Physique

Série d'exercices : Éléments, Atomes, classification périodique des éléments - 2nd S

Classe: 
Seconde
 

Exercice 1

Le carbone est le constituant essentiel de la matière vivante.
 
Il est présent dans toutes les molécules organiques.
 
Un atome de carbone, de symbole $C$ a $12$ nucléon.
 
La charge électrique de son nuage électronique est $q=6e.$
 
1. Pourquoi  peut-on dire que le noyau contient $6$ protons ?
 
Justifier.
 
2. Exprimer puis calculer la charge de son noyau.
 
3. Donner le symbole de son noyau.
 
4. Énoncer les règles de remplissage des électrons sur les couches électroniques puis donner la structure électronique de l'atome de carbone.
 
5. Calculer la valeur approchée de la masse de l'atome de carbone.

Données :

$m_{p}=m_{n}=1.7\cdot 10^{-27}kg$ ; 
 
masse de l'électron : $m_{e}=9.1\cdot 10^{-31}kg$ ; 
 
charge élémentaire : $g=1.6\cdot 10^{-19}C$
 
6. Pourquoi peut-on dire que la masse de l'atome est quasiment la même que celle du noyau de l'atome ?
 
Justifier votre réponse par un calcul.
 
7. L'atome de carbone peut être représenté par une sphère de rayon $R=67\,pm.$
 
Calculer le rayon de son noyau $r$ de son noyau.

Exercice 2

La formule électronique d'un atome est : $(K)^{2}(L)^{8}(M)^{7}.$
 
1. Quel est le nom de la couche externe de cet atome ?
 
2. Combien d'électrons externes cet atome possède-t-il ?
 
3. Donner le symbole de son noyau sous la forme $_{Z}^{A}X$, sachant que l'élément correspondant est le chlore et que son noyau comporte $18$ neutrons.
 
4. Donner la composition de cet atome.
 
5. Quel est la masse de cet atome ?

Données :

Masse du proton$=$masse du neutron$=1.67\cdot 10^{-27}kg$ ;
 
masse de l'électron$=9\cdot 10^{-31}kg$
 
6. Quel ion cet atome est-il susceptible de donner et pourquoi ?
 
Énoncer la loi utilisée et donner la structure électronique de cet ion.

Exercice 3

Un atome inconnu possède deux électrons sur sa couche externe $M.$
 
Il est constitué par $20$ neutrons.
 
1. Définir : l'élément chimique - structure lacunaire - isotopes
 
2. Les électrons d'un atome se répartissent sur des couches.
 
Donner symboles de ces couches et le nombre maximal d'électrons qu'elle peut contenir.
 
3. Donner la configuration électronique de cet atome.
 
En déduire le nombre d'électrons 
 
4. Déterminer le numéro atomique $Z$ de cet atome. 
 
Justifier
 
5. Déterminer le nombre de nucléon $A.$
 
En déduire la notation symbolique de l'atome sachant que son symbole chimique est $M_{g}$, donner la composition de cet atome.
 
6. Calculer la masse du noyau en Coulomb.
 
En déduire la charge des électrons 
 
7. Calculer la masse approchée de cet atome.
 
8. Combien d'atome de $M_{g}$ contenant dans un échantillon de $M_{g}$ de masse $m=10g$
 
9. L'ion formé par cet atome résulte de la perte de deux électrons de la couche externe.
 
9.1 Donner la structure électronique de cet atome.
 
Que peut-on dire sur sa couche externe
 
9.2 Définir un cation et un anion.
 
Déterminer la charge électronique porté par cet atome.
 
S'agit - il d'un cation ou d'un anion.
 
9.3 Écrire la formule chimique de cet ion.
 
10. Que peut - on dire de cet atome et des ions suivants dont on donne le couple $(Z\ ;\ A)\ :\ (17\ ;\ 37)\quad\text{et}\quad(17\ ;\ 35)$ ?

Données :

charge élémentaire $e=1.6\cdot 10^{-19}C$ ;
 
la masse d'un proton $m_{p}=1.67\cdot 10^{-27}kg$

Exercice 4

Le bromure de lithium et le chlorure de magnésium sont connus pour leur activité thérapeutique, ce sont des régulateurs de l'humeur.
 
1. L'élément lithium $(Li)$ est dans la première famille et la deuxième période de la classification périodique.
 
1.1 Comment s'appelle la famille chimique à la quelle il appartient ?
 
1.2 Quel est le nombre d'électrons sur sa couche électronique externe ?
 
1.3 Quel ion monoatomique forme facilement un atome de lithium ?
 
Justifier votre réponse en énonçant la règle de stabilité que vous avez utilisée.
 
2. Quel ion monoatomique stable forme l'élément chlore ?
 
Justifier simplement votre réponse.
 
3. Le brome $Br$ appartient à la même famille chimique de chlorure $Cl$ ?
 
3.1 Combien d'électrons possède - t - il sur sa couche électronique externe ?
 
3.2 Quel ion monoatomique forme facilement un atome de brome ?
 
Justifier votre réponse.
 
4. L'élément magnésium $(3^{ième}$ période de la classification$)$ conduit facilement à la formation de l'ion $Mg^{2+}$
 
4.1 Dans quelle colonne se trouve l'élément magnésium.
 
Justifier
 
4.2 Quel est le nom de la colonne où se trouve le magnésium ?
 
5. Quel ion monoatomique stable forme l'élément chlore ?
 
Justifier simplement votre réponse.
 
6. En utilisant les questions précédentes, en déduire la formule du chlorure de magnésium et du bromure de lithium, deux solides électriquement neutres.

Exercice 5

Les atomes de certains éléments ont des noyaux instables qui se décomposent spontanément et se transforment en d'autres éléments : on dit qu'ils sont radioactifs.
 
On les utilise notamment en médecine, mais aussi dans beaucoup de secteurs de l'industrie et en recherche.
 
$\blacktriangleright\ $En médecine, par exemple, on utilise :
 
$-\ $ Le cobalt $60$ $(Z=27)$ pour le traitement de certaines tumeurs cancéreuses $($Cobalt : $Co)$ ;
 
$-\ $ L'iode $131$ et l'iode$123$ $(Z=53)$ comme traceurs et marqueurs pour les images scientifiques $($Iode : $I)$ ;
 
$-\ $ Le sodium $24$ $(Z=11)$ pour la détermination du volume de sang que contient le corps humain $($Sodium : $Na)$
 
$-\ $ Le Plutonium $238$ $(Z=94)$ qui fournit l'énergie aux stimulateurs cardiaques $($plutonium : $Pu).$
 
$\blacktriangleright\ $Dans l'industrie, on utilise :
 
$-\ $ L'uranium $235$ et l'uranium $238$ $(Z=92)$, comme combustibles nucléaires dans des centrales électriques $($Uranium : $U)$ ;
 
$-\ $ Le chlore $36$ $(Z=17)$ et le silicium $32$ $(Z=14)$ pour la datation des eaux dans les nappes phréatiques $($Chlore : $Cl$ ; Silicium : $Si).$
 
$\blacktriangleright\ $En recherche, on utilise :
 
$-\ $ Le carbone $14$ $(Z=6)$, le potassium $40$ $(Z=19)$ et l'argent $40$ $(Z=18)$, en paléontologie, pour la datation des fossiles $($carbone : $C$ ; potassium : $K$ ; argon : $Ar)$

$-\ $ L'oxygène $18$ $(Z=8)$ qui n'est pas radioactif pour déterminer, en climatologie, la température qui régnait à différentes époques (analyse des glaces polaires) $($oxygène : $O).$

1. a) Reprendre chacun des atomes qui apparaissent dans le texte et le symboliser sous forme $_{Z}^{A}X.$

1. b) Combien d'éléments différents apparaissent dans le texte ?

2. Combien de neutrons y a-t-il dans un noyau de cobalt $60$ ?

De plutonium $238$ ?

De chlore $36$ ?

3. Combien de d'électrons se déplacent autour des noyaux de sodium $24$ et de silicium $32$ ?

4. a) Donner les structures électroniques des atomes de carbone $14$ et d'argon $40.$

4. b) Combien d'électrons y a-t-il sur la couche externe de ces deux atomes ?

5. a) Quelle est la formule de l'ion potassium sachant qu'il a $18$ électrons autour de son noyau ?

5. b) L'ion potassium et l'atome de potassium appartiennent-ils au même élément ?

6. a) Quelle est la structure électronique de l'ion chlorure $^{36}Cl^{-}$ ?

