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Devoir surveillé n°1 – semestre 1 – Physique-Chimie – Tronc commun scientifique (modèle 1)

Devoir surveillé original pour le Tronc commun scientifique, en 1 h 30 avec calculatrice. Chimie (7 points) : espèces chimiques naturelles et synthétiques, tests d'identification, extraction par solvant et chromatographie. Physique (13 points) : gravitation universelle, poids et intensité de pesanteur, ordres de grandeur, actions mécaniques et pression.

NiveauTronc commun scientifique
MatièrePhysique-Chimie
Semestresemestre 1
DevoirContrôle n° 1
Durée1 h 30 min
Barèmesur 20
LeçonsLes espèces chimiques, Extraction, séparation et identification d'espèces chimiques, La gravitation universelle, Exemples d'actions mécaniques
ProgrammeMEN – Orientations pédagogiques et programmes de physique-chimie, cycle secondaire qualifiant (2007) ; MEN, Direction des curricula – « وثيقة مرجعية في شأن تكييف البرامج الدراسية – سلك التعليم الثانوي التأهيلي » (janvier 2024), programme de physique-chimie du Tronc commun scientifique

Devoirs modèles rédigés par l'équipe Wadifa Info, conformes au programme officiel, non officiels.

Énoncé

Chimie – Exercice 1 : les espèces chimiques (3 pts)

  1. Définir une espèce chimique. (0,5 pt)
  2. Classer les espèces suivantes en espèces naturelles et espèces synthétiques : la caféine extraite des grains de café ; le nylon ; le saccharose extrait de la canne à sucre ; le paracétamol d'un comprimé ; la vitamine C présente dans le jus d'orange ; le polystyrène. (1,5 pt)
  3. Indiquer le test qui permet d'identifier : a) l'eau ; b) le dioxyde de carbone ; c) le dioxygène. Préciser à chaque fois le résultat observé. (1 pt)

Chimie – Exercice 2 : extraction et chromatographie (4 pts)

Par hydrodistillation de feuilles d'eucalyptus, on obtient un distillat formé d'eau et d'une petite quantité d'huile essentielle riche en eucalyptol. Pour récupérer l'huile, on réalise une extraction par solvant. On dispose des données suivantes :

Eau saléeÉthanolCyclohexane
Densité1,10,790,78
Miscibilité avec l'eau—totalenulle
Solubilité de l'eucalyptolfaiblegrandegrande
  1. On ajoute du chlorure de sodium au distillat (relargage). Quel est le rôle de cette opération ? (0,5 pt)
  2. Choisir le solvant extracteur convenable parmi l'éthanol et le cyclohexane. Justifier. (1 pt)
  3. Nommer la verrerie utilisée pour cette extraction, puis indiquer la position (en haut ou en bas) de la phase organique. Justifier. (1 pt)
  4. On réalise une chromatographie sur couche mince : dépôt A = huile extraite, dépôt B = eucalyptol pur. Après élution et révélation, le front du solvant est à 8,0 cm de la ligne de dépôt ; A donne deux taches à 5,2 cm et 2,4 cm ; B donne une tache à 5,2 cm.
    a) Calculer le rapport frontal de chaque tache de A. (1 pt)
    b) Que peut-on conclure sur la composition de l'huile extraite ? (0,5 pt)

Physique – Exercice 3 : la gravitation universelle (7 pts)

Données : G = 6,67 × 10−11 N·m2·kg−2 ; masse de la Terre MT = 5,97 × 1024 kg ; rayon de la Terre RT = 6,37 × 103 km ; masse de la Lune ML = 7,35 × 1022 kg ; distance entre les centres de la Terre et de la Lune d = 3,84 × 105 km. On considère que la Terre et la Lune ont une répartition de masse à symétrie sphérique.

  1. Énoncer la loi de la gravitation universelle. (1 pt)
  2. Calculer l'intensité F de la force exercée par la Terre sur la Lune, puis la représenter sur un schéma à l'échelle 1 cm ↔ 1 × 1020 N. (1,5 pt)
  3. a) Exprimer puis calculer l'intensité de la pesanteur g0 à la surface de la Terre. (1 pt)
    b) Montrer qu'à l'altitude h : gh = g0 · RT2/(RT + h)2, puis calculer gh pour h = 400 km. (1,5 pt)
    c) Un satellite a une masse m = 1500 kg. Calculer son poids au sol puis à l'altitude h = 400 km. (1 pt)
  4. Un objet de masse m' est placé sur la droite Terre-Lune, entre les deux astres, à la distance x du centre de la Terre. Déterminer x pour que les forces exercées sur lui par la Terre et par la Lune aient la même intensité. (1 pt)

