement immergée et en équilibre ? Donnée : volume d'une sphère : V =

4 ⋅π ⋅ r 3 3

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Chapitre III : TRAVAIL MECANIQUE ET ENERGIE EXERCICE III-1* : (Corrigé) Une pomme de masse m = 150 g se détache d’un arbre. 1) Faire l’inventaire des forces s’exerçant sur la pomme. 2) Déterminer sa vitesse en fonction de la hauteur h de chute. EXERCICE III-2* : Fusil Une balle sort du canon d’un fusil avec une énergie cinétique Ec = 9.103 J. Après avoir parcouru 100 m (presque à l’horizontal), son énergie cinétique est de 7.103 J. Calculer la perte d’énergie cinétique durant ces 100 m. Qu’est devenue l’énergie cinétique perdue ? EXERCICE III-3* : Lune On suppose que la Lune a une trajectoire circulaire autour de la Terre. a)Calculer la somme des travaux des forces extérieures qui s'exercent sur la Lune. b)Conclure quant à la vitesse de rotation de la Lune. EXERCICE III-4* : Un remorqueur (Corrigé) a)Un remorqueur fluvial tire une péniche, de masse m = 120 t, avec une vitesse constante sur une distance d = 10 km. Le filin qui les relie exerce sur la péniche une force T = 25 kN. Calculer le travail fourni à la péniche au cours de ce trajet. b)En passant une écluse, la péniche s’élève d’une hauteur h = 5,4 m. Calculer la variation d’énergie potentielle pendant ce transfert. EXERCICE III-5*** : Rampe de lancement Un bloc de masse m=200g et de petites dimensions est abandonné depuis le point A (zA=3m) sans vitesse initiale sur une piste dont le profil est représenté cicontre. Le bloc glisse sur la piste sans frottements. B, C et D appartiennent à un arc de cercle de rayon r=3m. Donnée : on prendra g=10 N.kg –1.

a)Faire l'inventaire des forces extérieures s'appliquant sur le bloc. b)Calculer VC, la vitesse atteinte par le bloc au point C. c) Donner l’expression puis la valeur de l'altitude zB du point B. d)En déduire VB, la vitesse atteinte par le bloc au point B. e)Sachant que VE = 5,65m.s-1, calculer l'altitude zE du point E. f) En réalité, les frottements n’étant pas parfaitement négligeables, le mobile aborde le point D (zD=0,402m) avec une vitesse VD=5m.s-1. Calculer la valeur de la force de frottement, en supposant qu'elle soit constante sur le trajet AD. B

EXERCICE III-6*** : Le long d'un arc de cercle... Un bloc de masse m=2OOg est abandonné depuis le point A (zA = 60 cm) sans vitesse initiale. Il glisse sans frottement sur une piste circulaire dont le profil est représenté ci-contre. On admettra que le système {bloc + Terre} est mécaniquement isolé (conservatif). Les points B, C, D, E et F appartiennent à un arc de cercle de rayon r=60 cm.

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1. Le bloc est lâché du point A sans vitesse initiale. a) Donner l’expression et calculer l’énergie potentielle EpA du système {bloc + Terre} en A. b) Donner l’expression de vC en fonction de EpA. Calculer vC. c) Montrer que zB = r (1 - cos B ), puis évaluer EpB. d) En déduire l’énergie cinétique au point B, puis VB. 2. Le solide est maintenant lancé du point A avec une vitesse initiale VA = 1,5 m.s-1 a) Calculer la vitesse au point C. b) Calculer la vitesse angulaire au point D. c) En déduire la position du point de rebroussement Mr par sa côte, puis sa position angulaire. d) Evaluer l’énergie potentielle de pesanteur du système {bloc + Terre} au point E. e) Le point E est-il atteint ? Si oui justifier, sinon calculer la vitesse V’A avec laquelle il faudrait lancer le solide depuis le point A. B

Données : g=10 N.kg -1 et αC= 0

αA = +90° αB = +45° αD = -90° αE = -120° B

EXERCICE III-7** : Démarrage d’une cabine d’ascenseur (Corrigé) Une cabine d’ascenseur de masse m=120 kg peut glisser sans frottement le long de rails verticaux, l’action de l’air étant négligeable. La cabine se trouvant au repos, la force de traction du câble prend à un instant t1 la valeur T = 1400 N et conserve cette valeur jusqu’à un instant t2 . Entre les instants t1 et t2 , la cabine s’élève d’une hauteur h=3 m. a)Montrer qu’entre les instants t1 et t2 le système échange de l’énergie avec le milieu extérieur. Calculer cette énergie. b)Quelle est la vitesse de la cabine à l’instant t2 ? Donnée : g=10 N.kg -1

EXERCICE III-8*** : Arrêt d’urgence (Corrigé) Un conducteur lancé à 110 km.h-1 freine brutalement en apercevant un obstacle au loin. On suppose que l’automobile poursuit alors son mouvement dans l'axe de la route horizontale et s'arrête au bout de 113m. La masse totale du véhicule est égale à m=1300 kg. 1)Calculer l’énergie cinétique de la voiture juste avant le freinage. 2)Faire l’inventaire des forces extérieures agissant sur la voiture. 3)Déterminer la valeur F de la force de frottement. EXERCICE III-9*** : Saut à la perche Un perchiste de masse m=70 kg s'élance pour franchir une barre et atteint la vitesse v=9 m.s-1 au bord du sautoir. Son centre de gravité est alors à 1m au-dessus du sol. a)Que vaut l'énergie mécanique du système {Terre-air-perchiste} au bord du sautoir ? b)Avec cette seule énergie mécanique et en supposant négligeable tout frottement, de quelle hauteur peut s'élever le centre de gravité du perchiste ? Quelle serait alors la hauteur franchie ? c) En réalité, le perchiste franchit une barre placée à 5 m. Pourquoi ? Analyser les formes d'énergie mises en jeu. EXERCICE III-10*** : Mouvement d’un skieur 1. Un skieur alpin équipé, de masse totale m=85kg, utilise un remonte-pente pour parcourir les 500m qui le séparent du sommet de la piste sur laquelle il souhaite évoluer. La piste du remonte-pente est rectiligne et inclinée d’un angle α=15° avec l’horizontal ; la perche à laquelle le skieur est accroché fait un angle β=30° avec la piste. a)Schématiser la situation physique. Représenter les forces appliquées au skieur sachant que, la piste étant verglacée, les frottements sont négligeables. b)Etablir la relation entre ces différentes forces lorsque le skieur remonte à vitesse constante. c) Donner les expressions littérales et calculer les valeurs des travaux des forces en présence. 2. Le skieur évolue maintenant en descente jusqu’au pied du remonte-pente en effectuant de nombreux virages.

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a)Calculer la valeur du travail au cours de la descente. b)Sur une portion rectiligne, inclinée de 30° vers le bas sur l’horizontale et de longueur l=100m, la neige est grasse, les frottements ne sont plus négligeables et valent f=50N. Représenter les forces appliquées au skieur dans ce cas. Calculer le travail de chacune d’entre elles au cours du déplacement sur cette portion de piste. c) Lancé à une certaine vitesse, le skieur aborde maintenant une autre portion rectiligne de 20° vers le haut, par rapport à l’horizontale, de longueur l’=25m et sur laquelle les frottements ont la même valeur f. Calculer le travail des forces sur cette portion de piste. EXERCICE III-11** : Pendule simple Un pendule est constitué d’une bille ponctuelle de masse m=60g. La bille est accrochée à un fil de longueur inextensible l=30cm et de masse négligeable. On repère la position de la bille pour l’angle θ que fait le fil avec la verticale passant par A. Le pendule est écarté vers la gauche d’un angle θ1=30°. La bille est alors lancée avec une vitesse v1=1,5m.s-1. a)Calculer l’énergie potentielle du système {Terre-bille} dans sa position initiale (l’origine de l’énergie potentielle correspond à la position au repos). b)En déduire l’énergie mécanique dans la position initiale. c) Déterminer l’angle maximum θmax de remontée en supposant les frottements négligeables. d)Décrire alors le mouvement du système. Que dire de l’énergie du système ? e)Avec quelle vitesse doit-on lancer la bille pour que l’angle de remontée θ2 soit de 180° ? (θ1 vaut toujours 30° dans cette question). EXERCICE III-12***: Mouvement d’un projectile (corrigé) On lance d'un point O une petite pierre de masse m=100g avec un vecteur vitesse initial (Vo=15,0m.s-1) incliné d'un angle α par rapport au plan horizontal. La pierre décrit une trajectoire parabolique de sommet S. Le point O est pris comme origine des altitudes et l'action de l'air est supposée négligeable.

1. Calculer, en fonction de Vo et α, les coordonnées Vox et Voz du vecteur vitesse initiale . 2. On montre que la vitesse au sommet S de la trajectoire est horizontale et a pour valeur Vs=Vox. Déterminer l'expression littérale donnant l'altitude Zs du sommet S en fonction de Vo et α. 3. Calculer numériquement zs pour α=30,0° et α=60,0°. 4. Calculer la vitesse de la pierre lorsqu'elle passe par le point D juste avant l'impact sur le sol horizontal et représenter le vecteur vitesse au point D

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Chapitre IV : CIRCUIT ELECTRIQUE EN COURANT CONTINU EXERCICE IV-1* : Allume-cigare Un allume-cigare d'automobile fonctionne sous une tension de 12 V. Calculer l'énergie électrique reçue pendant les 15 secondes de son fonctionnement si l'intensité qui le traverse est I=10A. EXERCICE IV-2* : Ampoule électrique (Corrigé) Une ampoule électrique porte les indications (200 V – 75 W). a)Lorsque l’ampoule est soumise à la tension indiquée, quelle est la résistance du filament ? b)Quelle est l’intensité du courant qui traverse le filament ? c) Si le prix d’un kWh est 0,88 Euro, calculer la dépense effectuée pour quatre heures d’éclairage. EXERCICE IV-3* : Lumières de voiture Une ampoule d'automobile a une puissance P = 55 W. Elle est alimentée par une tension U = 12 V. a)Quelle est l'intensité du courant dans le filament de la lampe en fonctionnement ? b)La lampe peut être assimilée à un conducteur ohmique de résistance R. Calculer R. c) Schématiser les transferts d'énergie pour la lampe. d)Déterminer l'énergie dissipée par les deux phares comportant des lampes identiques à la précédente fonctionnant pendant 6 heures. EXERCICE IV-4** : Radiateur Alain possède un radiateur électrique sur lequel il y a marqué : 2 000 W - 220 V – ~. a)Que veulent dire ces trois indications ? b)Calculer l’intensité du courant qui passe dans ce radiateur électrique lorsqu’il est alimenté par une tension U = 220 V. c) Calculer la nouvelle puissance P’ de ce radiateur et l’intensité du courant qui le traverse lorsqu’il est branché sur une prise qui délivre U’ = 110 V (on suppose que la résistance du radiateur est toujours la même). EXERCICE IV-5** : Module photovoltaïque Un module photovoltaïque reçoit une puissance rayonnante Pr=280W. Il alimente un moteur électrique sous une tension U = 15 V avec un courant d'intensité I=1,2A. a) Déterminer la puissance électrique fournie par le module photovoltaïque. b) Calculer le rendement énergétique de la conversion. EXERCICE IV-6*** : Rendement d’une chaîne Une pompe centrifuge est alimentée par un moteur électrique dont les caractéristiques sont les suivantes : 220 V, P = 1800 W. a) L'eau est élevée d'une hauteur H=8m avec un débit volumique de 16L.s-1. Calculer la puissance mécanique fournie à l'eau. On négligera l'énergie cinétique de l'eau. b) Calculer le rendement de la chaîne moteur - pompe.