6. b) Comparer cette structure à celle de l'atome d'argon $40.$

6. c) Peut-on dire que l'ion $^{36}Cl^{-}$ et l'argon sont des isotopes ?

7. Quels atomes isotopes apparaissent dans le texte.

Auteur: 
Sidy Mouhamed Ndiaye

Série d'exercices : Mélanges et corps purs - 2nd S

Classe: 
Seconde
 

Exercice 1

A. Choisir la bonne réponse :
 
$1-\ $ Une eau limpide
 
a) est toujours un corps pur ; 
 
b) peut être un mélange homogène ; 
 
c) est un mélange hétérogène
 
$2-\ $ Les constituants d'un mélange homogène peuvent être séparés par :
 
a) décantation ;     
 
b) distillation ;    
 
c) filtration
 
B. Répondre par $VRAI$ ou $FAUX$ avec justification :
 
$1-\ $ La distillation de l'eau de mer est un phénomène physique.
 
$2-\ $ L'électrolyse de l'eau est un phénomène chimique.
 
$3-\ $ La synthèse de l'eau est un phénomène physique.
 
$4-\ $ L'air est un corps pur composé.
 
$5-\ $ le passage de l'état solide à l'état gazeux est la vaporisation.
 
C. Proposer une ou des méthodes pour séparer les constituants des mélanges suivantes :
 
a) Eau$+$huile ;    
 
b) eau$+$alcool ;   
 
c) fer en poudre$+$sable ;   
 
d) charbon en poudre$+$sel de cuisine ;    
 
e) ciment en poudre$+$cailloux.

Exercice 2

On désire préparer une solution d'eau salée à partir d'eau de robinet et de sel en poudre.
 
$1.1-\ $ Quel type de mélange obtient-on après avoir agité énergiquement si :
 
a) le sel est utilisé en défaut $($mélange $M_{1})$ ;
 
b) le sel est utilisé en excès $($mélange $M_{1}).$
 
Justifier dans chaque cas la réponse.
 
$1.2-\ $ On considère le mélange d'eau salée $M_{1}$ obtenu en utilisant de la poudre de sel en défaut. 
 
Une certaine masse de sel a subi une transformation lors de la préparation du mélange $M_{1}.$ 
 
Cette transformation est-elle un phénomène physique ou un phénomène chimique ? Justifier.
 
On précisera le nom de la transformation en question.
 
$1.3-\ $ On place le mélange $M_{1}$ dans un ballon à pyrex afin de récupérer l'eau seule à l'état pur dans un bécher.
 
a) Sur quel critère de pureté doit-on se baser pour réussir l'opération ? 
 
Justifier.
 
b) Quelle technique doit-on utiliser ? 
 
Expliquer brièvement son principe.
 
$1.4-\ $ Lorsque l'opération est achevée, on constate sur le fond du ballon en pyrex l'apparition d'un dépôt d'un solide sec d'aspect blanc. 
 
Ce dépôt est-il un corps pur, un mélange homogène ou un mélange hétérogène ? 
 
Justifier. 
 
$1.5-\ $ Expliquer alors comment devrait-on procéder pour qu'en fin d'opération, on obtienne dans le ballon un corps pur.

Exercice 3

Lors d'une expérience d'électrolyse de l'eau, on recueille un volume total de $135\,mL$ de gaz au niveau des deux électrodes de l'électrolyse.
 
$1-\ $ Qu'appelle-t-on électrolyse de l'eau ? 
 
Comment identifie-t-on expérimentalement ces deux gaz recueillis ?
 
$2-\ $ Sur quelles électrodes sont recueillis ces gaz ?
 
$3-\ $ Trouver le volume de chacun des gaz recueillis.
 
$4-\ $ Déterminer la masse d'eau décomposée sachant que $1\,L$ de dioxygène pèse $1.428\,g.$
 
$5-\ $ En déduire la masse du dihydrogène recueilli.

Exercice 4

A. Au cours d'une expérience, on introduit dans un eudiomètre du dihydrogène et du dioxygène.
 
Le volume du mélange gazeux est de $52\,cm^{3}.$ 
 
On y provoque une étincelle électrique. 
 
Après réaction et retour aux conditions initiales de température et de pression, il reste $11.5\,cm^{3}$ de dioxygène.
 
$1-\ $ Quel est le nom de cette expérience ?
 
$2-\ $ Déterminer le volume de dihydrogène dans le mélange initial et celui de dioxygène dans le mélange dans le mélange initial.
 
$3-\ $ Calculer la masse initiale de dihydrogène sachant que sa masse volumique est égale à $0.08\,g\cdot L^{-1}.$
 
$4-\ $ Déterminer la masse d'eau formée et celle de dihydrogène disparu.
 
B. Dans un eudiomètre on introduit $50\,cm^{3}$ de dihydrogène et $60\,cm^{3}$ de dioxygène (volumes mesurés dans les mêmes conditions). 
 
Après passage de l'étincelle électrique et retour aux conditions initiales, déterminer la nature et le volume du gaz restant après formation de l'eau.
 
Auteur: 
Sidy Mouhamed Ndiaye

ENSA - Épreuve de Sciences Physiques - 2019

Chimie : (8 points)

Données : $M(H)=1\,g.mol^{-1}\;;\ M(C)=12\,g.mol^{-1}\;;\ M(O)=16\,g.mol^{-1}$
 
Un des composants du vin est l'acide malique $COOH-CH_{2}-CHOH-COOH$ ou acide 2-hydroxybutanedioique.
 
Lors de la fermentation du vin l'acide malique se décompose en donnant du dioxyde de carbone de l'acide lactique ou acide 2-hydroxypropanoïque
 
1) Écrire l'équation de la réaction de fermentation de l'acide malique en entourant les groupes fonctionnels de l'acide obtenu puis les nommer.$\quad(1.5\,\text{pts})$
 
2) Pourquoi la molécule d'acide lactique est chirale ? Donner la représentation de Fischer des deux énantiomères.$\quad(1\,\text{pt})$
 
3) On réalise un suivi cinétique par dosage, l'évolution de la concentration massique $C_{m}(t)$ en fonction du temps de l'acide malique dans un vin de volume constant. Les résultats obtenus ont permis de tracer la courbe $C_{m}=f(t)$ ci-contre.

 
 

 
3.1) Exprimer la concentration molaire $C$ de l'acide malique en fonction de la concentration massique $C_{m}.\quad(0.5\,\text{pt})$
 
3.2) Définir la vitesse volumique de disparition de l'acide malique. L'exprimer en fonction de la concentration massique.$\quad(1\,\text{pt})$
 
3.3) Déterminer la date à laquelle la concentration molaire de l'acide lactique vaut $C'=2.01\cdot 10^{-2}\,mol.L^{-1}\quad(1.5\,\text{pts})$
 
3.4) Déterminer à cette date la vitesse volumique de disparition de l'acide malique. En déduire la vitesse volumique de formation de l'acide lactique.$\quad(0.75\,\text{pt})$
 
4) Déterminer les vitesses volumiques de disparition de l'acide malique aux instants $t_{1}=4\text{ jours}\ $ et $\ t_{2}=20\text{ jours}.$ Comparer les vitesses trouvées puis justifier.$\quad(1.5\,\text{pts})$

Physique

Exercice 2 (6 points)

Données : masse de la terre : $M_{T}=5.98\cdot 10^{24}\,kg$ ; constante de gravitation $K=6.67\cdot 10^{-11}\,\text{SI}$
 
Masses des planètes du système solaire : (la masse de la terre étant prise égale à l'unité).
$$\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|}\hline\text{Terre}&\text{Mercure}&\text{Vénus}&\text{Mars}&\text{Jupiter}&\text{Saturne}&\text{Uranus}&\text{Neptune}&\text{Lune}\\ \hline 1&0.056&0.817&0.11&318&95.2&14.6&17&0.012\\ \hline\end{array}$$
Au cours de son exploration du système solaire, une sonde Voyager, de masse $M=2\,100\;Kg$, s'est approchée d'une planète notée $A.$ On a mesuré à deux altitudes différentes comptée à partir du sol de cette planète la force de gravitation exercée par celle-ci sur la sonde soit :
 
$\centerdot\ $ à l'altitude $z_{1}=8\,499\;Km$ on a trouvé $F_{1}=13\,236.51\;N$
 
$\centerdot\ $ à l'altitude $z_{2}=250\,000\;Km$ on a trouvé $F_{2}=189.25\;N$
 
1) Calculer le diamètre moyen de la planète $A.\quad(1\,\text{pt})$
 
2) Quelle est l'intensité du champ de gravitation au niveau du sol de la planète $A\ ?\quad(1.5\,\text{pts})$
 
