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Terminale S Partie a : Observer : Ondes et matière. 1

Devoir surveillé n°1 / 40 pts

Membre d'un groupe de rock et trğs intĠressĠ par la nature et la propagation du son, Julien utilise la physique pour comprendre les phénomènes qui l'entoure.

EXERCICE I : LES ONDES SONORES / 15 pts

Julien lit un article sur la ǀitesse du son et la tempĠrature de l'air ambiant.

Il s'interroge sur le tableau ci-contre :

1. CĠlĠritĠ de l'onde sonore : première méthode.

Deux microphones M1 et M2 sont alignés de telle manière que la distance M1M2 vaut 2,00 m. Les signaux électriques correspondant

aux sons reçus par les microphones sont enregistrés grâce à un ordinateur. Julien donne un coup de

cymbale devant le premier micro M1 puis lance immĠdiatement l'enregistrement. La tempĠrature de

la pièce est de 10°C. Les courbes obtenues sont représentées ci-après.

1.1. Comment peut-on déterminer la cĠlĠritĠ de l'onde sonore ă l'aide des courbes obtenues ?

1.2. Effectuer le calcul de la cĠlĠritĠ de l'onde sonore pour la distance M1M2.

1.3. Calculer le pourcentage d'erreur sur la mesure.

Tension U (V)

Microphone M1

t (s)

Tension U (V)

Microphone M2

t (s) Terminale S Partie a : Observer : Ondes et matière. 2

2. CĠlĠritĠ de l'onde : deuxième méthode.

Julien dispose maintenant les deux microphones M1 et M2 ă la mġme distance d d'un diapason. Il obtient les

courbes représentées ci-dessous. On remarque que les signaux sont en phase.

2.1. Déterminer la période puis la fréquence du son émis par le diapason.

phase. La distance D entre les deux microphones est alors égale à 3,86 m.

2.4. Calculer alors la célérité de l'onde.

EXERCICE II : LA CONSERVATION DU FOIN / 12pts.

La production de foin sec peut être rendue difficile quand les pluies sont fréquentes et que le foin est conditionné encore humide. L''utilisation d'une molĠcule notĠe y peut servir d'agent de conservation en protégeant le foin de la moisissure quand il est mis en balles ă des teneurs en eau trop ĠleǀĠes. C'est un fongicide inhibant la croissance des micro-organismes aérobies qui peuvent provoquer l'échauffement et la moisissure. On pulvérise sur le foin une solution contenant la molécule X à son entrée dans la presse ă foin, aǀant la mise en forme des balles. Conseil d'utilisation ͗ pulvériser la quantité d'acide adaptée à la teneur en eau pour que le traitement soit efficace.

1. Identification de la molécule X.

Pour identifier la molécule X, on exploite les spectres IR et de RMN.

Balles de foin en attente de stockage

Microphone M1

Microphone M2

t (ms) t (ms) Terminale S Partie a : Observer : Ondes et matière. 3

Spectre IR de la molécule X

Transmittance (en %)

Nombre d'onde ʍ (cm-1) Source : www.sciences-edu.net Données : table de données pour la spectroscopie IR Famille Liaison Nombres d'onde (cm-1) Largeur de bandes d'absorption cétone C = O 1705 - 1725 fine aldéhyde C - H C = O

2700 - 2900

1720 - 1740

fine fine acide carboxylique O - H C = O

2500 - 3200

1700 - 1730

large fine ester C = O 1730 - 1750 fine alcool O - H 3200 - 3450 large Spectre simulé de RMN du proton de la molécule X

Intensité du signal (%)

Déplacement chimique (ppm)

Source : www.sciences-edu.net

Terminale S Partie a : Observer : Ondes et matière. 4

1.1. Pour déterminer la structure de la molécule X, choisir la (ou les) bonne(s) réponse(s) parmi les affirmations

ci-dessous. Justifier ă l'aide de ǀos connaissances et des documents fournis.

1.1.1. La molécule X appartient à la famille des :

a. cétones. b. aldéhydes. c. acides carboxyliques. d. esters. e. alcools.

1.1.2. La molécule X contient :

b. 3 atomes ou groupes d'atomes d'hydrogène équivalents. a. n'a pas d'hydrogğne ǀoisin. b. a un hydrogène voisin. c. a deux hydrogènes voisins. d. a trois hydrogènes voisins.