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EXERCICE IV-7** : Résistance équivalente On considère les quatre montages suivants :

R2 R3

Calculer les résistances équivalentes de chaque montage dans les deux cas suivants : - R1 = R2 = R3 = 1kΩ - R1 = 10kΩ, R2 = 100Ω, R3 = 1kΩ EXERCICE IV-8** : Pont diviseur a) Etablir la relation reliant Ue et Us dans le montage 1 (l’intensité du courant est orienté pour que les résistances soient en mode récepteur). b) En déduire la valeur de U dans le montage 2(Ue = 6V, R = 1kΩ, R1 = 3,3 kΩ, R2 = 5 kΩ, R3 = 10 kΩ). R

R3 R2

Montage 2

Montage 1

EXERCICE IV-9** : Abonnement EDF Un appareil ménager consomme une puissance de 200W. a) Quel courant minimum doit fournir le secteur pour faire fonctionner cet appareil (le secteur fournit une tension de 220V) ? b) On branche en plus sur la même prise un appareil qui consomme 2000W. Quel courant minimum doit alors fournir le secteur ? Que se passe-t-il si l'abonnement EDF n'est que de 5A? EXERCICE IV-10** : Série ou parallèle ? On considère le montage suivant où le générateur délivre une tension de 10 V avec une puissance maximale de 40W. R1 = R2 = R3 = 100Ω. a) Quel courant maximal peut fournir le générateur ? R1 R2 b) Quel courant doit-il délivrer ? G c) Que se passerait-il si le générateur était limité à 35W.

d) Reprendre les questions précédentes avec le montage suivant : R1

G e) Quel est le montage le plus économique énergétiquement? Quelle est la solution adoptée par le secteur ? Pourquoi ?

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EXERCICE IV-11** Calcul d'intensité (Corrigé) Calculer I sachant que sachant que R = 100Ω et que le générateur délivre une puissance de 20W. I R

Exercice IV-12** : Un fer à souder, avec une résistance chauffante R= 0,93 Ω à chaud, est alimenté par une tension alternative de sécurité U = 24 V. Calculer : - La valeur maximale Umax de cette tension de sécurité. - La valeur efficace I du courant - La puissance P du fer a souder - L'énergie W dépensée pour 1,5 h de fonctionnement - Avec quelle tension continue Uc devrait-on alimenter ce fer a souder pour obtenir la même efficacité de chauffe ?

Chapitre V : FORCES ELECTROMAGNETIQUES EXERCICE V-1* : Vrai ou Faux ? a)Dès lors qu'il existe des charges dans une région de l'espace, il y a apparition d'un champ magnétique. b)Le champ magnétique est en général proportionnel à la vitesse de déplacement des charges. c) La force de Laplace est toujours parallèle au champ magnétique. d)Dans un haut-parleur, on utilise une bobine pour maximaliser la longueur du circuit électrique. e)La force de Laplace ne travaille jamais. EXERCICE V-2* : Solénoïde Représenter et calculer la valeur du champ magnétique sur l'axe de ce solénoïde. Données : L = 30cm, N = 4200 spires, I = 500 mA et μ0 = 4π.10-7 U.S.I. A

EXERCICE V-3*** : Etude expérimentale d'un solénoïde Le solénoïde fait L = 21,5 cm et comporte environ N = 2950 spires. On rappelle que μ0 = 4π.10-7 U.S.I. Règle graduée

A T

a) Dans une première expérience, on fait varier le courant circulant dans le solénoïde. On mesure le champ magnétique B au centre du solénoïde par une sonde à effet Hall. Les résultats sont présentés sur la figure 1. Commenter et déterminer la relation liant i et B. Est-ce conforme à la relation théorique? b) Dans une deuxième expérience, le courant i est fixé et on fait varier la position y de la sonde à l'intérieur du solénoïde. Commenter les résultats obtenus (figure 2). Quelle est l'intensité parcourant le solénoïde ?

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Justifier la valeur du champ magnétique loin du solénoïde. Donner la condition sur y pour pouvoir appliquer la relation de la question a).

Figure 1

Figure 2

EXERCICE V-4** : Champ créé par deux solénoïdes On considère le montage ci-contre constitué de deux solénoïdes identiques disposés perpendiculairement. Ils sont respectivement parcourus par un courant i1 et un courant i2. On place en S une boussole qui s'oriente dans la direction du champ magnétique. a) Comment est orientée la boussole si : - i2 = 0 - i1 = 0 - i1 = i2 (la boussole est située à égale distance des deux solénoïdes) b) On suppose qu'au niveau de la boussole, B1=a.i1 et B2=a.i2 (a est une constante). Justifier ces relations et déterminer l'angle d'inclinaison α de la boussole si i1=300mA et i2=150 mA. B

EXERCICE V-5** : Interaction entre fils électriques (Corrigé) On considère deux fils rectilignes parcourus chacun par un courant I=10 A. Ils sont distants de a=5 mm. Les lignes de champ créées par un circuit rectiligne sont des cercles perpendiculaires au circuit et centrés sur celui-ci. La valeur du champ magnétique est :

μ0 ⋅ I π ⋅a

, où a est la distance au circuit.

a)Représenter les lignes de champ créées par un des deux fils et calculer la valeur du champ magnétique correspondant pour a = 5mm. (μ0 = 4π.10-7 U.S.I.). b)Si les intensités parcourant les fils sont dans le même sens, représenter la force à laquelle est soumis l'un des circuits. Conclure. c) Reprendre la question précédente dans le cas où les intensités sont de sens contraire. d)Evaluer la valeur de la force à laquelle est soumise une portion de circuit de longueur 0,5 m. Commenter cette valeur en la comparant avec le poids de la portion de circuit (m =100g.m-1). EXERCICE V-6*** : Rails de Laplace On réalise l'expérience des rails de Laplace. La portion de circuit qui se déplace a une longueur L=1m et est placée dans un champ magnétique de 200mT. Elle se trouve à x=0, au moment où on ferme l'interrupteur (t=0). La barre est alors parcourue par un courant I = 50 mA. a)Représenter et exprimer la force de Laplace à laquelle est soumise la portion de circuit. b)A la date t, la barre est à une distance x de sa position initiale. Calculer sa vitesse en utilisant le théorème de l'énergie cinétique.

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c) Le tableau ci-contre rassemble les résultats expérimentaux. Représenter sur un graphique v² en fonction de x. A quel type de graphique s'attend-on ? Qu'obtient-on en réalité ? d)Le circuit est alimenté par une source de courant de puissance maximale 0,27W. Quelle est la puissance consommée par la barre en déplacement de résistance équivalente 100Ω ? Quelle est la puissance électrique consommée par le déplacement de la barre ? Quelle est la vitesse maximale de la barre ? Ce résultat est-il en accord I avec l'expérience?

-1

t (s)

V (m.s )

x (cm) 0

0,08

0,16

0,32

0,24

0,72

0,32

1,28

0,4

0,48

2,88

14 16

0,5 0,5

3,87 4.87

EXERCICE V-7** : Bobine suspendue On considère le dispositif ci-contre où la bobine est parcourue par un courant sinusoïdal. On observe que la bobine oscille verticalement à la fréquence du courant. a)Quel phénomène est responsable des oscillations de la bobine ? b)Si le champ magnétique créé par l'aimant était strictement vertical, quelle serait la résultante des forces de Laplace qui s'exercent sur la bobine. c)Qu'en déduisez-vous sur le champ magnétique créé par l'aimant ? Représenter la force s'exerçant sur une petite portion d'une spire de la bobine. EXERCICE V-8*** : Haut-parleur On considère un haut-parleur. Le champ magnétique est radial au niveau de la bobine (c'est-à-dire qu'il est dirigé du centre vers la périphérie) et a une valeur constante B0. La bobine a une longueur de L=5 cm et un rayon R=3cm. Elle est parcourue par un courant i, et comporte N=200 spires. a)Quelle est la longueur de la bobine entièrement dépliée ? b)Donner l'expression de la force de Laplace F à laquelle est soumise la bobine. On justifiera le fait que l'on peut assimiler la bobine à un circuit rectiligne de longueur à déterminer, soumis à un champ magnétique uniforme B0 =0,1T perpendiculaire au circuit. Calculer la valeur maximale de F sachant que imax= 10mA. c) La bobine étant parcourue par un courant sinusoïdal de fréquence 300Hz. Représenter sur un même graphique i et f en fonction du temps. d)Quel sera le mouvement de la bobine ? e)Que risque-t-il de se passer si on augmente exagérément imax? EXERCICE V-9** : Bobines de Helmotz On place entre des bobines de Helmotz de largeur l=10 cm, de rayon R=20cm et comportant 100 spires, une tige conductrice de longueur L= 30cm, parcourue par un courant I et posée sur des rails.

l=10cm

I' I' Vue de dessus

Vue de profil

On suppose que le champ magnétique à l'intérieur des bobines de Helmotz est similaire à celui créé par un solénoïde de longueur 2l et comportant 2N spires. On supposera qu'il est nul partout ailleurs.

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a) b) c) d)

Exprimer la force de Laplace F en fonction de μ0, I, I', N, l, et L. Calculer F si I=I'=0,5A. Représenter F. Représenter la position de la tige après un petit intervalle de temps. Comment varie la force F ? Que vaut F lorsque la tige s'est déplacée d'une distance R ? Que se passe-t-il ensuite ?