Physique – Exercice 4 : ordres de grandeur et actions mécaniques (6 pts)

Partie A – Échelle des longueurs (2 pts)

  1. Écrire en mètre, en notation scientifique, puis donner l'ordre de grandeur de : le rayon de la Terre RT = 6 370 km ; la distance Terre-Soleil D = 150 000 000 km ; le diamètre d'un globule rouge a = 7,5 µm ; la taille d'un élève L = 1,70 m. (1,5 pt)
  2. Combien de fois, en ordre de grandeur, la distance Terre-Soleil est-elle plus grande que le rayon de la Terre ? (0,5 pt)

Partie B – Actions mécaniques (4 pts)
Un cube en bois de masse m = 2,4 kg est posé sur une table horizontale. Une face du cube est un carré de côté 20 cm. On prend g = 9,8 N/kg.

  1. Faire l'inventaire des actions mécaniques exercées sur le cube, en précisant pour chacune s'il s'agit d'une action de contact ou à distance, localisée ou répartie. (1 pt)
  2. Ces actions sont-elles intérieures ou extérieures au système {cube} ? (0,5 pt)
  3. Calculer l'intensité du poids P du cube. (0,5 pt)
  4. Le cube étant en équilibre, la force pressante qu'il exerce sur la table a pour intensité F = P. Calculer la pression p exercée sur la table. (1 pt)
  5. On remplace le cube par un pavé de même masse posé sur une face rectangulaire de 10 cm × 20 cm. Calculer la nouvelle pression et conclure. (1 pt)
Afficher le corrigé et le barème

Chimie – Exercice 1 : les espèces chimiques

  1. Une espèce chimique est un ensemble d'entités (atomes, molécules ou ions) identiques ; elle est caractérisée par ses propriétés physiques (température de fusion, d'ébullition, masse volumique…) et chimiques.
  2. Naturelles : la caféine des grains de café, le saccharose de la canne à sucre, la vitamine C du jus d'orange.
    Synthétiques : le nylon, le paracétamol, le polystyrène.
  3. a) L'eau fait passer le sulfate de cuivre anhydre du blanc au bleu.
    b) Le dioxyde de carbone trouble l'eau de chaux.
    c) Le dioxygène ravive une bûchette incandescente.

Barème : Q1 : 0,5 ; Q2 : 0,25 par espèce ; Q3 : 0,25 + 0,25 + 0,5 (c, avec résultat).

Chimie – Exercice 2 : extraction et chromatographie

  1. Le relargage diminue la solubilité de l'huile essentielle dans l'eau : l'huile se sépare mieux de la phase aqueuse.
  2. On choisit le cyclohexane : il n'est pas miscible avec l'eau et l'eucalyptol y est très soluble. L'éthanol est rejeté car il est miscible avec l'eau (on n'obtiendrait pas deux phases).
  3. On utilise une ampoule à décanter. La phase organique (cyclohexane + huile) est en haut, car la densité du cyclohexane (0,78) est inférieure à celle de la phase aqueuse salée (1,1).
  4. a) Rf = distance parcourue par la tache / distance parcourue par le front du solvant.
    Tache 1 : Rf1 = 5,2/8,0 = 0,65 ; tache 2 : Rf2 = 2,4/8,0 = 0,30.
    b) L'huile extraite contient au moins deux espèces chimiques. La tache de même Rf (0,65) que l'eucalyptol pur montre qu'elle contient de l'eucalyptol ; l'autre espèce n'est pas identifiée.

Barème : Q1 : 0,5 ; Q2 : choix 0,5 + justification 0,5 ; Q3 : verrerie 0,5 + position justifiée 0,5 ; Q4a : 0,5 + 0,5 ; Q4b : 0,5.