1.1.4. Une molécule X contient :

a. 5 atomes d'hydrogğne. b. 6 atomes d'hydrogğne. c. 7 atomes d'hydrogğne.

1.2. Identifier, en justifiant la réponse, la molécule X parmi les molécules suivantes :

Molécule A Molécule B Molécule C

Molécule D Molécule E Molécule F

1.3. Donner le nom de la molécule X dans la nomenclature officielle.

1.4. La masse molaire moléculaire de la molécule X est de 74,0 g.mol-1 . Est-elle compatible avec votre choix à

la question 1.2. ?

Données : masses molaires atomiques : M(H) = 1,0 g.mol-1 ; M(C) = 12,0 g.mol-1 ; M(O) = 16,0 g.mol-1;

O CH CH2 CH3 CH3 O C CH2 CH3 OH CH2 CH2 CH3 OH O C CH2 CH3 OH CH3 CH CH3 OH O C CH3 CH CH3 Terminale S Partie a : Observer : Ondes et matière. 5

EXERCICE III ² Sonorisation / 9 pts.

1. L'installation sonore

Un équipement 5.1 signifie que " 5 » haut-parleurs (enceintes) sont utilisés pour retranscrire les voix, les musiques et les effets sonores (alimentés par 5 signaux différents) et que " 1 » caisson de graves est utilisé pour retranscrire les sons très graves (explosions dans un film par exemple). Les enceintes sont disposées comme sur le schéma ci-dessous. Le caisson de

Échelle des niveaux sonores

L'intensitĠ sonore de rĠfĠrence pour le calcul d'un niǀeau sonore ǀaut : I0 = 1,0 × 10-12 W.m-2.

L'installation est alors parfaitement équilibrée.

Pour finaliser ses réglages, il met en marche simultanément les cinq enceintes (le caisson de graves restants

éteints).

Le son produit présente-t-il un danger pour l'audition du technicien ? Rappel : les niveaux sonores ne s'additionnent pas, seuls les intensitĠs sonores s'additionnent.

2. La télécommande

Pour piloter les différents appareils, on utilise une ou plusieurs télécommandes équipées de diodes qui

Terminale S Partie a : Observer : Ondes et matière. 6 Notice technique de la diode de la télécommande

Modèle LTE5228A

Angle d'ouǀerture 40°

Tension 1,2 V

Fréquence émise 3,10 × 1014 Hz

Intensité lumineuse 5 mW/Sr

5 mm

Donnée : La valeur de la célérité de la lumière dans le vide est supposée être connue du candidat.

2.1. Quelle est la principale différence entre une onde mécanique et une onde électromagnétique ?

à un rayonnement infrarouge.

EXERCICE IV : Pour terminer en beauté / 4pts.

Interpréter le spectre RMN

Terminale S Partie a : Observer : Ondes et matière. 7 Correction du devoir surveillé n°1 ² Septembre 2017 /40 pts

EXERCICE I : LES ONDES SONORES / 15 pts

1. CĠlĠritĠ de l'onde sonore : première méthode (6pts).

1.1. ++ Les courbes montrent que le micro 2 capte le son de la cymbale avec du retard par rapport au micro 1.

Plus le micro est loin de la cymbale, plus le son atteint le micro tardivement. v = d

où v est la célérité, d la distance entre les deux micros considérés et le retard de perception du son

entre les 2 micros.

1.2. v =

M M M M

1 2 1 2

9.6 cm AE 0,020s

2.8 cm AE s

= (2.80,020)/9.6 = 5.810-3 s + v = 2.00/(5.8.10-3) = 342.8 m/s v = 3,4102 m.s-1 ++

1.3. A 10 °C, la vitesse est de de 337,5 m/s.

% erreur = (337,5 - 342.8)/337,5 = 1.7 % +

2. CĠlĠritĠ de l'onde : deuxième méthode (9pts).

2.1. 10 ms AE 8.5 cm

4T AE 7.7 cm

T = (107.7) / (8.54)