3) Quelle est le nom de la planète $A\ ?\quad(1\,\text{pt})$
 
4) Neptune de rayon $R_{N}=24.3\cdot 10^{3}\,Km$, possède un satellite dont la période de révolution autour d'elle (sur une trajectoire supposée circulaire) vaut $T_{S}=5\,j\ 21\,h\ 03\,min.$
 
Calculer la distance séparant le centre du satellite au centre de Neptune.$\quad(1\,\text{pt})$
 
Déterminer le travail de la force de gravitation qui s'applique sur le satellite lorsque celui-ci passe du sol de Neptune à l'altitude $z.$ En déduire l'énergie potentielle de gravitation si l'état de référence est pris sur le sol de Neptune de rayon $R_{N}=24.3\cdot 10^{3}\;Km\quad(1.5\,\text{pts})$

Exercice 3 (6 points)

Données : $\text{électron }\left\lbrace\begin{array}{rcl}\text{masse }m&=&9.109\times 10^{-31}\;Kg\\ \text{charge }-\mathrm{e}&=&-1.602\times 10^{-19}\;C\\k&=&8.988\times 10^{9}\;\text{SI}\end{array}\right.$
 
L'électron n'est pas relativiste.
 
1) Rutherford a décrit l'atome d'hydrogène par un modèle planétaire : l'électron a un mouvement circulaire, de rayon $r$, autour du noyau constitué d'un proton.
 
La force électrostatique subie par l'électron est dirigée selon la droite proton-électron, attractive, de valeur $f=k\dfrac{\mathrm{e}^{2}}{r^{2}}.$ La force gravitationnelle est négligeable devant cette force électrostatique.
 
1.1) Démontrer que le mouvement de l'électron est uniforme.
 
1.2) Établir l'expression de sa vitesse $v$ en fonction de $k\;,\ \mathrm{e}\;,\ r\ $ et $\ m.$
 
1.3) Exprimer son énergie cinétique en fonction des mêmes paramètres.
 
1.4) Exprimer son énergie mécanique $E$ en fonction de $k\;,\ \mathrm{e}\;,\ r$, sachant que son énergie potentielle est $E_{p}=-\dfrac{k\mathrm{e}^{2}}{r}.$ Quelle est sa limite quand $r$ tend vers l'infini ?
 
2) Différents faits expérimentaux, ont conduit Niels Bohr à formuler l'hypothèse suivante : l'électron ne peut se déplacer que sur certains cercles dont les rayons $r_{n}$ obéissent à la loi :
 
$$v_{n}\times r_{n}=n\times\dfrac{h_{r}}{m}$$
 
$h_{r}\ :$ Constante de Dirac : $h_{r}=1.054\times 10^{-34}\;J.s$
 
$n\ :$ nombre entier $\geq 1$
 
$v_{n}\ :$ vitesse de l'électron sur le cercle de rayon $r_{n}.$
 
2.1) Déterminer l'expression de $r_{n}$ en fonction des constantes $k\;,\ h_{r}\;,\ m\;,\ \mathrm{e}$ et de $n.$
 
Exprimer $r_{n}$ en fonction de $r_{1}.$ Calculer $r_{1}.$
 
2.2) Déterminer l'expression de $E_{n}$, énergie mécanique de l'électron sur le cercle de rayon $r_{n}$, en fonction des mêmes paramètres. Exprimer $E_{n}$ en fonction de $E_{1}.$
 
2.3) Calculer $E_{1}\ $ et $\ E_{2}$ en électron-volts. Quelle cause peut faire passer l'énergie de l'électron de $E_{1}\ $ à $\ E_{2}\ ?$
 
$$\text{Durée 2 heures}$$

 

ENSA - Épreuve de Sciences Physiques - 2018

Chimie

Exercice 1 (7 points)

Les esters jouent un rôle important dans la chimie des parfums et dans l'industrie alimentaire car ils possèdent une odeur florale ou fruitée. La transpiration de l'être humain contribue à la disparition de l'odeur du parfum.
 
1) Écrire, à l'aide de formules générales, l'équation-bilan de la réaction d'hydrolyse d'un ester. Justifier alors brièvement l'altération de l'odeur du parfum par la sueur.$\quad(1\,\text{pt})$
 
2) Au laboratoire on étudie l'hydrolyse d'un ester. Une méthode de contrôle de la réaction consiste à mesurer le $\text{pH}$ du milieu réactionnel à intervalles de temps réguliers. Dire comment évolue le $\text{pH}$ du milieu réactionnel en fonction du temps.$\quad(1\,\text{pt})$
 
3) A une date $t$ donnée, la mesure du $\text{pH}$ donne $\text{pH}=2.6$ et à cette date la concentration molaire volumique de l'acide formé est $C_{A}= 6.25\cdot 10^{-3}\,mol.L^{-1}.$
 
L'acide sera noté $AH$ et sa base conjuguée $A^{-}.$
 
Montrer que l'expression du $\text{pK}_{a}$ du couple acide-base associé à cet acide est donnée par la relation :
$$\text{pK}_{a}=2\text{pH}+\log(C_{A}- 10^{-\text{pH}})\qquad(1.5\,\text{pts})$$
En déduire la valeur du $\text{pK}_{a}.\quad(0.5\,\text{pt})$
 
4) L'acide AH est dérivé d'un acide carboxylique $RCOOH$ par remplacement d'un atome d'hydrogène du groupe alkyle $R$ par un atome de chlore.
 
a) Sachant que la masse molaire moléculaire de l'acide vaut : $M=108.5\,g.mol^{-1}$ déterminer sa formule brute.$\quad(1.5\,\text{pts})$
 
Écrire sa formule semi développée.$\quad(0.5\,\text{pt})$
 
b) La molécule de l'acide possède un carbone asymétrique ;
 
Représenter alors les configurations des deux énantiomères de l'acide.$\quad(1\,\text{pt})$
 
On donne :
 
$M(H)=1\,g.mol^{-1}\;;\ M(C)=12\,g.mol^{-1}\;;\ M(O)=16\,g.mol^{-1}\;;\ M(Cl)=35.5\,g.mol^{-1}$

Physique

Exercice 2 (7 points)

Partie A
 
L'isotope 4 de l'Hélium est représenté par le symbole : $_{2}^{4}He.$
 
1) Qu'appelle-t-on nucléides isotopes ?$\quad(0.5\,\text{pt})$
 
2) Donner la composition de l'isotope 4 de l'Hélium.$\quad(0.5\,\text{pt})$
 
3) Quelle est, en MeV/nucléon, l'énergie de liaison par nucléon de ce nucléide ?$\quad(0.5\,\text{pt})$
 
On donne :
 
$-\ $ Célérité de la lumière : $c=3\cdot 10^{8}\,m.s^{-1}$, et
 
$-\ $ Les masses : $m\left(_{2}^{4}He\right)=4.00260\,u\;;\ m_{p}=1.00728\,u\;;\ m_{n}=1.00867\;u\;;\ 1\,u=1.67\cdot 10^{-27}\,kg.$
 
Partie B
 
La fission d'un noyau d'Uranium $235$ produit un isotope du Strontium et un isotope du Xénon selon l'équation :
$$_{0}^{1}n+_{\ 92}^{235}U\ \longrightarrow\ _{\ x}^{94}Sr+_{54}^{\ y}Xe+2_{0}^{1}n$$
1) En utilisant les lois de conservations habituelles, calculer $x\ $ et $\ y.\quad(0.5\,\text{pt})$
 
2) Dans certains réacteurs dits surgénérateurs, il y a possibilité de capture d'un neutron par un noyau $_{\ 92}^{235}U.$
 
Quel est l'isotope de l'uranium obtenu ?$\quad(0.5\,\text{pt})$
 
3) Cet isotope, radioactif, subit une transmutation $\beta^{-1}$ pour donner un isotope du Neptunium $(N_{p})$, lui-même radioactif et qui par une nouvelle désintégration $\beta^{-1}$ donne l'isotope $_{\ 94}^{239}Pu$ du Plutonium.
 
Écrire les deux équations correspondant aux deux transmutations envisagées en utilisant les symboles convenables.$\quad(1\,\text{pt})$
 
Une fission libère d'autres neutrons dits rapides, ayant une vitesse $V_{0}=20\,000\;km.s^{-1}.$ Pour qu'un neutron puisse provoquer une nouvelle fission, il doit avoir une vitesse $V_{1}=2\;km.s^{-1}.$ Le ralentissement des neutrons se fait par chocs successifs avec les noyaux atomiques d'un modérateur. Un neutron de vitesse $V_{0}=20\,000\;km.s^{-1}$ heurte un noyau de deutérium $_{1}^{2}H$ initialement au repos. On suppose que le choc est parfaitement élastique et que les vitesses des particules après le choc ont même direction que la vitesse du neutron incident.
 