Chapitre VI : OPTIQUE EXERCICE VI-1* : Vrai ou faux? a)La lumière se propage toujours en ligne droite. b)Notre œil est capable de discerner une source de lumière d'un objet réfléchissant. c) Notre œil interprète les rayons lumineux comme venant d'une ligne droite. d)Un miroir est un système optique. e)L'image d'un objet par un miroir est située sur le miroir. f) Une lentille convergente se définit par sa distance focale. g)Un objet à l'infini aura une image située au foyer-objet. EXERCICE VI-2*** : Le déviateur On éclaire le montage suivant par un faisceau parallèle. Chacun des deux miroirs peut tourner autour de son centre et on peut modifier ainsi les angles α et β. Miroir a α β Miroir b

a)Terminer la construction des rayons lumineux. b)A quelle condition sur α et β le faisceau émergent est-il parallèle au faisceau incident ? c) On désire dévier le faisceau de 5°. Comment doit-on choisir β si α = 45° ? d)La largeur du faisceau incident est de 5 cm. Quelle sera la largeur du faisceau émergent dans ces conditions? e)Quel doit être le diamètre minimal des miroirs a et b pour que, dans ces conditions, toute la lumière soit transmise ? EXERCICE VI-3** : Fibre optique Une fibre optique est un cylindre en polymère transparent d'indice n'=1,5. La lumière s'y propage par réflexion totale sur les parois. On prendra n=1 pour l'indice de l'air. α

d = 2 mm

a)Si un rayon lumineux pénètre dans la fibre avec un angle de 10°, combien de réflexions fera-t-il en parcourant 1km? b)En combien de temps va-t-il parcourir cette distance (vitesse de la lumière dans un milieu d'indice n': v= c/n' avec c= 3.108 m.s-1) ? c)Pour que la lumière puisse se propager, il est nécessaire qu'il n'y ait pas de rayon réfracté par les parois. Déterminer l'angle α maximal qui puisse réaliser cette condition. Indication : calculer sin (i') en fonction de i l'angle incident, n et n'(où i' est l'angle formé par le rayon réfracté) .Ne pas oublier que ∀x ∈ R, sin( x ) ≤ 1

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EXERCICE VI-4** : Condition de visibilité (Corrigé) On place un objet A près d'un miroir. Construire l'image de A et la région de l'espace d'où pourra être vue l'image de l'objet à travers le miroir.

×A

EXERCICE VI-5*** : Traversée d'une lame de verre Un rayon laser est dirigé vers une lame de verre d'épaisseur e=1 cm, d'indice n=1,5 avec un angle d'incidence de 10°. On prendra l'indice de l'air égal à 1. a)Tracer le rayon réfléchi par la lame et le rayon émergent de l'autre côté de la lame. b)Calculer la distance entre le rayon incident et le rayon émergent. (c'est-à-dire la longueur du segment joignant perpendiculairement les rayons). EXERCICE VI-6* : Image d'un objet par une lentille convergente (Corrigé) a)Construire l'image de l'objet AB. B b)A quelle distance de la lentille doit-on placer un écran pour pouvoir voir l'image de AB ? A c) Quel est le grandissement ? C Données : f'=5 cm. SC=8cm

EXERCICE VI-7** : Objet incliné a)Construire l'image de l'objet AB. b)Comment doit-on placer l'écran pour pouvoir voir l'image de AB ? c) Quel est le grandissement ? Données : f'=8 cm. SA=13cm, α=70°

B α S

EXERCICE VI-8*** : Rotation d’un miroir Un miroir plan vertical est mobile autour d’un axe horizontal OX. Un rayon lumineux arrive en O sous une incidence de 30°. Le plan d’incidence est perpendiculaire à OX. Le miroir tourne d’un angle de 10°. De quel angle tourne le rayon réfléchi ?

10° 30°

EXERCICE VI-9*** : Appareil photographique Un objectif d'appareil photographique est constitué d’une lentille convergente de vergence 20 dioptries. Celle-ci est mobile, alors que le plan où se situe la pellicule photographique est fixe. On appelle x la distance séparant la lentille de la pellicule photographique. a)Faire un schéma de l'objectif, pour une mise au point réglée sur l'infini (on désire qu'un objet à l'infini soit net). Que vaut x ? b)Déterminer x pour qu'un objet situé à 5m de l'objectif soit net. c) L'objectif est conçu pour photographier des objets situés à plus de 2m de l'objectif. d)Quelle est la course nécessaire de la lentille ? e)Construire l'image d'un point situé à 5m alors que la mise au point est réglée sur l'infini. Quelle est la largeur de ce point sur la pellicule photographique si l'ouverture de la lentille est un disque de 6cm de diamètre ?

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EXERCICE VI-10*** : Deux lentilles On considère le montage suivant : f1' = 5 cm. f2' = 3cm. S1S2 = 9cm. AB = 3cm. B

Construire l'image de AB et déterminer le grandissement correspondant dans chacun des trois cas suivants: a)AS1 = 5cm b) AS1 = 10cm et c)AS2 = 2cm. EXERCICE VI-11*** : Une lentille convergente de distance focale 10cm est placée à 15cm d’un objet AB, perpendiculaire à l’axe optique. Le point A est situé sur l’axe optique et AB=6cm. 1)Effectuer le schéma du montage. 2)Construire l’image A’B’ sur votre schéma. 3)Indiquer la nature, la position et la taille de l’image A’B’. EXERCICE VI-12*** : (Corrigé) On considère un banc d’optique sur lequel on dispose un objet AB de hauteur 6cm à 8cm d’une lentille convergente L1 de distance focale 5cm et de centre optique O1. Puis on place une lentille convergente L2, de distance focale 1,5 cm et de centre optique O2, derrière L1 à une distance de 10cm. En utilisant les formules de conjugaison, déterminer la position de l’image A’B’ de AB à travers le dispositif optique ainsi que le grandissement du montage.

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Partie D : EXERCICES DE

CHIMIE

(*) : exercices plutôt faciles. (**) : exercices moyens. (***) : exercices plutôt difficiles.

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Chapitre I : GRANDEURS PHYSIQUES EXERCICE I-1* : Mise en solution de solides ioniques On dissout 1,74 g de sulfate de potassium (K2SO4) dans 100mL d'eau distillée. a)Décrire le protocole expérimental en détaillant la verrerie utilisée. b)Déterminer la quantité de matière de sulfate de potassium. c) Déterminer la concentration molaire c du soluté. d)Ecrire l'équation de la réaction associée à la dissolution du sulfate de potassium. e)Déterminer les concentrations molaires [K+] et [SO42-]. EXERCICE I-2* : Traitement des ions cuivre A la fin d'une séance de TP, on a récupéré 2,5L de solution contenant l'ion cuivre Cu2+ en solution à une concentration voisine de 0,1mol.L-1. Pour précipiter ces ions sous forme d'hydroxyde Cu(OH)2, on doit traiter la solution de déchets par de l'hydroxyde de sodium NaOH de concentration 1mol.L-1. a)Écrire l'équation de la réaction correspondante et établir le tableau permettant de calculer la quantité de matière d'hydroxyde de sodium nécessaire pour précipiter tous les ions cuivre. b)Déterminer le volume d’hydroxyde de sodium qui sera utilisé pour ce traitement. EXERCICE I-3** : Dissolution du sulfate de potassium On prépare 250cm3 de solution de sulfate de potassium en dissolvant dans de l'eau 4,35 g de solide ionique K2SO4. a)Ecrire l'équation-bilan de la réaction de dissolution. Calculer la concentration molaire volumique de chacun des ions en solution. b)Quel volume d'eau faut-il ajouter aux 250 cm3 de la solution précédente pour obtenir une solution de concentration en ions sulfate [SO42-]=0,020mol.L-1? EXERCICE I-4** : Concentration d'une solution commerciale d'acide sulfurique L'étiquette d'une solution commerciale d'acide sulfurique indique : • d = 1,83. • pourcentage d'acide sulfurique pur en masse : 95% a)Calculer la concentration molaire CO de la solution commerciale. b)Quel volume d'acide commercial faut-il prélever pour préparer V1=250cm3 de solution d'acide sulfurique de concentration C1=0,50mol.L-1 ? EXERCICE I-5** : Préparation de solutions de sulfate de cuivre On veut préparer un volume Vo=50,0mL de solution aqueuse de sulfate de cuivre de concentration molaire volumique Co=5,0.10-2mol.L-1 a)Calculer la quantité de matière puis la masse de sulfate de cuivre pentahydraté CuSO4(H2O)5 à peser. b)Donner la liste du matériel nécessaire et décrire le protocole de dilution. c) On désire préparer à partir de cette solution cinq solutions filles de volumes 50mL et de concentration 2.10-2mol.L-1, 1.10-2 mol.L-1, 0,5.10-2mol.L-1, 0,2.10-2mol.L-1 et 0,1.10-2mol.L-1.Décrire le protocole à suivre pour réaliser ces solutions. EXERCICE I-6*** : Loi des gaz parfaits Le fournisseur indique que la masse d'un ruban de magnésium de 24m est 25g. 1. Expérience à pression fixée a)Calculer la masse d'un morceau de ruban de magnésium de longueur l=2,3 cm. b)Calculer la quantité de matière de magnésium correspondante. c) Une solution aqueuse d'acide chlorhydrique est disponible. Sa concentration est c=1,0mol.L-1. Calculer la quantité de matière d'acide chlorhydrique présente dans un volume de 50 cm3. d)On met le ruban de magnésium dans la solution d'acide chlorhydrique. Ecrire l'équation-bilan de la réaction, sachant qu'il se dégage du dihydrogène et qu'il se forme des ions Mg2+. e)Identifier le réactif limitant et le réactif en excès. f) Calculer le volume du dihydrogène qui s'est dégagé. (Po = 1013 hPa et To = 273 K). 2. Expérience à volume fixé On réalise plusieurs fois la réaction précédente, pour différentes masses de magnésium (l'acide chlorhydrique est en excès). On recueille le dihydrogène dans un volume V=1,26 L. On mesure la pression Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 70

initiale Pi et la pression finale Pf. La différence ΔP= Pf – Pi est entièrement due au dégagement de dihydrogène. a)Compléter le tableau ci-dessous : mMg (g) 0,03

nMg (mol)

Pi (hPa) 1020

Pf (hPa) 1044

0,07

1022

1082

0,10

1020

1102

ΔP (hPa)

nH2 (mol)

b)Comparer nMg et nH2. Cela est-il conforme avec la théorie? A quoi peuvent être dus les écarts observés? Donnée : M(Mg)=24g.mol-1 EXERCICE I-7** : Obtention de l'alumine On introduit dans un petit flacon en verre avec bouchon à vis, relié à un manomètre pouvant mesurer jusqu'à 2000 hPa, un morceau de papier d'aluminium de masse 0,10g et 10mL d'acide chlorhydrique de concentration 3mol. L-1. a)Ajuster les nombres stœchiométriques de la réaction Al + HCl → H2 + AlCl3 b)Établir le tableau donnant l'état du système pour l'avancement maximal. Préciser quel est le réactif limitant. c) La réaction est exothermique et le gaz obtenu se forme à 50°C. Calculer le volume minimal du récipient à utiliser. EXERCICE I-8** : Attention Explosion !!! L'acide picrique C6H3N3O7 a des propriétés explosives. Il peut se décomposer en carbone, dioxyde de carbone, eau et diazote. a)Écrire l'équation de cette réaction. Préciser l'état physique des produits formés en admettant que la température est de l'ordre de 500°C lors de la décomposition. b)Quel sera l'ordre de grandeur de la valeur de la pression si une masse de 20g d'acide picrique vient à exploser dans un volume de 0,5 L. EXERCICE I-9*** : Le lait de chaux (Corrigé) 1. La solubilité de l’hydroxyde de calcium Ca(OH)2 est s=1,80g.L-1 à la température ambiante. On introduit 2,00g d’hydroxyde de calcium dans 500mL d’eau. a) Peut-on dissoudre la totalité de ce composant ionique ? b) Si non, calculer la masse du composé restant en suspension dans la solution. 2. Pourquoi appelle-t-on cette solution le “ lait de chaux ” ? Calculer la concentration molaire des différentes espèces chimiques dissoutes dans la solution. EXERCICE I-10** : Précipitation des ions Cu2+ (Corrigé) On ajoute 8mL d’hydroxyde de sodium (soude) de concentration C1= 0,1mol.L-1 à 10mL d'une solution de sulfate de cuivre CuSO4 de concentration C2=0,2mol.L-1. On obtient un précipité bleu d'hydroxyde de cuivre Cu(OH)2(s). 1)Calculer les quantités de matière initiale. 2)Ecrire l'équation bilan de la réaction chimique observée. 3)Déterminer le réactif limitant et l'avancement maximal de la réaction. 4) Quelle est la masse de précipité formé?

