Sujet Bac Blanc Physique Chimie #2 - Bac S

Sujet Bac Blanc Physique Chimie #2 - Bac S

Entraînez-vous à l'épreuve de Physique Chimie avec ce Bac Blanc créé par notre professeur.

Le sujet de ce Bac Blanc de Physique Chimie est composé de 2 exercices de physique et 1 exercice de chimie sur l'étude d'un mouvement, l'effet de masquage en psychoacoustique, et la teneur en cuivre d'une pièce de 5cts.

RDV le 4 Avril pour le corrigé écrit et le 6 Avril de 18h à 19h pour la correction vidéo en live sur YouTube avec notre professeur, l'occasion de lui poser toutes vos questions !

Sujet Bac Blanc Physique Chimie #2 - Bac S

Le contenu du document


EXERCICE 1 (9 POINTS)

UN PEU DE FOOTBALL, LE TIR AU BUT PANENKA

Au football, la « Panenka » est une technique particulière pour tirer un tir au but « penalty ». Au lieu de frapper en force le ballon, le joueur frappe sans élan une pichenette du coup de pied en visant le centre du but, généralement juste sous la barre transversale afin de piéger le gardien adverse. 

La panenka tient son nom du footballeur international tchécoslovaque Antoin Panenka. Son geste de frappe est devenu célèbre lors de la finale de la Coupe d'Europe des Nations de 1976, où la Tchécoslovaquie battait la République Fédérale d’Allemagne aux tirs aux buts. Une fameuse panenka a également été réussie par Zinédine Zidane en finale de la Coupe du monde 2006 face à l'Italie.

La panenka reste un geste risqué car en visant la position du gardien d'une frappe molle, le tireur doit escompter que celui-ci plonge par anticipation d'un côté ou de l'autre. Si ce n'est pas le cas, le gardien peut capter le ballon sans difficulté et ainsi le tir est raté. 

Les buts sont constitués de deux montants verticaux (poteaux) reliés en leur sommet par une barre transversale. Le bord inférieur de la barre transversale se situe à une hauteur de 2,44 m par rapport au sol. Pour que le tir soit réussi, le ballon doit franchir la ligne de but en passant entre les montants verticaux du but et sous la barre transversale (comme montré dans la figure ci-dessous). D’après Bac S Antilles-Guyane 2015

Étude du mouvement d'un ballon - Exercice Bac Blanc Physique Chimie

 

Partie A : Etude du mouvement du ballon lors d’un tir au but « penalty »

Lors d’un match de football, un penalty est sifflé par l’arbitre. Le joueur en charge de l’exécuter décide de réaliser une « Panenka ». Il dépose le ballon au point « O », pris comme origine du repère, et il le frappe en direction du milieu de la ligne de but avec une vitesse (V_0 ) ⃗ de 11,5 m.s-1 faisant un angle α de 55 ° avec l’axe Ox dans le plan (Ox, Oz)

Données

- Le point de tir au but « O » se situe à 11 m du milieu de la ligne de but à égale distance de des montants verticaux de but.

- Intensité de la pesanteur g = 9,81 N.Kg-1

- La masse du ballon est m = 620 g.

- Lors du déplacement du ballon, les forces de frottement de l’air sur le ballon ainsi que la poussée d’Archimède sont négligées


Questions

A.1 : Représenter dans un repère orthonormé (Ox, Oz), sans souci d’échelle, la situation du tir au but en faisant apparaitre la vitesse (V0) l’angle α, la hauteur h des montants verticaux et la distance d entre le point de penalty et la ligne de but.


A.2 : Soit A (xA; zA) le point ou le ballon se situe une fois qu’il a franchit la ligne de but. Quelles conditions doivent satisfaire a et b pour que le tir au but soit réussi ? Justifier


A.3 : 

A.3.1 : Enoncer la deuxième loi de Newton

A.3.2 : En appliquant la deuxième loi de Newton sur le centre d’inertie G du ballon, donner l’expression du vecteur accélération a.

A.3.3 : Exprimer les composantes Vx  et Vz du vecteur vitesse (V0) en fonction de V0 et de l’angle α.