4) En appliquant les lois de la mécanique classique, calculer la vitesse du neutron après le choc$\quad(0.5\,\text{pt})$
 
5) Combien de chocs identiques seraient nécessaires pour que la vitesse du neutron soit égale à $2\;km.s^{-1}.\quad(0.5\,\text{pt})$
 
Pour cette question on prendra : Masse du neutron=$1\,u$ ; masse du noyau de $_{1}^{2}H=2\,u.$
 
Partie C
 
Un des déchets radioactifs est le Plutonium $239.$ A un instant pris comme origine des temps, on envisage un échantillon contenant $N_{0}$ noyaux de plutonium.
 
1) Donner, en fonction de $N_{0}\;,\ \lambda\ $ et $\ t$, l'expression du nombre $N(t)$ de noyaux restant dans l'échantillon à la date $t.\quad(0.5\,\text{pt})$
 
2) Quelle est en, années, la demi-vie du Plutonium ?$\quad(0.75\,\text{pt})$
 
3) Quelle est, en fonction de $N_{0}\ $ et $\ \lambda$, l'expression de l'activité initiale $A_{0}$ de l'échantillon ?$\quad(0.5\,\text{pt})$
 
4) Au bout de combien de temps cette activité aura-t-elle diminué de $90\%\ ?\quad(0.5\,\text{pt})$
 
Données :
 
$\lambda$ (constante radioactive du Plutonium) $=0.92\cdot 10^{-12}\, s^{-1}$ ; Une année$=3.1\cdot 10^{7}\,s$

Exercice 3 (6 points)

On réalise une figure d'interférences lumineuses à l'aide d'une source principale $F$ et de fentes fines $F_{1}\ $ et $\ F_{2}.$ La distance $F_{1}F_{2}=a.$ Un écran $E$ est placé parallèlement aux fentes à une distance $D$ de celles-ci.

 

 
A) La source principale $F$ émet une lumière monochromatique de longueur d'onde $\lambda.$
 
1) Les fentes $F_{1}\ $ et $\ F_{2}$ sont-elles des sources cohérentes ? Justifier brièvement la réponse.
 
2) Qu'observe-t-on alors sur l'écran $E\ ?$ Quel caractère de la lumière met-on ainsi en évidence ?
 
3) Exprimer la différence de marche $\delta$ des rayons lumineux se superposant au point $M$ d'abscisse $x$ sur l'écran $E.$ Calculer $\delta$ pour $x= x_{1}.$
 
4) Définir puis calculer l'interfrange $i.$
 
5) Qu'appelle-t-on ordre d'interférence ? A quelle distance du point $O$ on trouve alors la frange noire d'ordre $11\ ?$
 
B) La source $F$ émet maintenant une lumière constituée de radiations de longueurs d'onde $\lambda_{1}\ $ et $\ \lambda_{2}.$
 
1) Calculer les interfranges $i_{1}\ $ et $\ i_{2}$ correspondant respectivement aux radiations de longueurs d'ondes $\lambda_{1}\ $ et $\ \lambda_{2}.$
 
2) Déduire des résultats précédents l'aspect de la frange centrale ainsi que celui de sa voisine immédiate.
 
C) On éclaire cette fois-ci les fentes $F_{1}\ $ et $\ F_{2}$ à l'aide d'une lumière blanche issue de la fente principale $F.$
 
1) Dans quelle région du spectre électromagnétique se situe la lumière blanche ? Cette lumière est-elle monochromatique ? Justifier.
 
2) Quelle est la couleur de la frange centrale ? Quel est l'aspect observé au voisinage immédiat de la frange centrale ?
 
3) Quelles sont les radiations éteintes en un point $M'$ situé à la distance $x_{2}$ du point $O\ ?$ Quel est alors à cet endroit, l'aspect de l'écran ?
 
Données :
 
$D=3.0\,m\;;\ a=1.0\,mm\;;\ x_{1}=2.0\,cm\;;\ x_{2}=3.0\,cm\;;\ \lambda=680\,nm$
 
$\lambda_{1}=700\,nm$ (radiation rouge) ; $\lambda_{2}=500\,nm$ (radiation bleue) ; longueurs d'onde dans la région visible du spectre électromagnétique :
$$400\,nm\leq\lambda\leq 750\,nm$$
 
$$\text{Durée 2 heures}$$

 

ESP - Epreuve de Physique - 2014

 

Problème 1

Soit un fil conducteur rectiligne, très long, cylindrique de rayon $a$ portant une charge de densité linéaire $\lambda$ répartie uniformément.
 
1) Calculer le potentiel à une distance $r>a$ de l'axe du fil.
 
Une ligne bifilaire est formée de deux fils conducteurs parallèles distants $d\gg a$ dont les densités linéiques de charges sont $-\lambda\ $ et $\ +\lambda.$
 
2) Calculer la valeur approchée de la capacité $C$ par unité de longueur de la ligne bifilaire.
 
Application numérique : $a=3\,cm\;,\ d=2\,m\;,\ \epsilon_{0}=\dfrac{1}{36\pi 10^{9}}\,F.m^{-1}$
 
La ligne bifilaire précédente se trouve à une distance $h\gg a$ du sol (potentiel nul).
 
3) Calculer la nouvelle capacité $C'$ par unité de longueur de la ligne.
 
Application numérique : $h=1\,m$

Problème 2

Un gaz possède les coefficients thermoélastiques suivants :
$$\alpha=\dfrac{a}{aT+bP}\quad\text{et}\quad\beta=\dfrac{1}{T}$$
où $a\ $ et $\ b$ sont des constantes positives.
 
1) Déterminer l'expression de la différentielle $\mathrm{d}T$ de la fonction $T(V\;,\ P).$
 
2) En posant $Z=\dfrac{P}{T}$, montrer que
$$\dfrac{\mathrm{d}Z}{Z}=-\dfrac{a+bZ}{aV}\mathrm{d}V$$
3) Montrer que l'équation d'état du gaz s'écrit :
$$P\left(V-K\dfrac{b}{a}\right)=KT$$
où $K$ est une constante
 
On rappelle les définitions suivantes :
$$\alpha=\dfrac{1}{V}\dfrac{\partial V}{\partial T}\quad\text{et}\quad\beta=\dfrac{1}{P}\dfrac{\partial P}{\partial T}$$

Problème 3

Un mobile, lancé à partir de la Terre de rayon $R$, avec une vitesse initiale $v_{0}$ verticale, est soumis uniquement au champ de pesanteur terrestre. Soit $g_{0}$ l'accélération de la pesanteur à la surface terrestre.
 
1) Exprimer l'altitude $h$ atteinte par le mobile en fonction de $g_{0}\;,\ v_{0}\;,\ R.$
 
Application numérique : Calculer $h$ ;
 
on donne $v_{0}=2\,km/s\;,\ g_{0}=10\,m/s^{2}\;,\ R=6\,400\,km$
 
2) En déduire la vitesse de libération $v_{1}$ (vitesse minimale à communiquer au mobile pour le libérer de l'attraction terrestre).
 
Soit $h_{0}$ l'altitude atteinte si le champ de pesanteur terrestre est supposé uniforme de module $g_{0}.$
 
3) Exprimer $h$ en fonction de $h_{0}\ $ et $\ R.$ Retrouvez la vitesse de libération.
 
$$\text{Durée 3 heures}$$

 

ESP - Epreuve de Physique - 2013

 

Problème 1 (4 points)

Pour mesurer l'indice $n$ d'un milieu solide transparent, on baigne la première face d'un prisme d'angle au sommet $A=90^{\circ}$ dans un milieu d'indice $n$ tandis que la seconde face est dans l'air.
 
On envoie un pinceau de lumière monochromatique sous incidence rasante sur la première face du prisme, et l'on mesure son angle d'émergence $i'$ dans l'air. On trouve $i'=60^{\circ}.$
 
Connaissant l'indice $N=\sqrt{3}$ du prisme, déterminer $n.$
 
Les incertitudes sur $N\ $ et $\ i'$ étant respectivement $\Delta N=10^{-5}\ $ et $\ \Delta i'=1'$, déterminer l'incertitude sur $n.$
 
$N$ pouvait-il être choisi quelconque ?