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Chapitre II : CONDUCTIMETRIE EXERCICE II-1* : Quelques questions ... a)La sonde d'un conductimètre plonge dans une solution d'acide chlorhydrique. On ajoute progressivement de l'eau en agitant : l'indication donnée par l'appareil varie-t-elle et dans quel sens ? (justifier la réponse). b)Une solution très diluée d'acide chlorhydrique a une conductance de 0,30mS. Que deviendra sa conductance si on y ajoute un volume égal d'eau ? c) Même question si on ajoute encore une fois ce volume d'eau ? d)Un volume de 50mL d'une solution très diluée d'hydroxyde de sodium a une conductance de 0,12mS. Que deviendra sa conductance si on y ajoute 80mL d'eau ? EXERCICE II-2*** : Conductivités de quelques solutions Le tableau ci-dessous présente les conductances mesurées de quelques solutions diluées à 1mmol.L-1. Solution

Nitrate de potassium

Chlorure de potassium

Hydroxyde de potassium

138,3

127,9

???

Nitrate de sodium

Chlorure de sodium

Hydroxyde de sodium

124,0

107,4

208

Solution

Chlorure de sodium

Chlorure d'ammonium

Acide chlorhydrique

G (μS)

107,4

129,1

309

(μS)

Solution G

(μS)

a)Montrer comment le tableau permet de conclure sur les facteurs dont dépend la conductance G. b)Ecrire les expressions de la conductance en fonction des conductivités ioniques σ des solutions suivantes : hydroxyde de potassium, chlorure de potassium, chlorure de sodium et hydroxyde de sodium. c) En déduire la conductance de la solution d'hydroxyde de potassium. EXERCICE II-3* : Calcul de concentration (Corrigé) On mesure la conductance d'une solution d'acide chlorhydrique diluée 10 fois, de concentration inconnue, avec des électrodes distantes de 5mm et de surface 3mm². On mesure G = 805μS. Calculer la concentration de l’acide chlorhydrique. Données : λ°(H+)=35 mS.m2.mol-1 et λ°(Cl-)=7,62 mS.m2.mol-1. EXERCICE II-4*** : Dosage suivi par conductimétrie On dose une solution d'ammoniac par de l'acide chlorhydrique à 0,1 mol.L-1. Il se produit la réaction : NH3 + H3O+ → NH4+ + H2O a)Qu'observe-t-on à l'équivalence ? b)La pente de la courbe de conductimétrie est-elle plus forte avant ou après l'équivalence ? c) Déterminer et tracer la courbe théorique de dosage en vous reportant au tableau des conductivités molaires à la fin du manuel. Données : λ°(H3O+) > λ°(Cl-) > λ°( NH4+ ). EXERCICE II-5** : Courbe d’étalonnage On veut déterminer, par conductimétrie, la concentration de solutions de nitrate de potassium KNO3(s). 1)Ecrire l’équation de dissolution de KNO3(s). 2)On étalonne la cellule conductimétrique, en mesurant la conductance de solutions titrées à 25°C. Les résultats sont indiqués dans le tableau ci-dessous : c (mmol.L-1) 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 G (mS) 0,20 0,39 0,58 0,77 0,98 1,17 -

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Tracer la courbe G = f(c). Que peut-on en déduire ? 3) On mesure la conductance d’une solution de nitrate de potassium inconnue. On obtient G = 0,67mS. En déduire la concentration molaire de la solution. EXERCICE II-6** : On considère 1L d'une solution de chlorure d'ammonium NH4Cl de concentration C=0,01mol.L-1. 1. Quels sont les ions présents dans cette solution ? 2. Calculer la conductivité de cette solution à l'aide des conductivités molaires ioniques que vous trouverez à la fin du manuel. 3. On ajoute à cette solution 3,0.10- 2 mol d'hydroxyde de potassium. Quels sont les ions présents dans ce solide ionique ? 4. Déterminer l'équation chimique de la réaction qui a lieu entre les ions OH- et les ions NH4+ lors de l'ajout d'hydroxyde de potassium à la solution de chlorure d'ammonium. 5. Dresser le tableau d'avancement de la réaction et en déduire l‘avancement maximal.

Chapitre III : SOLUTIONS AQUEUSES EXERCICE III.1* : Q.C.M. Une lame de cuivre trempe dans une solution de nitrate d'argent a) Au bout d’une heure la solution devient : rouge bleue incolore argentée b) La masse de cuivre métallique : augmente diminue ne change pas c) Du métal cuivre : a été dissout a été rongé a été oxydé a été réduit

se dépose sur la lame

EXERCICE III.2* : Demi-équations électroniques Ecrire les demi équations électroniques pour les couples suivants (en faisant intervenir H2O et H+) : ClO-/Cl- , S2O82-/SO42- , ClO-/Cl2 , NO3-/NO, SO42-/HSO3-,SO42-/SO2 et IO3-/I2. EXERCICE III.3* : Equation-bilan Etablir l'équation d'oxydo-réduction relative à : a)L'oxydation des ions chlorure en milieu acide par les ions bichromate (couples Cl2/Cl- et Cr2O72-/Cr3+). b)L'oxydation des ions nitrite en ions nitrate en milieu acide par les ions bichromate (couples NO3-/NO2- et Cr2O72-/Cr3+). EXERCICE III.4** : Le fer réagit avec l'acide sulfurique (Corrigé) On fait réagir 0,20g de fer avec une solution d’acide sulfurique H2SO4 de volume V=200mL et de concentration C=0,010mol.L-1. H2SO4 est un diacide. a) Montrer que l’un des réactifs est en excès. Lequel ? b) Quel est le volume VH2 de dihydrogène formé à la fin de la réaction (sous pression atmosphérique et à 25°C)? c) Calculer la concentration [Fe2+] des ions fer II à la fin de la réaction. Donnée : couples redox mis en jeu Fe2+/Fe et H+/H2.

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EXERCICE III.5** : Analyse d'un alliage par un acide Un alliage de cuivre, de nickel et d'aluminium a pour masse m=10,00 g. Il contient mNi = 3,00 g de nickel. Quand on attaque cet alliage par un excès de solution d'acide chlorhydrique, on recueille 3,634 L de dihydrogène dans les conditions normales de température et de pression (T=25°C). Après avoir écrit les équations de réactions (les protons H+ oxydent le nickel et l'aluminium, mais pas le cuivre), calculer les masses mAl et mCu présentes dans cet alliage. Données : M(Cu)=63,5 g.mol-1,M(Ni)=58,7g.mol-1 et M(Al)=27g.mol-1. Couples redox : Ni2+/Ni, Al3+/Al, H+/H2. EXERCICE III.6* : Equations acido-basiques Ecrire les équation-bilans des réactions acido-basiques suivantes : a) La soude réagit avec l'acide chlorhydrique. c) Le carbonate de calcium réagit avec acide b) L'acide éthanoïque réagit avec l'ammoniac. nitrique HNO3. d) L'eau réagit avec l'acide sulfurique. EXERCICE III.7* : Réactions acido-basiques Parmi les équations ci-dessous, identifier celles qui ont un caractère acido-basique (justifier les réponses) : a) Na + H2O = Na+ + OH- + 1/2 H2 b) CH3NH2 + H2O = CH3NH3+ + OHc) Cu 2+ + Zn = Cu + Zn2+ d) 2 NH3+ Ag+ = Ag (NH3)2+ e) C2H5ONa + H2O = C2H5OH + OH- + Na+ EXERCICE III.8** : Dissolution de grains de carbonate de calcium On dissout dans 20mL d'eau, 5g de carbonate de calcium. a) Ecrire la réaction de dissolution. b) Peut-il se produire une réaction acido-basique ? Si oui, laquelle ? c) Quelle est la concentration en ion hydroxyde OH - à la fin de la réaction ? EXERCICE III.9**: Détartrant pour cafetière Un sachet de 10g d'acide sulfamique NH2SO3H suffira-t-il pour détartrer une cafetière dans laquelle il y a un dépôt de calcaire CaCO3 pesant 5g ? Etablir le tableau d'avancement de la transformation pour identifier le réactif limitant. Donnée : on admettra que l'équation de la réaction associée est 2H+ + CO32- = CO2 + H2O. EXERCICE III.10** : Poudre de zinc dans une solution de chlorure de palladium On agite de la poudre de zinc dans 200mL d'une solution à 8,5.10-3mol.L-1 de chlorure de palladium PdCl2. a) L'ion palladium Pd2+ est réduit par le métal zinc. Ecrire les demi-équations et l'équation bilan de la réaction. b) Le zinc étant en excès, quelle est la masse de métal palladium déposée? c) La réaction terminée on décante le mélange réactionnel, on filtre et on ajoute au filtrat une solution d'hydroxyde de sodium à 0,500mol.L-1. Quel est l'aspect et quelle est la nature du précipité observé? d) Ecrire l'équation de la réaction. e) Quel volume minimum de soude faut-il verser pour précipiter la totalité des cations métalliques ? Données : M(Pd) = 106,4 g.mol-1 et M(Cl) = 35,5 g.mol-1. EXERCICE III.11*** : Le vinaigre On introduit 5,0g d'hydrogénocarbonate de sodium NaHCO3dans 20mL de vinaigre à 6° (6% en masse d'acide éthanoïque CH3CO2H) et on observe une effervescence due à un dégagement de dioxyde de carbone. a) Ecrire l'équation correspondant à cette transformation sachant qu'il se forme aussi de l'éthanoate de sodium qui reste dissout. b) Calculer les quantités de matière mises en jeu (1L de vinaigre pèse 1kg) c) Établir le tableau donnant l'état du système pour l'avancement maximal. d) Préciser quel est le réactif limitant. e) Cette réaction a eu lieu dans un récipient fermé de volume 0,50L sans variation de température.Quelle est la pression finale gazeuse dans ce récipient ?