T = 2,26 ms = 2,3 ms = 2,310-3 s ++

f = 1/T f = 1/( 2.3.10-3)= 441.5 Hz = 4,4102 Hz +

2.2. Pour plusieurs retours de phase, la distance mesurĠe est plus grande, alors l'erreur relatiǀe sur la mesure

de la distance est plus faible. +

2.3. La longueur d'onde est la plus faible distance entre deuǆ points dans le mġme Ġtat ǀibratoire. +

D = 5. soit = D/5

= 3,86/5 = 0,772 m ++

2.4. = v.T soit v = ( / T) +

v = 0.072/(2.3.10-3) = 3,4102 m.s-1 +

EXERCICE II - LA CONSERVATION DU FOIN /12pts

1.1.1. (++) La molécule X appartient à la famille des acides carboxyliques. Réponse c.

On observe, dans le spectre IR, la bande très large correspondant à la liaison O-H des acides carboxyliques (entre

2500 et 3200 cm-1) ainsi que la bande fine correspondant à la liaison C=O des acides carboxyliques (entre 1700

et 1730 cm-1).

8.5 cm

4 T (7.7 cm)

4.9 cm

Terminale S Partie a : Observer : Ondes et matière. 8 spectre de RMN comporte 3 signaux.

1.1.3. (++) En utilisant la règle du (n+1)-uplet sur la multiplicitĠ d'un signal, un atome ou groupe d'atomes

a. n'a pas d'hydrogène voisin. VRAI ͗ il s'agit du singulet à 12 ppm b. a un hydrogène voisin. FAUX ͗ il n'y a pas de doublet dans le spectre (non demandé). c. a deux hydrogènes voisins. VRAI ͗ il s'agit du triplet proche de 1,1 ppm d. a trois hydrogènes voisins. VRAI ͗ il s'agit du quadruplet autour de 2,4 ppm

1.1.4. (++) Réponse b : La molécule X contient 6 atomes d'hydrogğne.

313hh
et 212hh
et que la hauteur totale d'intĠgration ǀaut enǀiron 16h

1 2 3 16h h h h

Le nombre total d'atomes d'hydrogğne est donc un multiple de 6 : seule la réponse b est possible.

1.2. (++) La molécule X est un acide carboxylique donc les formules D et F sont possibles.

De plus, la molĠcule possğde 6 atomes d'hydrogğne ͗ c'est le cas de D mais pas de F. Rq : On peut vérifier que la structure de la molécule est conforme avec les signaux :

1.3. (+) Le nom de la molécule X dans la nomenclature officielle est acide propanoïque

1.4. (+)

( ) ( ) ( ) ( )3 6 2M C H O 3 M C 6 M H 2 M O -( ) , , , , .1

3 6 2M C H O 3 12 0 6 10 2 16 0 74 0 gmol

La valeur donnée est donc bien compatible avec la question 1.2.

O-Hacide carboxylique

C=O OH O C CH2

CH3 Singulet (1H) Triplet (3H)

Quadruplet (2H)

Terminale S Partie a : Observer : Ondes et matière. 9

EXERCICE III : Les ondes sonores. / 9 pts

1. L'installation sonore 5 pts

L1 = 70 dB.

L1 = 10 log

1 0 I I soit 11 0 log10 LI I soit 7,0 = log (I1/Io) soit 107 = I1/Io et I1 = 1,0×10-12 × 107 = 1,0×10-5 W.m-2. +++

DĠterminons le niǀeau d'intensitĠ sonore L5 qui correspond au fonctionnement simultané des cinq enceintes.

L5 = 10 log

5 0 I I = 10 log 1 0 5I I = 10×log 5

125 1,0 10

1,0 10

u = 77 dB ++

Ce niǀeau s'intensitĠ sonore est infĠrieur au seuil de danger de 85 dB, il ne présente pas de danger pour

l'audition du technicien.

2. La télécommande 4 pts

onde électromagnétique.

2.2. +++ La notice technique indique la fréquence du rayonnement émis par la diode f = 3,10×1014 Hz.

v , pour une onde électromagnétique v = c, ainsi Ȝ = c 8

143,00 10

3,10 10

u = 9,68×10-7 m = 968 nm > 800 nm donc effectivement cela correspond à un rayonnement infrarouge. EXERCICE IV : Pour terminer en beauté / 4pts.