Problème 2 (4 points)

Une sphère $(S)$ de rayon $R$ porte une densité surfacique de charges $\sigma(\theta)=\sigma_{0}\cos\theta$ à symétrie de révolution autour d'un axe diamétral $Ox$ (voir figure). On demande de calculer le champ électrique aux points $O\;,\ A\ $ et $\ A'$ de l'axe $Ox.$

 
 
 

Problème 3 (6 points)

On étudie les transformations quasi statiques d'un gaz parfait (caractérisé par $\gamma=\dfrac{C_{p}}{C_{v}}=\text{constante})$ pour lesquelles la pression $P$ et le volume $V$ vérifient :
$$PV^{\alpha}=\text{constante}\quad(\alpha\neq 1)$$
1) Calculer le travail $W$ et l'énergie thermique $Q$ reçus par le gaz dans une transformation mécaniquement réversible, depuis l'état $(P_{1}\;,\ V_{1})$ jusqu'à l'état $(P_{1}\;,\ V_{1}).$
 
Exprimer le rapport $\dfrac{Q}{W}$ en fonction seulement de $\alpha\ $ et $\ \gamma.$
 
2) a) Pour quelle valeur de $\alpha$ la transformation envisagée ici est-elle adiabatique ?
 
b) Plus généralement, on définit la capacité thermique molaire $C(\alpha)$ selon :
$$Q_{\text{mol}}=C(\alpha)\Delta T$$
Exprimer $C(\alpha)$ en fonction de $C_{v}\;,\ \alpha\ $ et $\ \gamma$

Problème 4 (6 points)

Soit une particule de masse $m$ et de charge $q.$
 
A l'instant $t=0$, elle est lâchée sans vitesse initiale dans une région de l'espace où règne un champ magnétique uniforme $B$ parallèle à l'axe $Oz$ et un champ électrique uniforme $E$ parallèle à l'axe $Oy.$
 
Déterminer le mouvement de la particule.
 
$$\text{Durée 3 heures}$$

 

Dipôles passifs - 2nd S

Classe: 
Seconde
 

I. Dipôles

1. Notion de dipôle

Un dipôle est un composant de circuit électrique qui comporte deux bornes ou pôles.

2. Catégorisation des dipôles

On distingue deux types de dipôles.

2.1. Les dipôles passifs

Un dipôle est dit passif s'il n'apparait aucune tension entre ses bornes lorsqu'il est branché seul aux bornes d'un voltmètre.

2.2. Dipôles actifs

Un dipôle est dit actif s'il apparait une tension entre ses bornes lorsqu'il est branché seul aux bornes d'un voltmètre.

3. Montage potentiométrique

3.1. Le Montage

Le potentiomètre est un conducteur ohmique qui possède d'une prise de tension intermédiaire variable.
 
Si on applique entre $A$ et $B$ une tension on obtient entre $B$ et $C$ une tension $U_{CB}$
 

3.2. Utilisation du potentiomètre

On utilise le potentiomètre pour obtenir de tensions continues réglables
 
$-\ $ Tension entre $A$ et $B$
 
$U_{AB}=6V$ cette tension fixée par le générateur 
 
$-\ $ Tension entre $C$ et $B$
 
$U_{CB}$ est une tension continue mais réglable.
 
Quand $C$ vient en $B\ $ $U_{CB}=0$
 
Quand $C$ vient en $A$
 
Les points $C$ et $A$ sont électriquement indifférents
$$U_{CB}=U_{AB}=6V$$

II. Dipôle passif linéaire

1. Étude d'un résistor ou d'un conducteur ohmique

1.1 Caractéristique d'un résistor

1.1.1. Définition

On appelle caractéristique d'un dipôle la représentation (très souvent expérimentale) d'une relation fonctionnelle entre deux grandeurs physiques.
 
En électricité quand les grandeurs sont la tension $U$ et l'intensité $I$
 
$-\ $ La caractéristique tension-intensité d'un dipôle est la courbe représentant les variations de l'intensité $I$ dans le dipôle en fonction de la tension $U$ à ses bornes $I=f(u)$
 
$-\ $ La caractéristique intensité-tension d'un dipôle est la courbe représentant les variations de la tension $U$ à ses bornes en fonction de l'intensité $I$ du courant qui le traverse.

1.1.2. Expérience

Montage

Considérons le montage suivant
 
 
Tracé de la caractéristique
 
En agissant sur le rhéostat $R_{h}$ on fait varier $I_{AB}$ lue sur l'ampèremètre pour chaque valeur de $I_{AB}$ on lit $U_{AB}$ sur le voltmètre.
 
Une expérience permet d'obtenir le tableau de valeurs suivantes
$$\begin{array}{|l|c|c|c|c|c|c|} \hline U_{AB}\;(V)&0&0.9&1.5&2.4&3.0&3.7\\ I_{AB}\;(mA)&0&30&50&80&100&123\\\hline \end{array}$$

Ce tableau nous permet de tracer la caractéristique intensité-tension

 
La caractéristique intensité-tension d'un résistor ou conducteur ohmique est une droite passant par l'origine limitée à la valeur maximale de $I_{AB}$ supportable par le résistor le résistor est un dipôle passif linéaire.
 
On obtiendrait la même courbe en intervertissant les bornes du résistor $U_{AB}=f\left(I_{AB}\right)$ le résistor est un dipôle symétrique.
 
Le coefficient directeur de la droite est appelé résistance noté $R$
 
La résistance électrique traduit la propriété des matériaux à s'opposer au déplacement des électrons.
 
Dans l'expérience décrite : 
 
\begin{eqnarray} R &=&\dfrac{\Delta U_{AB}}{\Delta I_{AB}}\nonumber\\\\ &=&\dfrac{3.25-1.75}{(110-60)\cdot10^{-3}}\nonumber\\\\\Rightarrow R &=&30\Omega \end{eqnarray} 

1.2. Loi d'ohm

Énoncé :

La tension appliquée aux bornes d'un conducteur ohmique est une fonction linéaire de l'intensité qui le traverse. 
$$\boxed{U=RI}$$ 

Remarque :

La loi d'ohm s'écrit aussi 
$$\boxed{I=GU\quad\text{avec}\quad G=\dfrac{1}{R}}$$
  
$G$ inverse de la résistance est appelé conductance et s'exprime en siemens $(S)$

1.3. Résistance d'un fil conducteur cylindrique et homogène

Soit un fil métallique de longueur $l$ et de section $S$
 
 
On démontre expérimentalement que la résistance d'un conducteur cylindrique et homogène est :
 
$-\ $ proportionnelle à sa longueur l
 
$-\ $ inversement proportionnelle à l'aire de sa section $\mathcal{S}$
 
$-\ $ variable avec sa nature et sa température selon un facteur s'appelle résistivité du conducteur 
 
$$\boxed{R=\rho\dfrac{l}{S}}$$
$R$ en ohms $(\Omega)$ ; $l$ en mètres $(m)$ ; $S$ en mètres carrés $(m^{2})$ et $\rho=$ en ohms mètres $(\Omega m)$

Remarque :

L'inverse de la résistivité est la conductivité noté gamma s'exprime en siemens $(sm)$

2. Associations de dipôles ohmiques

2.1. L'association en série 

Branchons-en série trois résistors de résistances 
 
 
\begin{eqnarray} U_{AD}&=& U_{1}+U_{2}+U_{3}R_{1}I+R_{2}I+R_{3}I\nonumber\\\\ &=&\left(R_{1}+R_{2}+R_{3}\right)I\nonumber\\\\ &=& RI\nonumber\\\\\text{avec }R &=& R_{1}+R_{2}+R_{3} \end{eqnarray}
 
$R$ la résistance est équivalente qui permet de remplacer une association de plusieurs résistances.