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EXERCICE III.12** : Dosage suivi par conductimétrie Pour vérifier l'indication portée sur l'étiquette d'un flacon d'acide chlorhydrique commercial, on effectue le dosage d'un échantillon de cet acide. Ce dosage est effectué par conductimétrie: la sonde du conductimètre plonge dans 20mL de solution acide préalablement diluée 1000 fois et on introduit progressivement à la burette une solution titrée d'hydroxyde de sodium de concentration cB=2,00.10-2mol.L-1 On relève les valeurs de conductance pour tous les ajouts de base. La courbe G=f(VB) est tracée. L'estimation du minimum de conductance donne VBe=11,4mL. B

a) Ecrire l'équation de la réaction associée à ce dosage. b) Indiquer sur le graphe la zone de consommation de l'espèce H3O+(aq) et la zone d'accumulation de l'espèce HO-(aq) c) Etablir le tableau d'avancement pour trouver la condition d'équivalence. d) En déduire la concentration de l'acide dosé. La solution mère d'acide était étiquetée ainsi : 33% - densité : 1,26. En déduire la concentration et comparer avec la concentration calculée d'après le dosage.

G VBe

EXERCICE III.13*** : Le dioxyde de soufre dans l'alimentation « Dans l'antiquité déjà, Romains et Egyptiens utilisaient le dioxyde de soufre pour conserver les denrées alimentaires. Le dioxyde de soufre SO2 (ainsi que les composés dérivés sulfites, hydrogénosulfites,Na2SO3, NaHSO3, K2S2O5CaSO3, Ca(HSO3)2...) possède un double intérêt dans la conservation des aliments. Le dioxyde de soufre, surtout connu pour son caractère de polluant atmosphérique, est notamment utilisé depuis des siècles pour la conservation du vin. En vinification, on en ajoute des quantités inoffensives pour l'organisme humain. Il faut cependant reconnaître que chez certaines personnes, le soufre peut provoquer des réactions allergiques. Le SO2 reste malgré tout l'un des meilleurs antiseptiques connus pour le vin. En général, tous les vins sont traités à l'aide de dioxyde de soufre en cours de vinification puis pour leur conservation. Le SO2 est antiseptique mais aussi réducteur. • Il empêche le développement de micro-organismes (levures, bactéries) et évite ainsi diverses fermentations indésirables telles que, par exemple, la fermentation acétique. • Il préserve les composants du vin de l'oxydation, en particulier celle de polyphénols et d'éléments de l'arôme. Il prévient la madérisation. "libre" qui possède des propriétés antiseptiques. C'est principalement le SO2 Au pH du vin (entre 2,8 et 3,6), en solution, SO2 est principalement sous forme d'ion hydrogénosulfite HSO3 . Pour un vin de pH 2,8, 10 % du SO2 n'est pas ionisé en HSO3 . A pH 3,8 seulement 1 % du SO2 reste "libre". Par ailleurs, une partie du SO2 introduit réagit avec divers constituants du vin (éthanol, sucres). Les vins blancs doux (par exemple le Sauternes), riches en sucre, doivent être traités par des quantités plus importantes de SO2. Doses de SO2 utilisées : en mg de SO2/L de vin. • Vins rouges : 5 à 20. • Vins blancs secs: 20 à 40. • Vins blancs doux : 60 à 100. Des doses trop fortes donnent l'odeur piquante et irritante caractéristique du SO2 et neutralisent le bouquet du vin. Des doses trop faibles ne protègent pas le vin du développement de levures. »

1. Questions sur le texte a) Quels sont les deux intérêts à utiliser le dioxyde de soufre dans la conservation des aliments ? b) Dans un vin, sous quelle forme se trouve le dioxyde de soufre ? c) D'après les caractéristiques du vin à étudier, quelle doit être la dose de SO2 qui sera déterminée par le dosage? 2. Dosage d’un vin blanc On dose V=20,0mL de vin blanc par une solution de diiode de concentration c'=10-3mol.L-1. On ajoute au vin 2mL de solution d'acide sulfurique à 6 mol.L-1 et 2mL d'empois d'amidon. a) Faire un schéma du dosage. b) Indiquer le rôle des espèces chimiques intervenant dans la réaction du dosage. Ecrire les demiéquations électroniques et l'équation-bilan de la réaction. c) Quel est le rôle de l'emploi d'amidon ? Quel est le rôle de l'acide sulfurique ? d) A l'équivalence on a versé 22,0mL de diiode. Déterminer la concentration de SO2 dans le vin. e) Ce résultat est-il en accord avec le texte ? Le vin blanc est-il sec ou doux ? Données : couples oxydo-réducteurs I2/I – et SO42-/SO2.

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EXERCICE III.14** : Dosage direct On veut déterminer le pourcentage massique de fer (présent sous la forme Fe2+) contenu dans un produit anti mousse utilisé pour traiter les pelouses. Pour cela on réalise un dosage d'une solution de ce produit par une solution de permanganate de potassium acidifiée. 1.Donner l'équation de la réaction entre les ions fer (II) et les ions permanganate, sachant que ces espèces appartiennent aux couples redox: Fe3+/Fe2+ et MnO4-/Mn2+. 2. Dresser le tableau d'avancement de la réaction de dosage. 3. En déduire une relation entre les quantités de matière des réactifs introduits à l'équivalence. 4. On prépare une solution S en dissolvant m=10,0g de produit anti mousse dans V0=100,0mL d'eau distillée. On prélève V1=20,0mL de cette solution et on dose les ions fer(II) de cette prise d'essai par une solution de permanganate de potassium de concentration C2=2,0.10-2mol.L-1 préalablement acidifiée. Le volume versé à l'équivalence est Véq=13,0mL. des ions Fe2+ dans la solution S0. a. Déterminer la concentration C1 b. En déduire la quantité de matière d'ions fer(II) dans la solution S0. c. Déterminer alors le pourcentage massique de fer dans le produit anti mousse.

EXERCICE III.15** : Explosion On fait réagir une masse m=1,0g de fer en poudre avec un volume V=20mL d'une solution de chlorure d'hydrogène de concentration C=2,0mol.L-1. On observe un dégagement gazeux et l'apparition d'une coloration vert pâle dans la solution. Le gaz est identifié en présentant une allumette enflammée. Il se produit une légère explosion . Les ions responsables de la coloration sont les ions Fe2+. 1. Donner, en justifiant vos réponses, les couples redox mis en jeu dans cette réaction. 2. Ecrire l'équation de la réaction entre le fer et la solution aqueuse de chlorure d'hydrogène. 3. Déterminer les quantités de matière initiales des réactifs. 4. Dresser le tableau d'avancement de la réaction. 5. En déduire le volume de gaz dégagé en fin de réaction. Donnée: Volume molaire dans les conditions de l'expérience: Vm=24,0L.mol-1.

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Chapitre IV : LA CHAINE CARBONEE EXERCICE IV-1* : Alcanes et alcènes Les produits suivants sont-ils des alcanes ou des alcènes : CH4 ; C3H6 ; C4H10 ; C12H20 ; C6H6 ; C9H20 ? EXERCICE IV-2** : Octane et pentène Représenter et nommer tous les isomères possibles de l’octane et du pentène. EXERCICE IV-3** : Isomérie Parmi les hydrocarbures suivants, indiquer ceux qui donnent lieu à une isomérie Z-E. Donner la représentation topologique de chaque isomère

EXERCICE IV-3* : Benzène Représenter la molécule de C6H6 en formule développée, semi-développée et en formule topologique. EXERCICE IV-4** : Propriétés physiques des alcanes et des alcools Le tableau suivant résume les données que l’on peut trouver dans le Handbook, sur les alcanes et les alcools. n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

M 32 46 60 74 88 102 116 130 144 158 172 186

Teb 65 78,5 97,4 117 137 158 176 194 214 229 243 255

solubilité inf inf inf s δ δ δ i i i i i

M 16 30 44 58 72 86 100 114 128 142 156 170

Teb -164 -88,6 -42 -0,5 36 69 98,4 126 151 174 196 216

Légende : δ : peu soluble ; i : insoluble ; s : soluble ; inf : miscible en toutes proportions. a) b) c) d)

Identifier chaque colonne. Comment interpréter la variation de la solubilité ? Comment interpréter la variation de la température d’ébullition ? Comparer les températures d’ébullition des alcools et des alcanes.

EXERCICE IV-5** : Polymérisation du butadiène (Corrigé) On considère la polymérisation du butadiène CH2=CH−CH=CH2. a) Ecrire le produit obtenu. b) On obtient un polymère : le polybutadiène de masse molaire moyenne 15000g.mol-1. Déterminer le nombre moyen de monomères par polymère. EXERCICE IV-6* : Polystyrène Le polystyrène est obtenu par polymérisation de la molécule de styrène de formule CH2=CH-C6H5. a) Ecrire la réaction de polymérisation. b) Quelles différentes possibilités d’enchaînement des monomères y a-t-il pour seulement trois monomères consécutifs ? Conclure. c) Quels seraient les avantages de pouvoir contrôler l’enchaînement des monomères ?

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EXERCICE IV-7*** : Recherche d’un alcane et de ses isomères La masse molaire moléculaire d'un alcane est M=58,0g.mol-1. 1. Donner la formule brute d'un alcane à n atomes de carbone. 2. Déterminer la valeur de n pour l'alcane étudié et donner sa formule brute. 3. Donner les formules semi-développées et les noms des isomères dont la formule brute a été établie à la question précédente.