Physique – Exercice 3 : la gravitation universelle

  1. Deux corps ponctuels A et B, de masses mA et mB, séparés par la distance d, exercent l'un sur l'autre des forces d'attraction de même droite d'action (AB), de sens opposés et de même intensité : FA/B = FB/A = G · mA · mB/d2. Cette loi s'applique aussi aux corps à répartition de masse sphérique, d étant la distance entre leurs centres.
  2. d = 3,84 × 108 m. F = G · MT · ML/d2 = 6,67 × 10−11 × 5,97 × 1024 × 7,35 × 1022/(3,84 × 108)2 ≈ 1,98 × 1020 N.
    Représentation : vecteur appliqué au centre de la Lune, dirigé vers le centre de la Terre, de longueur 1,98 ≈ 2,0 cm.
  3. a) g0 = G · MT/RT2 = 6,67 × 10−11 × 5,97 × 1024/(6,37 × 106)2 ≈ 9,81 N/kg.
    b) À l'altitude h : gh = G · MT/(RT + h)2. Or G · MT = g0 · RT2, donc gh = g0 · RT2/(RT + h)2.
    Avec RT = 6,37 × 106 m et h = 4,00 × 105 m : gh = 9,81 × (6,37 × 106)2/(6,77 × 106)2 ≈ 8,69 N/kg.
    c) Au sol : P0 = m · g0 = 1500 × 9,81 ≈ 1,47 × 104 N. À 400 km : Ph = m · gh = 1500 × 8,69 ≈ 1,30 × 104 N. Le poids diminue quand l'altitude augmente.
  4. G · MT · m'/x2 = G · ML · m'/(d − x)2 ⇔ (d − x)/x = √(ML/MT) ⇔ x = d/(1 + √(ML/MT)).
    √(7,35 × 1022/5,97 × 1024) ≈ 0,111, donc x ≈ 3,84 × 108/1,111 ≈ 3,46 × 108 m (environ 0,90 d, donc beaucoup plus près de la Lune).

Barème : Q1 : 1 ; Q2 : calcul 1 + représentation 0,5 ; Q3a : expression 0,5 + valeur 0,5 ; Q3b : démonstration 1 + valeur 0,5 ; Q3c : 0,5 + 0,5 ; Q4 : 1.

Physique – Exercice 4 : ordres de grandeur et actions mécaniques

Partie A

  1. RT = 6,37 × 106 m → ordre de grandeur 107 m (6,37 ≥ 5).
    D = 1,50 × 1011 m → 1011 m.
    a = 7,5 × 10−6 m → 10−5 m (7,5 ≥ 5).
    L = 1,70 × 100 m → 100 m = 1 m.
    (Règle : pour a × 10n avec 1 ≤ a < 10, l'ordre de grandeur est 10n si a < 5 et 10n+1 si a ≥ 5.)
  2. 1011/107 = 104 : la distance Terre-Soleil est environ dix mille fois plus grande que le rayon terrestre.

Partie B

  1. Action de la Terre (le poids) : action à distance, répartie sur tout le volume du cube. Action de la table : action de contact, répartie sur la surface de contact.
  2. Les deux actions sont exercées par des corps qui n'appartiennent pas au système : ce sont des actions extérieures.
  3. P = m · g = 2,4 × 9,8 ≈ 23,5 N.
  4. S = 0,20 × 0,20 = 4,0 × 10−2 m2 ; p = F/S = 23,52/0,040 ≈ 5,9 × 102 Pa (588 Pa).
  5. S' = 0,10 × 0,20 = 2,0 × 10−2 m2 ; p' = 23,52/0,020 ≈ 1,2 × 103 Pa (1176 Pa). Pour une même force pressante, la pression est d'autant plus grande que la surface pressée est petite (ici la surface est divisée par 2 et la pression multipliée par 2).

Barème : A1 : 0,375 par grandeur (écriture + ordre de grandeur) ; A2 : 0,5 ; B1 : 0,5 + 0,5 ; B2 : 0,5 ; B3 : 0,5 ; B4 : 1 ; B5 : calcul 0,5 + conclusion 0,5.

Barème

Chimie – Exercice 1 : les espèces chimiques3 pts
Chimie – Exercice 2 : extraction et chromatographie4 pts
Physique – Exercice 3 : la gravitation universelle7 pts
Physique – Exercice 4 : ordres de grandeur et actions mécaniques6 pts
Total20 pts

Conseils de révision

  • Toujours convertir les distances en mètres avant d'appliquer F = G · m<sub>A</sub> · m<sub>B</sub>/d<sup>2</sup>.
  • L'intensité de la pesanteur diminue avec l'altitude : g<sub>h</sub> = g<sub>0</sub> · R<sub>T</sub><sup>2</sup>/(R<sub>T</sub> + h)<sup>2</sup>.
  • Un bon solvant extracteur n'est pas miscible avec l'eau et dissout bien l'espèce à extraire.
  • Le rapport frontal R<sub>f</sub> n'a pas d'unité et il est toujours compris entre 0 et 1.

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