Généralisation 

Pour $n$ dipôles ohmiques différents en série la résistance équivalente est donnée par la relation 
$$\boxed{R_{e}=\sum_{1}^{n}R_{i}}$$
 
Si les résistances sont toutes identiques alors
$$\boxed{R_{e}=nR}$$

1.2. L'association en parallèle 

Branchons trois conducteurs ohmiques en parallèles entre deux points $A$ et $B$
 
 
\begin{eqnarray} U_{AB}&=& R_{1}I_{1}\nonumber\\\\ &=&R_{2}I_{2}\nonumber\\\\ &=&R_{3}I_{3}\nonumber\\\\\Rightarrow I_{1} &=&\dfrac{U_{AB}}{R_{1}}\;, \end{eqnarray}
 
$I_{2}=\dfrac{U_{AB}}{R_{2}}\;,$
 
$I_{3}=\dfrac{U_{AB}}{R_{3}}\;,$
 
$\text{Or }I=I_{1}+I_{2}+I_{3}\\\\\Rightarrow I=\dfrac{U_{AB}}{R_{1}}+\dfrac{U_{AB}}{R_{2}}+\dfrac{U_{AB}}{R_{3}}$
 
\begin{eqnarray} &=&\left(\dfrac{1}{R_{1}}+\dfrac{1}{R_{2}}+\dfrac{1}{R_{3}}\right)U_{AB}\nonumber\\\\ &=& G_{1}U_{AB}+G_{2}U_{AB}+G_{3}U_{AB}\nonumber \\\\ &=&\left(G_{1}+G_{2}+G_{3}\right)U_{AB}\nonumber\\\\\Rightarrow G_{e}&=&G_{1}+G_{2}+G_{3} \end{eqnarray}
 
Pour trois dipôles ohmiques montés en parallèle la conductance équivalente est la somme des conductances
$$\boxed{G_{e}=G_{1}+G_{2}+G_{3}\Rightarrow\dfrac{l}{R_{e}}=\dfrac{l}{R_{1}}+\dfrac{l}{R_{2}}+\dfrac{l}{R_{3}}}$$

Généralisation

Pour $n$ dipôles ohmiques différents montes en parallèle la résistance équivalente est donnée par
$$\boxed{\dfrac{l}{R_{e}}=\sum_{1}^{n}\dfrac{l}{R_{1}}}$$
 
Si les résistances sont toutes identiques alors 
$$\boxed{\dfrac{l}{R_{e}}=\dfrac{n}{R_{e}}\Rightarrow R_{e}=\dfrac{R}{n}}$$

III. Dipôles passifs non linéaires

1. Varistance $(V.D.R)$ (Voltage dépendant résistor) ou $(R.D.T)$ (Résistance dépendant de la tension)

1.1. Représentation symbolique d'une varistance

On représente une varistance par un rectangle barré la lettre $U$ indique que c'est une résistance dépendant de la tension 
 
 
 

1.2. Caractéristique d'une varistance

 
La caractéristique d'une varistance est symétrique par rapport à l'origine : la varistance est un dipôle passif symétrique. 
 
Mais cette caractéristique n'est pas un dipôle linéaire : la varistance est un dipôle non linéaire

2. Diodes

2.1 Diode a jonction

Une diode a jonction (on dit souvent diode tout court) se présente sous la forme d'un petit cylindre de quelques mm de diamètre et portant d'un côté un anneau circulaire. 
 
La borne d'entrée est du côté opposé à l'anneau la borne de sortie du même côté que cet anneau.

2.1.1. Représentation symbolique d'une diode à jonction

 
Cette représentation comme la diode n'est pas symétrique 
 
Le dessin n'est pas le même quand on va de $A$ vers $B$ et quand on va de $B$ vers $A$

2.1.2. Caractéristique de la diode à jonction

 
$-\ $ Une diode polarisée dans le sens direct sous une tension supérieure a $U_{s}$ est conductrice $I_{AB}\geq 0$ si $U_{AB}>U_{s}$
 
$-\ $ Une diode polarisée dans le sens inverse est non conductrice 
$I_{AB}=0$ si $U_{AB}<U_{s}$

Remarque :

Une diode à jonction idéale a une tension de seuil nulle $U_{s}=0$

2.2 Diode Zener

2.2.1. Représentation symbolique d'une diode de Zener

 
 

2.2.2. La caractéristique d'une diode de Zener

Une diode Zener est conductrice dans le sens direct si elle est polarisée dans le sens direct sous une tension supérieure à la tension de seuil $U_{s}$ $I_{AB}>0$ si $U_{AB}>U_{s}$
 
Une diode Zener est conductrice dans le sens inverse si elle est polarisée sous une tension inférieure à $-U_{z}$
 
$I_{AB}<0\quad\text{si}\quad U_{AB}<-U_{z}\quad\text{ou}\quad U_{BA}>U_{z}$
 
Une diode Zener est non conductrice si la tension a ses bornes est comprise entre $-U_{z}\leq U_{AB}\leq U_{s}$

Remarques :

Une diode Zener idéale a une tension de seuil nulle $U_{s}=0$
 
Un dipôle ne peut être utilisé dans n'importe quelle condition sans détériorer et rendu hors d'usage. 
 
Le conducteur indique en générale une valeur limite de la tension de l'intensité à ne pas dépasser
 
Auteur: 
Sidy Mouhamed Ndiaye

Phénomènes d'électrisation - 2nd S

Classe: 
Seconde
 

I. Quelques modes d'électrisation :

1. Électrisation par frottement

1.1. Expérience

$-\ $ Un bâton en verre bien sèche, frotté à l'aide d'un morceau de drap en soie ou en laine, tenue à la main, attire de petits morceaux de papier.
 
$-\ $ On obtient le même résultat si on remplace le bâton en verre par un bâton d'ébonite 3 et si on répète la même opération.
 
Les corps frottés sont également capables d'attirer des cheveux ou un mince filet d'eau qui coule d'un robinet.
 
 
Les corps frottés sont également capables d'attirer des cheveux ou un mince filet d'eau qui coule d'un robinet. 

1.2. Conclusion 

Il est possible d'électriser ou de charger d'électricité la matière en la frottant.
 
Ce phénomène s'appelle l'électrisation par frottement.
 
Des corps électrisés peuvent attirer d'autres corps plus légers.

2. Électrisation par contact

2.1. Expérience

On constitue, à présent, un pendule électrostatique en suspendant au fil de soie une boule de polystyrène recouverte d'une matière conductrice. 
 
Celle-ci est initialement neutre. 
 
Approchons un bâton en verre, électrisée par frottement, de la boule jusqu'au contact.
 
On constate que la boule est repoussée sous l'effet de son interaction avec la partie électrisée de la tige
 
 

2.2. Conclusion 

Un corps qui, après contact avec un autre corps électrique, acquiert la propriété d'attirer des corps légers a été électrisé par contact. 

3. Électrisation par influence

3.1. Expérience

L'électroscope est constitué d'une tige métallique qui comporte à son extrémité inférieure deux feuilles d'or très minces qui tombent librement. 
 
Un plateau ou une boule métallique sont fixés à l'extrémité supérieure et
l'ensemble est enfermé dans une cage métallique vitrée. 
 
Le bâton d'ébonite, chargé négativement, est approché du plateau. 
 
On constate les feuilles d'or du pendule se repoussent.
 
Si on éloigne l'ébonite, l'ensemble (plateau, tige, feuilles) retrouve sa neutralité ; les feuilles de l'électroscope reprennent leur position verticale initiale.
 
 

3.2. Conclusion 

Les deux feuilles se repoussent parce qu'elles sont électrisées sous l'influence du bâton.
 
Un corps peut être électrisé par influence en rapprochant un autre corps électrique.

II. Charges électriques :

1. Les deux espèces d'électricité 

1.1. Expérience

Les pendules sont constitués d'une potence, fixée sur un socle en bois, à laquelle est relié un fil de soie sans torsion. 
 
Suspendons, en son milieu, un bâton d'ébonite dont une extrémité a été électrisée par frottement.
 
Approchons de cette extrémité la partie électrisée, par la même méthode, d'un second bâton d'ébonite. 
 
L'interaction de ces parties électrisées se traduit par une répulsion.
 
Répétons la même expérience, en remplaçant les bâtons d'ébonite par des tiges de verre électrisées comme précédemment. 
 
Là encore l'interaction se traduit par une répulsion.
 
Dans une troisième expérience, on met en présence l'extrémité électrisée du bâton d'ébonite et celle de la tige de verre électrisée. 
 
Il en résulte, à présent, une attraction
 
 

1.2. Interprétation

Ces expériences mettent en évidence deux types d'électricité :
 
La première apparait dans le verre : c'est l'électricité vitreuse à laquelle on a attribué arbitrairement un signe positif.
 
La seconde se manifeste dans l'ébonite et d'autres résines : c'est l'électricité résineuse ; on lui a attribué un signe négatif.
 
En outre, ces expériences montrent que : 
 
$-\; $ deux corps chargés d'une électricité de même signe, positive ou négative, se repoussent ;
 
$-\ $ deux corps chargés de signes contraires s'attirent 
 
Un corps qui n'est pas chargé est neutre. 