Chapitre V : LES GROUPES FONCTIONNELS EXERCICE V-1* : Tests à la D.N.P.H. Dans quatre petits tubes à essai contenant chacun 1mL de D.N.P.H.On verse quelques gouttes des produits suivants : acide propanoïque, propanal, propan-1-ol et propanone. a) Ecrire les formules semi-développées des quatre produits cités précédemment. b) Que veut dire D.N.P.H. ? c) Qu’observe-t-on dans les tubes ? EXERCICE V-2** : Identification d’un composé Un composé oxygéné a pour formule brute C4H10O. 1. Donner le nom et la formule semi-développée des alcools isomères. 2. On dispose au laboratoire des produits suivants : - un oxydant en milieu acide : le dichromate de potassium (couple oxydant-réducteur Cr2O72-/Cr3+) - de la 2,4-dinitrophénylhydrazine - du réactif de Tollens (Ag(NH3)2+/Ag) - du papier indicateur pH. a) Imaginer un nombre minimum de tests afin de répartir les alcools cités en trois classes. b) Ecrire les équations-bilan des réactions mises en jeu lors des tests avec le dichromate de potassium et le réactif de Tollens. EXERCICE V-3** : Liqueur de Fehling a) Qu’est-ce que la liqueur de Fehling ? b) Dans un tube à essai contenant 1mL de liqueur de Fehling, on verse quelques gouttes d’éthanal. Décrire le mode opératoire pour effectuer le test. Qu’observe-t-on ? c) Au cours de la réaction, les ions de cuivre II et l’éthanal réagissent suivant une réaction d’oxydoréduction. Ecrire les demi-équations électroniques et l’équation-bilan. EXERCICE V-4** : Réactif de Tollens a) Qu’est-ce que le réactif de Tollens. b) Dans un tube à essai contenant 1mL de réactif de Tollens, on verse quelques gouttes d’éthanal. Que doit-on faire pour effectuer le test. Qu’observe-t-on ? c) Au cours de la réaction, les ions diammineargent I et l’éthanal réagissent suivant une réaction d’oxydoréduction. Ecrire les demi-équations électroniques et l’équation-bilan.

EXERCICE V-5** : Détermination de trois composés On dispose de trois composés A, B et C ayant la même formule brute C4H8O. B et C réagissent avec la D.N.P.H. en donnant un précipité jaune alors que A ne réagit pas avec la D.N.P.H.. Par action du nitrate d'argent ammoniacal, seul C conduit à l'obtention d'un miroir d'argent. a) Préciser la nature de la fonction chimique des composés B et C. b) Donner la formule semi-développée de C et son nom. c) Quelles sont les formules semi-développées possibles pour B ? d) Quelle formule semi-développée peut-on proposer pour A sachant qu'il s'agit d'un composé saturé au squelette non ramifié et ne possédant pas la fonction alcool ?

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EXERCICE V-6**: Trouver un alcool (Corrigé) L'oxydation d'un alcool A de formule brute C3H8O par le permanganate de potassium en milieu acide conduit à un composé organique B qui réagit avec la DNPH pour former un précipité jaune. Par ailleurs, B ne réagit pas avec la liqueur de Fehling. a) Quelle est la fonction chimique de B ? b) En déduire la classe de l'alcool A et donner sa formule semi-développée. EXERCICE V-7** : Caractérisation d’un alcool (Corrigé) a) On considère un alcool A ayant pour masse molaire M=74g.mol-1. Déterminer la formule brute de A. b) On fait réagir A sur du permanganate de potassium en milieu acide. Cette réaction donne un produit organique A’ qui, isolé, agit sur la D.N.P.H. mais est sans action sur la liqueur de Fehling ni sur le réactif de Tollens. Donner la formule semi-développée et le nom des composés A et A’.

Chapitre VI : NOMENCLATURE DES COMPOSES ORGANIQUES EXERCICE VI-1* : 1) Ecrire les formules semi-développées des alcools isomères C5H11OH. 2) Regrouper les alcools en fonction de leur classe. EXERCICE VI-2* : Nomenclature des alcools a) Donner le nom et la classe des alcools suivants : CH3OH ; CH3CH2CH2CH2OH ; CH3CHOHCH3 ; (CH3)2CHCH2CH2CH2OH ; (CH3)3CCH2CHOHCH3 ; (CH3)3COH. b) Ecrire les formules semi-développées des alcools suivants et donner leur classe : pentan-2-ol ; 2éthylbutan-2-ol ; 4,5-diméthylhexan-2-ol. EXERCICE VI-3* : Nomenclature des aldéhydes ou des cétones a) Donner le nom et la classe des composés suivants : CH3CHO ; CH3CH2CH2CHO ; HCHO; (CH3)2CHCH2CHO ; CH3COCH3 ; (CH3)2CHCOCH2CH3 ; (CH3)3CCH2COCH(CH3)2. b) Ecrire les formules semi-développées des composés : éthanal ; pentanal ; pentan-2-one ; 3-ethyl-hexan2-one. EXERCICE VI-4* : Nomenclature des composés oxygénés a) Donner les noms des composés suivants : CH3COOH ; CH3(CH2)4CHO ; HCOOH ; (CH3)2CHCH2CH2OH. b) Ecrire la formule semi-développée des composés oxygénés suivants : butanone ;3-méthylheptan-2-one ; acide 2-méthylbutanoïque ; acide éthanoïque.

Chapitre VII : LA MATIERE ET SES TRANSFORMATIONS EXERCICE VII.1* : Q.C.M. On considère les transformations suivantes : (1) H2O (l) → H2O (g) Q1 et (2) H2(g) + ½ O2(g) → H2O (g) Q2 a) la chaleur latente de condensation de Q1 est : a) DH-H + ½ DO=O – 2 DO-H ? Q2 est : l’eau ? b) 2 DO-H – DH-H – ½ DO=O ? b) l’énergie de cohésion de l’eau liquide ? c) DH-H + ½ DO-O – DO-H – DH-H ? c) le double de l’énergie de liaison de la d) l’énergie de cohésion de la liaison O-H ? vapeur d’eau ? d) la chaleur latente de vaporisation de l’eau ?

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EXERCICE VII.2* : Chaleur de réaction On considère la réaction chimique suivante : H2(g) + ½ O2(g) H2O(g). La chaleur de réaction est : Qr = - 243 kJ, à 100°C sous la pression de 1 bar. a) Cette réaction est-elle endothermique ou exothermique ? b) Que signifie l'indice (g) porté en indice du symbole de chaque espèce chimique ? c) La condensation d'une mole de vapeur d'eau cède 41 kJ au milieu extérieur dans les conditions ciH2O(liq). dessus. Déterminer la chaleur de réaction correspondant à : H2(g) + ½ O2(g) EXERCICE VII.3** : Calcul d’une énergie transférée (Corrigé) Déterminer l’énergie transférée au cours de la réaction suivante: C2H6O (g) + 3 O2 (g) → 2CO2 (g) + 3 H2O (g) Comparer cette énergie à celle échangée au cours de la vaporisation de l’éthanol liquide. Données: LV (éthanol)= 41 kJ.mol-1, DH-H=432 kJ.mol-1, DH-O=460 kJ.mol-1, DC-H=410 kJ.mol-1, DC-1 -1 -1 -1 C= 348 kJ.mol , DO=O=494 kJ.mol , DC-O=356 kJ.mol et DC=O=795 kJ.mol EXERCICE VII.4** : Chaleur de réaction Déterminer la chaleur Q de réaction : 2 Al + Fe2O3 Al2O3 + 2 Fe connaissant les chaleurs de combustion de l'aluminium et du fer (effectuées dans les mêmes conditions) : (1) 2 Al + 3/2 O2 Al2O3 et Q1 = -1670 kJ.mol-1 (2) 2 Fe + 3/2 O2 Fe2O3 et Q2 = -1670 kJ.mol-1 EXERCICE VII.5** : Mesure d’une chaleur de réaction Dans un calorimètre de capacité calorifique C = 1800 J.K-1, on place 500mL d'une solution d'acide chlorhydrique à 20°C et de concentration c = 1mol.L-1. On ajoute ensuite rapidement 120mL d'une solution d'hydroxyde de sodium également à 20°C et de concentration c' = 5mol.L-1. On observe une élévation de la température de l'ensemble qui atteint la valeur maximale de θ = 30,3°C. Calculer la chaleur de la réaction étudiée. On précisera quelle est cette réaction et on considérera que la capacité thermique de la solution obtenue est peu différente de celle d'un égal volume d'eau. Donnée : ceau = 4,19 kJ.kg-1.K-1. EXERCICE VII.6*** : A partir des énergies de liaison a)Déterminer, à partir des énergies de liaison, la chaleur de réaction, à 25°C et sous 1 bar, associée à la combustion d'éthanol C2H5-OH. On considérera que l'éthanol est pris à l'état gazeux et que l'eau formée dans la combustion est recueillie à l'état gazeux. b)Déterminer la chaleur de combustion (dans les mêmes conditions de température et de pression) de l'éthanol liquide, l'eau formée étant condensée à l'état liquide. Données : DH-H=432 kJ.mol-1, DH-O=463 kJ.mol-1, DC-H=412 kJ.mol-1, DC-C= 344 kJ.mol-1, DO=O=496 kJ.mol-1, et DC=O=804 kJ.mol-1. De plus, Lv(H2O)= 44 kJ.mol-1 ; Lv (C2H5-OH) = 41 kJ.mol-1 à 25°C. EXERCICE VII.7*** : Chaleur de dissolution des composés chimiques Dans un calorimètre de capacité calorifique c = 24 J.°C-1, on dissout une masse m d’un composé du tableau suivant dans une masse m0 d’eau. On mesure des variations Δθ : Composé NaOH H2SO4 KI Na2SO4, 10 H2O + 9,3 + 6,8 1,1 - 2,2 Δθ (°C) Calculer les chaleurs de dissolution molaire des différents composés chimiques ci-dessus, sachant que la chaleur de dissolution molaire de NaOH dans l’eau est de – 41,6 kJ.mol-1. EXERCICE VII.8*** : Réaction entre les ions cuivre II et le zinc (Corrigé) On prépare 5 g de poudre de zinc. On verse dans un calorimètre en verre, de capacité calorifique μ = 62 J.K, un volume v = 200mL de solution de sulfate de cuivre (II) de concentration molaire c = 0,20mol.L-1. Cet ensemble est en équilibre thermique avec le laboratoire à la température θ1=20,0°C. On fait tomber de la poudre de zinc dans la solution, on ferme le calorimètre et on agite. La température s’élève jusqu’à θ2=29,8°C. Quand on ouvre le calorimètre, on constate la décoloration de la solution et l’apparition d’une teinte rougeâtre sur la poudre de zinc. Données : ceau = 4,18 kJ.kg-1.K-1 et ρeau = 1 g.cm-3.

a) Ecrire l’équation-bilan de cette réaction.

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b) Montrer, en calculant les quantités de matière des réactifs mis en jeu, que les ions cuivre (II) constituent le réactif limitant. c) On néglige les capacités calorifiques des réactifs et des produits de réaction et on considère que l’eau de la solution joue le rôle de milieu extérieur à la réaction chimique entre ions et atomes. Calculer la chaleur molaire Q de cette réaction.