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Devoir surveillé n°1 / 40 pts

EXERCICE I : LES ONDES SONORES / 15 pts

Il s'interroge sur le tableau ci-contre :

1. CĠlĠritĠ de l'onde sonore : première méthode.

1.1. Comment peut-on déterminer la cĠlĠritĠ de l'onde sonore ă l'aide des courbes obtenues ?

1.2. Effectuer le calcul de la cĠlĠritĠ de l'onde sonore pour la distance M1M2.

1.3. Calculer le pourcentage d'erreur sur la mesure.

Tension U (V)

Microphone M1

Tension U (V)

Microphone M2

2. CĠlĠritĠ de l'onde : deuxième méthode.

2.1. Déterminer la période puis la fréquence du son émis par le diapason.

2.4. Calculer alors la célérité de l'onde.

EXERCICE II : LA CONSERVATION DU FOIN / 12pts.

1. Identification de la molécule X.

Balles de foin en attente de stockage

Microphone M1

Microphone M2

Spectre IR de la molécule X

Transmittance (en %)

2700 - 2900

1720 - 1740

2500 - 3200

1700 - 1730

Intensité du signal (%)

Déplacement chimique (ppm)

Source : www.sciences-edu.net

1.1. Pour déterminer la structure de la molécule X, choisir la (ou les) bonne(s) réponse(s) parmi les affirmations

1.1.1. La molécule X appartient à la famille des :

1.1.2. La molécule X contient :

1.1.4. Une molécule X contient :

1.2. Identifier, en justifiant la réponse, la molécule X parmi les molécules suivantes :

Molécule A Molécule B Molécule C

Molécule D Molécule E Molécule F

1.3. Donner le nom de la molécule X dans la nomenclature officielle.

1.4. La masse molaire moléculaire de la molécule X est de 74,0 g.mol-1 . Est-elle compatible avec votre choix à

EXERCICE III ² Sonorisation / 9 pts.

1. L'installation sonore

Échelle des niveaux sonores

éteints).

2. La télécommande

Modèle LTE5228A

Angle d'ouǀerture 40°

Tension 1,2 V

Fréquence émise 3,10 × 1014 Hz

Intensité lumineuse 5 mW/Sr

2.1. Quelle est la principale différence entre une onde mécanique et une onde électromagnétique ?

à un rayonnement infrarouge.

Interpréter le spectre RMN

EXERCICE I : LES ONDES SONORES / 15 pts

1. CĠlĠritĠ de l'onde sonore : première méthode (6pts).

1.1. ++ Les courbes montrent que le micro 2 capte le son de la cymbale avec du retard par rapport au micro 1.

1.2. v =

M M M M

1 2 1 2

9.6 cm AE 0,020s

2.8 cm AE s

1.3. A 10 °C, la vitesse est de de 337,5 m/s.

2. CĠlĠritĠ de l'onde : deuxième méthode (9pts).

2.1. 10 ms AE 8.5 cm

4T AE 7.7 cm

T = (107.7) / (8.54)

T = 2,26 ms = 2,3 ms = 2,310-3 s ++

2.2. Pour plusieurs retours de phase, la distance mesurĠe est plus grande, alors l'erreur relatiǀe sur la mesure

2.3. La longueur d'onde est la plus faible distance entre deuǆ points dans le mġme Ġtat ǀibratoire. +

D = 5. soit = D/5

2.4. = v.T soit v = ( / T) +

EXERCICE II - LA CONSERVATION DU FOIN /12pts

1.1.1. (++) La molécule X appartient à la famille des acides carboxyliques. Réponse c.

2500 et 3200 cm-1) ainsi que la bande fine correspondant à la liaison C=O des acides carboxyliques (entre 1700

8.5 cm

4 T (7.7 cm)

4.9 cm

1.1.3. (++) En utilisant la règle du (n+1)-uplet sur la multiplicitĠ d'un signal, un atome ou groupe d'atomes

1.1.4. (++) Réponse b : La molécule X contient 6 atomes d'hydrogğne.

1 2 3 16h h h h

1.2. (++) La molécule X est un acide carboxylique donc les formules D et F sont possibles.

1.3. (+) Le nom de la molécule X dans la nomenclature officielle est acide propanoïque