2. La quantité de charge électrique

La quantité de charge électrique est mesurée en coulomb $(C).$
 
Comme un atome est électriquement neutre, la valeur absolue de la charge d'un électron est égale à celle d'un proton. 
 
Cette charge élémentaire, notée $e$, $$\text{vaut }e=1.602\cdot10^{-19}C.$$
 
Toute autre charge électrique $Q$ est un multiple entier de la charge élémentaire :
$$Q=ne\;,\ n\in\mathbb{Z}$$

III. Interprétation électronique de l'électrisation

1. Structure de la matière

La matière est constituée d'atomes
 
Un atome peut être considéré comme se composant de deux parties : 
 
$-\ $ un noyau, constitué de protons chargés positivement et de neutrons électriquement neutres ;
 
$-\ $ une enveloppe, appelée nuage électronique, constituée d'électrons chargés négativement 
 
 

Remarque :

Un atome électriquement neutre contient autant d'électrons que de protons, la charge des protons et des électrons étant la même en valeur absolue. 

2. Électrisation par frottement

Avant le frottement les corps sont électriquement neutres. 
 
En les frottant on agit sur les atomes situés à la surface des corps. 
 
Les électrons les moins liés sont arrachés d'un des corps et sont transférés sur l'autre. 
 
L'un des corps a un défaut d'électrons : il est chargé positivement. 
 
L'autre présente un excès d'électrons et est chargé négativement.
 
 
Un bâton d'ébonite par exemple arrache des électrons au chiffon de laine et se charge négativement.
 
Il est important de remarquer que la charge électrique ne peut être ni créée, ni détruite.
 
Les corps s'électrisent uniquement par transfert d'électrons.
 
Lorsqu'on corps est électrisé par frottement, il y a lieu un transfert de charges : les électrons les plus faiblement liés sont transférés d'un corps à l'autre. 
 
Ainsi : 
 
$-\ $ un corps chargé positivement présente un défaut d'électrons ;
 
$-\ $ un corps chargé négativement présente un excès d'électrons.

3. Électrisation par contact

Lors d'une électrisation par contact, il y a aussi un transfert de charges :
 
$-\ $ un corps chargé négativement transmet des électrons au corps initialement neutre ;
 
$-\ $ un corps chargé positivement arrache des électrons au corps initialement neutre 
 
 

4. Électrisation par influence

Lorsqu'on approche un corps chargé du corps neutre, les électrons libres sont attirés.
 
Il s'établit un déséquilibre des charges dans le corps neutre : les électrons sont en excès du côté du corps positif, ils sont en défaut du côté opposé. 
 
Il y a donc séparation des charges à l'intérieur du corps neutre.
 
La région plus près du corps chargé sera chargée négativement, le côté opposé sera chargé positivement.
 
Dès qu'on éloigne le corps chargé, les électrons se répartissent de nouveau de façon uniforme dans le corps neutre.
 
L'électroscope est électrisé par influence, les électrons sont repoussés vers la partie inférieure de l'électroscope. 
 
L'électroscope reste neutre et les électrons retrouvent leur disposition initiale si on éloigne la baguette.
 
 

Remarque :

Cette observation permet d'expliquer pourquoi des petits bouts de papier sont attirés par un corps chargé.

VI. Conducteurs et isolants électriques

1. Conducteurs 

1.1. Expérience

Électrisons par frottement (ou par contact) une règle en plexiglas. 
 
Intercalons entre la règle et la boule une tige en carbone (crayon taillé des deux bouts), posée sur un support isolant.
 
Remplaçons la tige en carbone par une tige en cuivre puis, par une tige en aluminium
 

1.1.1. Observation 

La boule est repoussée dans le cas du cuivre, de l'aluminium et du carbone.
 
La boule s'électrise positivement par contact avec les tiges en cuivre, en aluminium et en carbone.

1.1.2. Interprétation 

Par contact avec la règle en plexiglas, la tige en cuivre (ou en aluminium ou en carbone) s'électrise positivement en cédant des électrons à la règle. 
 
Ces électrons ayant quitté la tige font apparaitre une charge positive sur toute la tige.
 
La charge positive qui apparaît sur le cuivre (ou l'aluminium ou le carbone) n'est pas localisée à la zone touchée par la règle. 
 
L'extrémité de la tige, en contact avec la boule, arrache des électrons à cette dernière, l'amenant ainsi à devenir chargée positivement ce qui explique la répulsion.
 
Le cuivre, l'aluminium et le carbone sont des matériaux qui laissent circuler les électrons ; ils sont appelés des conducteurs.

1.2. Conclusion 

Les conducteurs sont des matériaux dont les charges électriques internes (électrons libres) se déplacent librement.
 
Exemples de conducteurs : tous les métaux, le carbone

2. Isolants électriques

2.1. Expérience

Reprenons la même expérience en remplaçant la tige en carbone par une autre en verre, puis en bois, puis en $P.V.C$, enfin plexiglas, $e$
 

2.1.1. Observation

La boule garde sa position dans le cas du bois, du verre, du $P.V.C$ et du plexiglas.
 
La boule ne s'électrise pas, malgré le contact avec les autres tiges.

2.1.2. Interprétation 

Le bois, le plexiglas, le verre et le $P.V.C$ sont des matériaux qui ne permettent pas une circulation des électrons (la charge électrique reste localisée au bout des tiges du côté de la règle en plexiglas) ils sont appelés des isolants.

2.2. Conclusion 

Les isolants électriques sont des matériaux dont les charges électriques internes (électrons libres) ne se déplacent pas librement.
 
Exemples d'isolants : le verre, l'ébonite, le Plexiglas, le caoutchouc, la porcelaine
 
Auteur: 
Sidy Mouhamed Ndiaye

ESP - Epreuve de Chimie - 2019

 

Exercice 1 (5 points)

On dissout dans $400\,mL$ d'eau $4.65\,g$ de $CH_{3}NH_{2}$ (masse molaire = $31\,g/mol)$ et $13.50\,g$ de $CH_{3}NH_{3}Cl$ (masse molaire = $67.46\,g/mol)$ puis on complète le volume à $500\,mL$ avec de l'eau.
 
On mesure le $pH$ et on trouve $10.48$
 
1) Calculer la valeur du $pK_{A}$ du couple $CH_{3}NH_{3}^{+}/CH_{3}NH_{2}$
 
2) Quelle est la nouvelle valeur du $pH$ si on ajoute dans cette solution sans variation de volume
 
a) $0.03$ mole de $HCl$
 
b) $0.03$ mole de $NaOH$

Exercice 2 (5 points)

Quelle masse de $MgF_{2}\ (K_{s}=7.08\cdot 10^{-9})$ peut-on dissoudre dans
 
1) $200\,mL$ d'eau pure
 
2) $200\,mL$ d'une solution contenant déjà $5\,g$ de $MgCl_{2}$
 
$M_{(MgF_{2})}=62\,g/mol\;,\quad M_{(MgCl_{2})}=95\,g/mol$

Exercice 3 (4 points)

On considère les couples rédox suivants :
$$IO_{4}^{-}/I_{2}\ (E_{0}=1.8\,V)\quad\text{et}\quad I_{2}/I^{-}\ (E_{0}=0.54\,V)$$
1) Écrire et équilibrer la réaction qui se produit spontanément lors du mélange de ces deux couples.
 
A $50\,mL$ d'une solution de $KIO_{4}$, on ajoute du $KI$ solide en excès sans variation de volume.
 
Le produit formé est dosé par du thiosulfate $S_{2}O_{3}^{2-}\;0.1\,N.$ Il a fallu verser $30.1\:mL$ pour atteindre l'équivalence.
 
$S_{4}O_{6}^{2-}/S_{2}O_{3}^{2-}\ (E_{0}=0.08\,V)$
 
2) Quelle est la molarité de $KIO_{4}\ ?$

Exercice 4 (3 points)

Combien de mole de $NaF$ faut-il introduire dans $25\,mL$ d'une solution $2\cdot 10^{-2}\,M$ de $Fe(NO_{3})_{2}$ pour complexer $80\%$ des ions $Fe^{2+}$ sous forme de $FeF^{+}\ ?$
 
Constante de dissociation $K_{D}(FeF^{+}/F^{-})=10^{-5.2}$

Exercice 5 (3 points)

Les ions $Hg^{2+}$ forment avec $NH_{3}$ un complexe stable de formule $Hg(NH_{3})_{2}^{2+}.$ La constante de formation de ce complexe est égale à $3.2\cdot 10^{17}$
 
Une solution $5\cdot 10^{-2}\,M$ de $Hg(NH_{3})_{2}^{2+}$ est initialement constituée.
 