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Partie E :

CORRECTION DES

EXERCICES DE PHYSIQUE

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EXERCICE I-4* : Un électron a) L’électron de l’atome d’hydrogène est soumis à la force électrique d’interaction avec le proton : −19 2 q électron ⋅ q proton ⎞ e2 9 ⎛ 1,6 ⋅ 10 ⎟⎟ = 2,30 ⋅10 −8 N Fe = k = k 2 = 9 ⋅10 ⎜⎜ 2 −10 d d ⎝ 10 ⎠ b) Il est également soumis à l’interaction gravitationnelle avec le proton : − 27 ⎛ m proton ⋅ mélectron ⋅ 9,11 ⋅ 10 −31 ⎞⎟ −11 ⎜ 1,67 ⋅ 10 = ⋅ Fg = G 6 , 67 10 = 1,01 ⋅ 10 -47 N −10 2 ⎜ ⎟ d2 ( ) 10 ⎝ ⎠ c) On remarque que la force gravitationnelle est négligeable devant la force électrique. d) Le noyau de l’atome d’uranium est composé de 92 protons et de 146 neutrons. Un électron de l’uranium est soumis à Z=92 interactions électriques avec les protons (on rappelle qu’un neutron ne porte aucune charge). Toutes ces interactions étant égales on a : Fe = 92 × Fe = 2,12 ⋅ 10 −6 N TOTALE Il est également soumis aux interactions gravitationnelles avec les 92 protons et les 146 neutrons de l’atome d’uranium : Fg = 238 × Fg = 2.40 ⋅ 10 −45 N TOTALE

EXERCICE II-8* : Ballon-sonde météorologique

1. a) Voir schéma ci-contre. ⎯⎯→ b) Si la corde est tendue, la poussée d’Archimède Pa a une valeur supérieure à celle du poids. ⎯⎯→ ⎯⎯→ ⎯⎯→ ⎯⎯→ ⎯⎯→ A l’équilibre, P + Pa + T = 0 , T désignant la tension de la corde. Projetons sur la verticale : Pa – T – P = 0 , Pa= T+P, donc Pa>P. Le ballon peut alors s’élever lorsqu’on détache la corde. 2. a) Pa=ρ.V.g >P=M.g avec: M=mA+mB+mHe soit : g.ρair.V= g.(mA+mB+ρHe.V) m + mB =4,46m3 d’où V= A ρair - ρHe B

b) D’après la 1ère loi de Newton si un solide est animé d’un mouvement rectiligne et uniforme, alors la somme des forces extérieures appliquées est nulle. La poussée d’Archimède équilibre juste la somme du poids et de la résistance aérodynamique qui était négligeable au démarrage. 3.a) En altitude, l’atmosphère se raréfie et la pression diminue. Le volume du ballon augmente alors jusqu’à l’éclatement. b) Les restes du ballon-sonde n’étant plus soumis qu’à leur poids tombent en chute libre accélérée au début et à vitesse constante ensuite, lorsque la force aérodynamique due aux frottement de l’air compense juste le poids. EXERCICE II-9* : Déménagement a)Le système {meuble} étant immobile

∑F

ext

r = 0 . Or, le meuble est soumis à son poids P = 2500 N, à la

force de traction F = 600 N et à la réaction du sol qui se décompose en f (frottement) et RN (réaction normale).La projection de la somme des forces sur l’axe horizontal implique F = f. Donc la force de frottement vaut 600 N.

RN F

b) R = R N + f c)En projetant la somme des forces sur l’axe vertical : RN = P = 2500 N R = RN + f 2

= 2500 2 + 600 2 = 2571 N

EXERCICE II-13** : Record à battre 1. τ = D / v, avec D = 100 m et v = 233,615km.h-1 = 64,893m.s-1. On obtient τ = 1,541 s. 2. a) Les forces se représentent sur le schéma de la façon suivante :

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 84

b)La vitesse du système étant constante, on a :

r ère F = 0 ∑ ext (1

loi de Newton) soit P + R N + F = 0 .Les trois forces forment un

ˆ C =α. car AB est triangle (ABC), rectangle en B. L’angle BA perpendiculaire à la piste et AC est vertical

cos α =

AB R N = . On a donc :RN=P.cos α = m.g cos α soit RN AC P

= 715 N. EXERCICE II-15* : Allongement d’un ressort Les forces appliquées à la masse m1 sont modélisées par les vecteurs forces : ⎯⎯→

- P : poids de la masse m1 (force exercée par la Terre sur la masse) point d’application : centre d’inertie de la masse direction : verticale sens : vers le bas intensité : P=m.g= ⎯⎯→

- R1 : action du plan, normale car absence de frottement : point d’application : centre de la surface de contact entre la masse et le support direction : perpendiculaire au support sens : vers le haut ⎯⎯→

- T : tension de rappel du ressort. point d’application : A direction : celle du ressort ( parallèle à la piste) sens : de la masse vers le ressort ⎯⎯→

⎯⎯→

Le⎯⎯→ système constitué de la masse m1 étant à l’équilibre, on applique la première loi de newton: P + R1 ⎯⎯→ + T = 0 . On projette cette relation vectorielle dans un repère (O ; i , j ) orthonormé. La projection sur [Ox) donne : -T + P sinα = 0, soit T = P.sin(α)=m1gsinα=5N. La projection sur [Oy) donne : R1 – P cosα = 0, soit R1= P.cos(α)=7.13N. T = 2,5cm. c) T= k.x., soit x = k EXERCICE II-17 :

1)le poids P et la poussée d’Archimède π . 2) P = m.g =

ρ matériau .V .g

4 4 P = ρ matériau ⋅ πr 3 ⋅ g d’où P = 2,05 N avec V = πr 3 = 523.6 cm3. 3 3 3)Voir la définition dans le cours. r r r 4) A l’équilibre, la 1ère loi de Newton permet d’écrire: P + π = 0 . On a donc après projection : P = π . Le volume de fluide déplacé est égale au volume de solide immergé. On a donc π = V fluide ⋅ ρ liquide ⋅ g P 3 d’où Vimmergé = 261,5cm .La boule est immergée à moitié. π = Vimmergé ⋅ ρ liquide ⋅ g d’où Vimmergé = ρ liquide ⋅ g r r r r 5) Soit F la force à considérer. On doit vérifier: P + π + F = 0 . La projection de la relation donne : r r P + F − π = 0 ( P et F ont même sens et même direction). Vimmergé a doublé donc π = 4,10 N. Donc F = 4,10-2,05=2,05 N.

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 85

EXERCICE III-1 : 1)Il n’y a qu’une seule force qui s’exerce sur la pomme : le poids. 2)Le théorème de l’énergie cinétique permet d’écrire: ΔEc= W P soit ½ mv2 – 0 = mg(zI-zF) = mgh (l’origine des altitudes étant au niveau du sol, zi est supérieure à zf donc zi-zf = h ). Ainsi, v2 = 2gh. La vitesse est indépendante de la masse.

()

EXERCICE III-4* : Un remorqueur a) On nomme AB le segment parcouru par la péniche : W AB T = T ⋅ d . cos( 0) = 25 ⋅10 3 ⋅10.10 3 = 2,5 ⋅10 8 J = 250 MJ b) ΔE PP = mg ( z f − z i ) = mgh = 120 ⋅10 3 × 9,81× 5,4 = 6,36 ⋅10 6 J = 6,36 MJ (zf est supérieure à zi donc

()

zf - zi=h) EXERCICE III-7** : Démarrage d’une cabine d’ascenseur a) La cabine, en s’élevant, gagne de l’énergie potentielle et reçoit le travail de la force de traction. Le milieu extérieur fournit donc de l’énergie à la cabine. On nomme AB le segment parcouru par la cabine. ΔEPP = mg ( z f − zi ) = mgh = 120 ⋅10 ⋅ 3 = 3,6kJ et W AB (T ) = T ⋅ AB. cos( 0) = T .h.1 = 1400 .3 = 4.2kJ b) Appliquons le théorème de l’énergie cinétique entre t1 et t2 : -1 1 1 1 ΔEc = ∑ W Fext avec ΔEC = mv 2 − mv0 2 = mv 2 car v0=0 m.s . 1 2 2

( )

() ()

ΔEC =

1 2 mv = W T + W P = T ⋅ h + mg ( zi − z f ) = T .h − mgh = h ⋅ (T − mg ) soit 2

v = 2⋅

h ⋅ (T − mg ) 3 ⋅ (1400 − 1200) = 2⋅ = 3,2m ⋅ s −1 m 120

(zf est supérieure à zi donc zi-zf= -h) EXERCICE III-8 : 1) Ec = 1 mv 2 . 2

v=110km.h-1=110000m.h-1=110000/3600=30.5m.s-1 car 1h=3600s. Ec=0.5x1300x30.52 =605kJ. 2) Le poids

P , la réaction du support R

et la force de freinage

3) W( P ) = W( R ) = 0 (ces deux forces sont perpendiculaires à la vitesse donc elles ne travaillent pas). On applique le théorème de l’énergie cinétique : 1 1 1 ΔE C = ∑ W Fext avec ΔEC = mv f 2 − mv0 2 = − mv0 2 car vf=0. 1 2 2 1 2 On a donc − mv 0 = W F avec W F = F .d . cos(α ) = F .d . cos(180 ) = − F *113 . 2 F= 605.103/113=5354N.

( )

()

EXERCICE III-12*** : 1. On doit projeter le vecteur

dans la base (O, i, j) ce qui nous donnera : Vox = Vo cos α Voy = Vo sin α

2. On applique le théorème de l’énergie cinétique : La variation d’énergie cinétique entre deux points A et B est égale à la somme des travaux des forces extérieures appliquées au solide.

( )

ΔEc = ∑ W A→ B Fext

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 86

Ici la seule force extérieure appliquée à la pierre est son poids. On a donc :

zS = −

1 2 1 2 mv S − mvO = mg ( z O − z S ) 2 2

1 2 1 2 (vO cos 2 α − vO2 ) . (v S − vO2 ) = − 2g 2g

1 (15 2. cos 2 (30) − 15 2 ) = 2.87 m. 2 × 9.81 1 Pour α =60.0°, zs= − (15 2 . cos 2 (60) − 15 2 ) = 8.60m. 2 × 9.81

3. Pour α =30.0°, zs= −

4.Connaissant la vitesse au point S, on applique le théorème de l’Energie cinétique entre S et D, en considérant qu’il n’y existe qu’une seule force travaillant entre ces 2 points : celui du poids. On a donc :

( )

ΔEc = ∑ WS → D Fext

()

soit ΔEc = WS → D P ⇔

1 2 1 mv D = mgz S + mv S2 ⇔ v D = 2 gz S + v S2 2 2 Pour α =30.0°, v D = 16.8m.s −1 . Pour α =60.0°, v D = 19.8m.s −1 .