A.3.4 : Etablir les équations horaires x(t) et z(t)

A.3.5 : En déduire l’équation de la trajectoire du mouvement du ballon dans le repère (Ox, Oz)


A.4 : En se basant sur les données de l’exercice, le tir de but « panenka », réalisé par le joueur, est-il réussi ? Une justification par le calcul est demandée.


A.5 : Déterminer la valeur de la vitesse V du ballon au niveau de la ligne de but.


PARTIE B : ETUDE ENERGETIQUE DU BALLON LORS DE SON MOUVEMENT

On admet que le ballon passe au niveau de la ligne de but à une hauteur H, déterminée précédemment.


Questions

B.1 : Rappeler les expressions de l’énergie cinétique (Ec), de l’énergie potentielle de pesanteur (Epp) et de l’énergie mécanique (Em) en précisant l’unité de chaque paramètre.


B.2 : En explicitant votre raisonnement, associer à chaque courbe du document 1 ci-dessous la forme d’énergie correspondante. Pour l’énergie potentielle, on choisira l’axe Oz avec une énergie potentielle de pesanteur nulle à l’origine.


B.3 : À l’aide du document 1, retrouver les valeurs de la hauteur H et de la vitesse V lorsque le ballon est au niveau de la ligne de but.


B.4 : Conclure sur l’énergie mécanique du ballon lors de son mouvement ? Utiliser cette caractéristique du mouvement pour retrouver la valeur V de la vitesse du ballon lorsqu’il est au niveau de la ligne de but et comparer le résultat trouvé avec celui de la question B.3. Que peut-on conclure ?

Énergie mécanique d'un ballon lors d'un mouvement - Exercice Physique Bac S


PARTIE C : UN TIR AU BUT PANENKA RATE LORS DE SON EXECUTION

Dans un le même match, un joueur rate son tir au but lors de son exécution à partir du point « O » pris comme origine du repère. En effet, au lieu de le tirer vers le milieu de la ligne de but, il le tir vers la droite de cette ligne dans le plan du terrain de football (le ballon ne monte pas en hauteur). 

La vitesse au moment de la frappe est (V1) de 12 m.s-1 faisant un angle de 30° avec l’axe Ox dans le plan du terrain de football.

Prenant comme axe Oy, l’axe perpendiculaire à Ox dans le plan du terrain et dirigé vers la droite de la ligne de but (du même côté que le vecteur vitesse (V1)).


Questions

C.1 : Représenter, sans soucis d’échelle, la situation de tir au but dans ce cas et déterminer les valeurs de V1x  et V1y, les composantes du vecteur vitesse (V1) dans le repère (Ox, Oy).


C.2 : Sachant que la vitesse du ballon est considérée constante lors de son mouvement, établir les équations horaires x(t) et y(t) et en déduire l’équation de la trajectoire du ballon dans le repère (Ox, Oy).


C.3 : Si on ne tient pas compte de la présence du gardien de but, le joueur réussira-t-il son tir, sachant que le but mesure 7,32 m de largeur (cette distance correspond à celle de la ligne de but) ? Une justification par un calcul est demandée.

C.4. En pratique, la vitesse du ballon n’est pas constante et elle diminue à cause des frottements au sol lors de son mouvement. La vitesse mesurée au niveau de la ligne de but est 20 % de moins que la vitesse (V1).

En utilisant le théorème de l’énergie mécanique, déterminer le travail des forces de frottements au sol. En déduire la valeur de ces forces en newton.


Exercice 2 (5 points)

La psychoacoustique : l’effet de masquage 

Les oreilles captent les sons et le cerveau les interprète. La psychoacoustique est la science qui étudie l'interprétation des sons par le cerveau. 

Un des effets de la psychoacoustique est l’effet de masquage, c’est un son qui va masquer un autre son.

Si deux sons purs sont écoutés simultanément, le plus intense, appelé son masquant, peut créer une gêne sur la perception du second, le son masqué. Il peut même le rendre inaudible. 

Dans la suite, nous allons étudier une mise en évidence du phénomène psychoacoustique appelé « effet de masquage »


Le seuil d’audibilité humaine, exprimé en niveau d’intensité sonore, dépend de la fréquence comme montré dans la figure ci-dessous :

Niveau intensité sonore et fréquence - Exercice physique Terminale S

Par exemple, un son de fréquence 80 Hz doit avoir un niveau sonore supérieur à 30 dB pour être audible.