Calculer le taux de dissociation du complexe ainsi que les concentrations à l'équilibre des $3$ espèces impliquées dans la réaction.  
 
$$\text{Durée 3 heures}$$

 

Solutions des exercices : Introduction aux sciences physiques - 4e

Classe: 
Quatrième
 

Exercice 1

Complétons les phrases suivantes :
 
Une transformation qui ne change pas la nature des corps est phénomène physique.
 
Un phénomène chimique est une transformation qui change la nature des corps.
 
Les solides , les liquides et les gaz sont les différents états de la matière.
 
Les corps qu'on peut saisir sont des solides les autres sont des liquides ou des gaz.
 
Lorsqu'on corps passe d'un état physique à un autre état, il subit un changement d'état.
 
Le passage de l'état solide à l'état liquide est appelé fusion.
 
La sublimation est le passage de l'état solide à l'état gazeux.

Exercice 2

Cochons la bonne réponse.
$$\begin{array}{|l|c|c|}\hline&\text{Phénomène}&\text{Phénomène}\\&\text{physique}&\text{chimique}\\ \hline\text{1. Combustion du bois}&&\times\\ \hline\text{2. Fusion de la glace}&\times&\\ \hline\text{3. Cuisson d'un oeuf}&&\times\\ \hline \text{4. Lumière d'une lampe à}& \times&\\ \quad\text{ incandescence}&&\\ \hline\text{5. Lumière d'une bougie}&&\times\\ \hline\text{6. Dissolution du sucre}&\times&\\ \hline\text{7. La digestion d'un aliment}&&\times\\ \hline\text{8. Le déplacement d'un objet}&\times&\\ \hline\end{array}$$

Exercice 3

Dans chacun des groupes suivants, trois éléments correspondent au même phénomène.
$$\begin{array}{|l|l|} \hline \text{Groupe 1}&\text{Groupe 2}\\ \hline \text{1. Attraction des clous en fer par}&\text{1 .Maturation des fruits}\\ \quad\text{ l’aimant.}&\\ \text{2. Chute d'un fruit mur}&\text{2. Variation de la température}\\&\quad\text{ d'un corps}\\ \text{3. Changent de couleurs des feuilles}&\text{3. Formation de la rouille}\\ \quad\text{ vertes des arbres.}&\\ \text{4. La dilatation d’un corps chauffé}&\text{4. Cuisson des aliments}\\ \hline \end{array}$$
1) Ce phénomène est appelé phénomène physique.
 
2) Trouvons l'intrus dans chaque groupe :
 
$-\ $ Groupe 1 : Changement de couleur des feuilles vertes des arbres.
 
$-\ $ Groupe 2 : Maturation des fruits 

Exercice 5 Changement d'état physique

Pour chaque corps cité dans le texte, précisons la transformation qui s'est produite.
 
$\centerdot\ $ Le camphre est un insecticide solide blanc utilisé contre les cafards.
 
Placé dans une armoire, son odeur s'y répand et on constate que son volume diminue progressivement : le camphre solide se transforme en gaz ; c'est une sublimation.
 
$\centerdot\ $ Les désodorisants solides embaument les salles de bain et leur volume diminue aussi : c'est une sublimation.
 
$\centerdot\ $ Le linge exposé au soleil ainsi que le tableau mouillé deviennent secs : l'eau liquide se transforme en gaz ; c'est une évaporation.

Exercice 6 Le cycle de l'eau

Commentons les différentes transformations que subit l'eau dans ce cycle observé sur la figure ci-dessous
 
 
En effet, l'eau des lacs, des fleuves et des mers s'évapore dans l'atmosphère sous l'action de la chaleur (lumière du soleil). Ces vapeurs d'eau forment des nuages. Le vent pousse les nuages.
 
Ensuite, ces nuages, lorsqu'ils se refroidissent, redeviennent liquide et tombent, d'où les précipitations. Ceux qui sont très froids se condensent pour devenir solide et descendent sur les montagnes : c'est la neige qui, à son tour, se fond sous l'effet de la chaleur.
 
Enfin, une partie de l'eau qui descend sur la terre s'infiltre et l'autre partie ruisselle et retourne aux lacs, aux fleuves et à la mer.

Exercice 7

Citons les critères qui permettent de distinguer un phénomène physique d'un phénomène chimique.
 
Au cours d'un phénomène physique les corps ne redeviennent pas d'autres corps même s'ils changent d'aspect : les changements d'état, la dissolution. Par contre, pour un phénomène chimique, malgré les modifications d'aspects et parfois même d'état, les substances se transforment et changent de nature, de propriétés.

Exercice 8 phénomène physique et phénomène chimique

Classons dans les deux colonnes du tableau les phénomènes ci-dessous :
 
$\centerdot\ $ L'attraction des morceaux de fer par un aimant
 
$\centerdot\ $ le pourrissement d'un fruit
 
$\centerdot\ $ l'action de l'air marin sur les objets en fer
 
$\centerdot\ $ la transformation du lait frais en lait caillé
 
$\centerdot\ $ la formation de l'arc-en-ciel
 
$\centerdot\ $ la dilatation d'une barre de fer
 
$\centerdot\ $ la combustion du charbon de bois
 
$\centerdot\ $ l'ébullition de l'eau
 
$\centerdot\ $ la mise en mouvement d'un ballon de basket
 
$$\begin{array}{|l|l|}\hline \text{Phénomène}&\text{Phénomène}\\ \text{physique}&\text{chimique}\\ \hline\text{L'attraction des morceaux}&\text{le pourrissement}\\\text{de fer par un aimant}&\text{d'un fruit}\\&\\ \text{la formation de}&\text{l'action de l'air marin}\\ \text{l'arc-en-ciel}&\text{sur les objets en fer}\\&\\ \text{la dilatation d'une}&\text{la transformation du lait}\\ \text{barre de fer}&\text{frais en lait caillé}\\&\\ \text{l'ébullition de l'eau}&\text{la combustion du}\\&\text{charbon de bois}\\&\\ \text{la mise en mouvement}&\\ \text{d'un ballon de basket}&\\ \hline \end{array}$$

Exercice 9

Relevons les phénomènes chimiques et les phénomènes physiques.
 
Préparation du café
 
$-\ $ Phénomènes chimiques : allumer le gaz
 
$-\ $ Phénomènes physiques : bouillir l'eau, dissoudre quelques morceaux de sucre et du café en poudre.
 
Une ménagère imprudente
 
$-\ $ Phénomènes chimiques : allumer un feu de bois, la vapeur d'huile s'enflamme.
 
$-\ $ Phénomènes physiques : bouillir l'huile.

Exercice 10

Précisons l'état physique de la matière dans chacun des cas ci-dessous.
 
1) La matière est fluide : liquide ou gazeux
 
2) Elle peut fondre : solide
 
3) Elle coule : liquide
 
4) Elle est expansible : gaz
 
5) Elle se vaporise : liquide
 
6) Elle prend la forme du récipient qui la contient : liquide

Exercice 11

Répondons par vrai $(V)$ ou faux $(F)$ les affirmations suivantes
 
1) L'ébullition est le passage de l'état liquide à l'état vapeur. $(V)$
 
2) Au cours d'un changement d'état, la température d'un corps varie. $(F)$
 
3) La sublimation est le passage de l'état gazeux à l'état liquide. $(F)$
 
4)Au-dessus de $100^{\circ}\,C$ tous les corps sont à l'état gazeux. $(F)$
 
5) Certains corps solides peuvent passer directement de l'état solide à l'état gazeux. $(F)$
 
6) La buée d'eau correspond à l'état gazeux. $(F)$
 
7) Aucun corps ne peut bouillir en dessous de $100^{\circ}\,C.\ (F)$

Exercice 12

Recopions les schémas et complétons-les :
 
$$\begin{array}{rcl}&\underleftarrow{\text{sublimation}}&\\ \boxed{\text{gaz}}&&\boxed{\text{solide}}\\&\overrightarrow{\text{condensation}}&\end{array}$$
 
$$\begin{array}{rcl}&\underleftarrow{\text{solidification}}&\\ \boxed{\text{solide}}&&\boxed{\text{liquide}}\\&\overrightarrow{\quad\text{     fusion     }\quad}&\end{array}$$
 
$$\begin{array}{rcl}&\underrightarrow{\text{liquéfaction}}&\\ \boxed{\text{gaz}}&&\boxed{\text{liquide}}\\&\overleftarrow{\text{vaporisation}}&\end{array}$$
 
 

Auteur: 
Aliou ndiaye

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