1 2 1 2 mv D − mv S = mg ( z S − z D ) OR zD=0 donc 2 2

EXERCICE IV-2* : Ampoule électrique a) On a P = R I², avec I = U / R soit R = U² / P. D’où R = 533 Ω. b) On en déduit aussi que I = P / U d’où I = 0,375 A. c) Soit D la dépense pour 4 h d’éclairage. On a D = p W. Or W = P t, donc D = p P t avec P=0.075kW. D’où D = 0,26 Euro. EXERCICE IV-11** : Calcul d’intensité Toutes les résistances étant identiques, chacune d’entre elles consomme la même puissance PR. Toute la puissance P = 20 W fournie par le générateur est consommée, donc : P = ∑ PR = 6 PR = 6 RI 2

d’où I = 6 R = 600 = 0,18 A

EXERCICE V-5** : Interaction entre fils électriques (corrigé partiel)

μ 0 ⋅ I 4 ⋅ 10 −7 ⋅ 10 B = = = 8 ⋅ 10 − 4 T . a) π ⋅a 5 ⋅ 10 −3 b) F est dans le plan perpendiculaire aux fils et est dirigé vers l’autre fil. Les deux fils ont donc tendance à se rapprocher. c) Si les intensités sont de sens contraire, F est dirigé dans l’autre sens, et les fils ont tendance à s’éloigner. d) F = I ⋅ l ⋅ B = 10 ⋅ 0,5 ⋅ 8 ⋅ 10 −4 = 4 ⋅ 10 −3 N P = mg = 0,1 ⋅ 0,5 ⋅ 10 = 0,5 N La force de Laplace à laquelle est soumis le couple de fil reste petite devant le poids du fil.

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 87

EXERCICE VI-4** : Condition de visibilité

×A

× A’

Zone de visibilité de l’image.

EXERCICE VI-6* Image d’un objet par une lentille convergente On utilise la relation de conjugaison pour déterminer l’image C’ du point C : 1 1 1 1 1 1 − = − = soit SC '= 13,3cm . f ' d’où SC ' − 8 5 SC ' SC Donc on doit placer l’écran à 13,3 cm de la lentille. A' B ' SC ' 13,3 γ = = = = −1,67 −8 AB SC

B A C

F A B

EXERCICE VI-12 : AB donne une image A1B1 à travers L1 et A1B1 donne une image A’B’ à travers L2. On applique les relations B

de conjugaison : O1 A1 =

De plus,

γ=

O1 A ⋅ f '1 O A ⋅ f '2 = 13,3cm donc O2 A1 = 3,3cm et O2 A' = 2 1 = 1,0cm O1 A + f '1 O2 A1 + f ' 2

A' B' O1 A1 O2 A' = ⋅ = −0,5 AB O1 A O2 A1

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 88

Partie F : CORRECTION DES

EXERCICES DE CHIMIE

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 89

EXERCICE I-9** : Le lait de chaux 1. a) Comme la solubilité est de 1,80 g.L-1, 500 mL d’eau ne peuvent dissoudre que 0,90 g ce Ca(OH)2. b) La masse du composé restant en suspension dans la solution est donc : Δm = 2,00 – 0,90 = 1,10 g. 2. L’hydroxyde de calcium non solubilisé reste en suspension dans la solution et lui donne cet aspect laiteux. 2+ − 3. L’équation de la réaction s’écrit : Ca(OH)2(s) Ca aq + 2 OH aq . On a donc: [Ca 2 + ] = c =

ndissous mdissous soit [Ca 2 + ] = 24,3 mmol.L-1. De plus, [OH − ] = 2c = Vs vs M Ca ( OH ) 2

d’où [OH − ] = 48,6 mmol.L-1. EXERCICE I-10: 1)n CuSO4 = 2.10-3 mol et n NaOH = 8.10-4 mol. 2)Cu2+ + 2 OH- = Cu(OH)2 (s)

3) x max = 4.10-4 mol. La soude est le réactif limitant. 4) nf(Cu(OH)2) = xmax. mf(Cu(OH)2) = nf(Cu(OH)2). M(Cu(OH)2) mf(Cu(OH)2) =4.10-4.M(Cu(OH)2) = 39 mg

EXERCICE II-3* : Calcul de concentration Par définition : G =

( ( )

( )) d’où c =

S c λ ° H + + λ ° Cl − L

LG S λ ° H + λ ° Cl −

( ( ) +

( ))

Il faut convertir les données dans les bonnes unités : G=805 μS = 805.10-6S. L=5mm=5.10-3m. S=3mm2=3.10-6m

805.10 −6 .5.10 −3 = 31.47mol.m −3 = 31.47.10 −3 mol.L−1 3.10 − 6 35.10 −3 + 7,62.10 −3

(

)

La solution d’acide chlorhydrique a été diluée 10 fois donc sa concentration est de 314,7.10-3mol.L-1. EXERCICEIII-4* : Le fer réagit avec l’acide sulfurique a) Les réactions à considérer sont les suivantes : 2H++2e-→H2, Fe→Fe2++2e– et Fe+2H+→Fe2++H2 On a : nFe=m/M=0,2/55,8=3,6.10-3mol et nH+=2.c.V=4.10-3mol donc nH+/2 < nFe. Conclusion : le fer est en excès. b) nH2=0,5.nH+=2.10-3mol et VH2 = nH2*R*T/P (loi des gaz parfaits) avec R=8.314USI, P= 1.013.105 Pa, T =25+273=298K VH2 = 4.89 .10-5 m3 = 48.9mL c) [Fe2+] = n/V = 10-2 mol.L-1 EXERCICE IV-5** : polymérisation a) ⎯(−CH2−CH2−CH2−CH2−)n⎯

b) N = Mpolymère / Mmonomère= 15000 / 56 = 268

EXERCICE V-6** : Trouver un alcool a) B est un dérivé carbonylé dépourvu de propriétés réductrices. B est donc une cétone. b) A est un alcool dont l'oxydation conduit à une cétone ; c'est donc un alcool secondaire, de formule R-CHOH-CH3 ; il s'agit du propan-2-ol. EXERCICE V-7** : Caractérisation d’un alcool a)La formule générale d’un monoalcool s’écrit : CnH2n+1OH, avec n un entier. La masse molaire de cet alcool est M = n MC + (2n+2) MH + MO. D’où n = 4. b)Le composé A’ réagit avec la D.N.P.H. mais pas avec la liqueur de Fehling ni avec le réactif de Tollens : c’est donc une cétone. L’alcool A est par conséquent un alcool secondaire : c’est le butan-2-ol, de formule CH3CH2CHOHCH3. A’ est la butan-2-one, de formule brute CH3CH2COCH3.

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 90

EXERCICE VII.3** : Q1 = 5 DC-H + DC-C + DC-O + DO-H + 3 DO=O - 4 DC=O –6 DO-H Q1 = 5 * 410 + 348 + 356 + 460 + 3*494 – 4*795 –6*460 Q1 = -1 244 kJ.mol-1 (environ 1200 kJ sont libérés par la combustion d’une mole d’éthanol). Or la vaporisation d’une mole d’éthanol nécessite 41 kJ. L’énergie transférée au cours de la combustion de l’éthanol est donc 30 fois plus importante que celle échangée au cours de sa vaporisation.

EXERCICE VII-8*** : Réaction entre les ions cuivre II et le zinc a) Cu2+ + Zn b)

n Zn =

Cu + Zn2+.

m Zn 2+ d’où nZn = 7,6. 10-2 mol et n Cu 2 + = [Cu ] v = c v d’où nCu 2 + = 4,0 10-2 mol. M Zn

Le zinc est en excès, les ions cuivre II constituent donc le réactif limitant. D’après l’équation-bilan, une mole de zinc réagit avec une mole de cuivre II ; Ainsi, 4,0 10-2 mol de zinc ont réagi avec 4,0 10-2 mol de cuivre II. c) Le système cède de la chaleur à l’eau de la solution contenue dans le calorimètre et au calorimètre, car leur température augmente ; la réaction est donc exothermique (Q<0).La quantité de chaleur gagnée par l’ensemble eau-calorimètre est : Q’ = c m (θ2 - θ1) + μ (θ2 - θ1) avec m la masse d’eau (m = ρ.v). La quantité de chaleur cédée par la réaction est donc –Q’ et correspond à une quantité de matière n Cu 2+ = 4,0 10-2 mol. La chaleur molaire de la réaction Q est donc donnée par la relation:

Qp =

− Q' soit Q = -220kJ.mol-1. 2 + n Cu

Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 91

Grandeurs et unités en sciences physiques et chimie Grandeur

Notation

Unité

Symbole de l’unité

Angle Champ magnétique Avancement Charge électrique Concentration molaire Conductance Conductivité Conductivité molaire ionique densité Energie Fréquence Longueur Intensité du courant électrique Masse Masse molaire Période Masse volumique pH Pression Puissance Quantité de matière Résistance Température Tension électrique Travail Vitesse

α B x q C ou [X] G σ λ d E f l I m M T ρ pH p P n R T U W v

radian tesla mole coulomb mole par litre siemens siemens par mètre siemens mètre carré par mole sans unité joule hertz mètre ampère kilogramme gramme par mole seconde kilogramme par mètre cube pas d’unité pascal watt mole ohm degré celsius ou kelvin volt joule mètre par seconde

rad T mol C mol.L-1 S S.m-1 S.m2.mol-1. J Hz m A kg g.mol-1 s Kg.m-3 Pa W mol Ω ° C ou K V J m.s-1

Conductivités molaires ioniques à 25 °C Cation +

Li Na+ Ag+ K+ NH4+ Zn2+ Mg2+ Cu2+ Fe2+ Co2+ Ca2+ Al3+ Fe3+ H3O+

λi ( S.m2.mol-1)

Anion

3,86.10 5,00.10-3 6,19.10-3 7,34.10-3 7,35.10-3 10,5.10-3 10,6.10-3 10,7.10-3 10,8.10-3 11,0.10-3 11,9.10-3 18,3.10-3 20,4.10-3 35,0.10-3

CH3CO2 HCO3FNO3ClIBrCO32C2O42SO42S2O32CrO42HOPO43-

-3

λi ( S.m2.mol-1) 4,09.10-3 4,45.10-3 5,54.10-3 7,14.10-3 7,63.10-3 7,68.10-3 7,81.10-3 13,9.10-3 14,8.10-3 16,0.10-3 17,0.10-3 17,0.10-3 19,8.10-3 20,7.10-3

Tableau de données Constante

Symbole

Vitesse de la lumière dans le vide Constante d’Avogadro Constante des gaz parfaits Constante gravitationnelle Perméabilité du vide Charge électrique élémentaire Masse de l’électron Masse du proton Masse du neutron Volume molaire ( 0 °C ; 1 atm) Masse de la Terre Rayon moyen de la Terre Masse du soleil

c NA R G ( ou K) μo e me mp mn Vm MT RT MS Physique-Chimie 1ère S – V10/10 – page 92

Valeur approchée

3 ,00.108 m.s-1 6,022.1023 mol -1 8,314 Pa.m3.mol-1.K-1 6,67.10-11 m3.kg-1.s-2 1,26.10-6 T.m.A-1 1,602.10-19 C 9,109.10-31 kg. 1.673.10-27 kg 1,675.10-27 kg 22,4 L.mol-1 5,98.1024 kg 6380 km 1,98.1030 kg © Complétude 2010/2011

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