En présence d’un son masquant, le seuil d’audibilité humaine est modifié. La Figure ci-dessous montre l’évolution du seuil d’audibilité humaine en présence d’un son masquant de niveau d’intensité sonore de 55 dB et fréquence de 1 kHz. 


Dans cette figure, sont montrées les valeurs minimales de niveau d'intensité sonore audible en fonction de la fréquence lorsque le son est écouté simultanément avec un son pur de fréquence 1 kHz et de niveau d’intensité sonore 55 dB. 

Exercice intensité sonore et fréquence - Physique Terminale S

Données

- Intensité sonore de référence I0 = 1,0.10-12 W.m-2.

- Vitesse du son dans l’air : V = 340 m.s-1


PARTIE D : A LA RECHERCHE D’UNE FREQUENCE FONDAMENTALE

Le cerveau a la capacité de reconstituer certaines informations manquantes pour construire une perception auditive interprétable. C'est le cas pour un son musical dont on perçoit la hauteur bien que sa fréquence fondamentale ait été supprimée.

Un son joué par un piano est numérisé puis transmis. Son spectre après réception est donné ci-dessous. La composante spectrale correspondant à la fréquence fondamentale a été supprimée au cours d'un traitement spécifique du signal (voir la figure ci-dessous) :

Questions

D.1 : A quoi correspondent-ils les différents pics dans la figure précédente ?

D.2 : Déterminer la fréquence fondamentale du son joué par le piano. Justifier votre réponse


PARTIE E : EFFET DE MASQUAGE : LE CODAGE MP3

Le format MP3 exploite l'effet de masquage pour compresser l'enregistrement numérique d'un signal sonore. Cela consiste à réduire l'information à stocker sans trop dégrader la qualité sonore du signal. La compression de l'enregistrement permet donc de réduire la taille du fichier d'un enregistrement musical. 

Le spectre fréquentiel de la note La3 jouée par une flûte traversière dans un environnement silencieux est donné ci-dessous.

La flûte joue la note La3 en présence d'un son masquant de fréquence 1 kHz et de niveau d'intensité sonore de 55 dB. L’enregistrement numérique du signal sonore est compressé au format MP3.


Questions

E.1 : En utilisant une des figures de l’exercice que l’on précisera, déterminer le niveau d'intensité sonore minimal pour qu'un son de fréquence 800 Hz soit audible en présence d'un son masquant de fréquence 1 kHz et de niveau sonore 55 dB.


E.2 : En Etudiant chaque pic du spectre fréquentiel de la note La3, déterminer celui ou ceux qui seront éliminés par le codage MP3.


PARTIE F : EFFET DE MASQUAGE LORS DU PASSAGE D’UN TRAIN

Dans une ambiance sonore calme deux personnes conversent à un mètre l’une de l’autre. L’auditeur perçoit la parole de l’orateur avec un niveau d’intensité sonore égal à 50 dB.

Un train passe. La parole de l’orateur est masquée par le bruit du train. On suppose que dans ces conditions, le bruit du train masque toutes les fréquences audibles. On admettra que le niveau d’intensité sonore minimal audible de la parole, en présence du train, est égal à 60 dB quelle que soit la fréquence. Pour être entendu, l’orateur parlera plus fort ou se rapprochera de son auditeur.


Questions

F.1 : L’orateur ne se rapproche pas mais parle plus fort. Là où se trouve l’auditeur, le niveau d’intensité sonore est de 70 dB, déterminer s’il perçoit le son. 


F.2 : Si l’orateur ne parle pas plus fort mais se rapproche de l’auditeur, à quelle distance de l’auditeur devra-t-il se placer pour être audible ? Une justification par un calcul est demandée.

Pour une source isotrope (c'est-à-dire émettant de la même façon dans toutes les directions), l’intensité sonore en un point situé à une distance d de la source est inversement proportionnelle à d2.

C'est-à-dire que l’intensité sonore  I=k/d2 où k est une constante.


Exercice 3 (6 points) : Pièce de 5 centimes d’euro et sa teneur en Cuivre

La pièce de 5 centimes d’euro est composée d’un centre en acier (constitué essentiellement de fer et de carbone) entouré de cuivre. Elle a un diamètre de 21,25 mm, une épaisseur de 1,67 mm et une masse de 3,93 g.

On cherche par une méthode spectrophotométrique à déterminer la teneur en cuivre d’une telle pièce. 

Le cuivre, de masse molaire 63,5 g.mol-1, est un métal qui peut être totalement oxydé en ions cuivre (II) par un oxydant puissant tel que l’acide nitrique selon la réaction d’équation :

3Cu(s) + 8 H+(aq) + 2NO3-(aq) → 3Cu2+(aq) + 4H2O(l) + 2NO(g)

Les ions cuivre (II) formés se retrouvent intégralement dissous en solution. Le monoxyde d’azote NO est un gaz peu soluble.

En pratique, on dépose une pièce de 5 centimes dans un erlenmeyer de 100 mL, on place cet erlenmeyer sous la hotte et on met en fonctionnement la ventilation.

Équipé de gants et de lunettes de protection, on verse dans l’erlenmeyer 20 mL d’une solution d’acide nitrique d’une concentration environ égale à 7 mol.L-1.

La pièce est alors assez vite oxydée et on obtient une solution notée S1.

On transfère intégralement cette solution S1 dans une fiole jaugée de 100 mL et on complète cette dernière avec de l’eau distillée jusqu’au trait de jauge. On obtient une solution S2 qui contient également des ions fer (III) provenant de la réaction entre l’acide nitrique et le fer contenu dans le centre d’acier de la pièce.

L’absorbance de la solution S2 à 800 nm est mesurée, elle vaut 0,575.


Document 2 : Spectres d’absorption des ions cuivre (II) et fer (III) dans l’eau

On donne ci-dessous les spectres d’absorption d’une solution d’ions cuivre (II) et d’une solution d’ions fer (III), ainsi qu’un tableau reliant longueur d’onde d’absorption et couleur complémentaire. Le « blanc » a été fait avec de l’eau pure.


Document 3 : Courbe d’étalonnage

Tableau donnant l’absorbance A à 800 nm de solutions aqueuses contenant des ions cuivre (II), obtenues à partir de divers échantillons de métal cuivre pur :


Document 4: Incertitude sur un mesurage

On rappelle les différentes formules intervenant dans la détermination de l‘incertitude sur le résultat du mesurage d’un ensemble de n valeurs {x1, x2 … xn} :

avec : k=1 pour un niveau de confiance de 68%

k=2 pour un niveau de confiance de 95%

k=3 pour un niveau de confiance de 98%


Questions

G.1 : Déterminer, en argumentant votre réponse, les couleurs attendues pour une solution d’ions cuivre (II) et pour une solution d’ions fer (III). Pour quelle raison choisit-on de travailler à une longueur d’onde de 800 nm ?


G.2 : On fait subir à différents échantillons de métal cuivre pur le même traitement que celui décrit ci-dessus pour la pièce. On obtient alors des solutions d’ions cuivre (II) dont on mesure l’absorbance à 800 nm.

Montrer, en utilisant le document 3 et un papier millimétré à rendre avec la copie, que la loi de Beer-Lambert est vérifiée pour ces solutions d’ions cuivre (II).


G.3 : Déterminer la masse de cuivre contenue dans la pièce de 5 centimes d’euro. En déduire la teneur (ou « pourcentage massique ») en cuivre dans la pièce.


G.4 : 10 groupes d’élèves ont déterminé expérimentalement la masse de cuivre présente dans 10 pièces de 5 centimes de même masse. Leurs résultats sont montrés dans le tableau ci-dessous :

G.4.1 : Déterminer, grâce aux valeurs trouvées par les élèves et en utilisant le document 4, l’incertitude élargie (pour un niveau de confiance de 95 %) sur la mesure de la masse de cuivre dans une pièce.


G.4.2 : En déduire l’intervalle dans lequel devrait se situer le résultat du mesurage de la masse de cuivre avec un niveau de confiance de 95 %. Conclure sur la masse de cuivre dans une pièce de 5 centimes, déterminée précédemment par étalonnage.

Fin de l'extrait

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