BTN_Physique_STI 2D Et STL PLC_Non Redoublants

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BACCALAURAT TECHNOLOGIQUE

SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE L'INDUSTRIE ET DU DVELOPPEMENT DURABLE (STI2D)

et

SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LABORATOIRE spcialit PHYSIQUE ET CHIMIE EN LABORATOIRE

(STL SPCL)

- Session 2013 -

preuve de PHYSIQUE CHIMIE

- Candidats non redoublants -

Ce sujet est traiter par les candidats se prsentant pour la premire fois aux preuves terminales du baccalaurat

Dure de l'preuve : 3 heures Coefficient : 4

Ds que le sujet vous est remis, assurez-vous quil est complet. Ce sujet comporte 15 pages.

Les documents rponse sont rendre avec la copie

L'usage d'une calculatrice est autoris.

Il est rappel aux candidats que la qualit de la rdaction, la clart et la prcision des explications

entreront dans l'apprciation des copies. Toute rponse devra tre justifie.


BIENTT LES VACANCES

Maurice, passionn de cyclotourisme depuis de nombreuses annes, aimerait comprendre la Physique qui se cache derrire ses efforts. Pour cela, il utilise le livre de Franois Piednoir Pdaler intelligent, la biomcanique du cycliste (Editeur : FFCT Fdration Franaise de Cyclotourisme) et son vieux livre de physique du lyce.

Suite des ennuis de sant, il dcide de squiper pour ses prochaines vacances dun vlo assistance lectrique (V.A.E). Son choix se porte sur le modle dont un descriptif technique est donn dans lannexe B1. Il souhaite voyager en gardant une grande autonomie (communication, alimentation,), se protger efficacement des rayons du soleil et privilgier des hbergements co-responsables pour la nuit.

Afin de prparer son voyage dans de bonnes conditions, Maurice se pose un certain nombre de questions relatives aux sciences physiques et chimiques. Vous l'aiderez trouver les rponses ses interrogations.

Le sujet comporte quatre parties A, B, C et D indpendantes entre elles.

Chaque partie ncessite dutiliser les annexes (A, B, C et D) et les documents rponses (DR1 DR6) placs la fin du sujet et rendre avec votre copie.

Partie A : les questions de Maurice.

Partie B : le vlo assistance lectrique (V.A.E.). Partie C : les quipements personnels de Maurice.

Partie D : la sant et lhygine.


Partie A - Les questions de Maurice

Maurice s'interroge sur les notions de braquet, de dveloppement, de frquence de pdalage et de force motrice .de sa bicyclette (sa randonneuse ). Aidez-le comprendre

A.1. Braquet et dveloppement

A.1.1. En vous aidant de l'annexe A2, expliquer la signification d'un braquet 30/15.

A.1.2. Pourquoi le braquet (not Br) est-il exprim sans unit ? A.2. Frquence de pdalage

Avec un plateau de 43 dents, le braquet idal dun cyclotouriste que lon notera Br2 doit tre le plus proche possible de 2,5.

A.2.1. Calculer le dveloppement D

(en m) de la bicyclette lorsque le dveloppement est Br =

= 2,53 (annexe A1 et A2)

A.2.2. En dduire la frquence de pdalage fp de Maurice, exprime en tour.min-1, lorsquil roule une vitesse v = 22,5 km.h-1 (la frquence de pdalage correspond aux nombres de tours de pdalier effectus en une minute).

A.2.3. Vrifier que cette valeur est conforme aux frquences de pdalages des cyclotouristes (annexe A3).

A.3. La force motrice

Reprsenter l'chelle sur le document rponse DR1 rendre avec la copie, le vecteur force motrice F qui permet Maurice de rouler vitesse constante sur une route rectiligne et horizontale. En utilisant l'annexe A4, justifier la rponse.


ANNEXE A- Les questions de Maurice

Le braquet Br est le rapport entre le nombre de dents de la couronne du pdalier (le plateau) et le nombre de dents de la couronne de la roue libre (le pignon).

Par exemple, le braquet correspondant un plateau de 43 dents et un pignon de 18 dents s'crit 43/18, soit Br = 2,39.

Le dveloppement D est la distance parcourue (en m) chaque tour de pdalier. Il dpend du braquet et du rayon r de la roue : D = Br x 2pi pi pi pi x r

A2 - Dfinitions du braquet et du dveloppement

Dans la pratique, la frquence de pdalage fp est trs variable selon le moment, l'endroit, le cycliste, son style et ses motivations. Il y a de grands moulineurs et des cyclistes frquence plus lente. Elle est leve en comptitions (de l'ordre de 100 tours de pdalier par minute), plus modre chez les cyclotouristes chez qui elle est situe aux alentours de 70-80 tours de pdalier par minute.

A3 - La frquence de pdalage fp

Maurice : ge : 55 ans taille : 1,70 m masse : m1 = 70 kg

Randonneuse de Maurice : roues de 26 pouces (rayon r = 315 mm) masse du vlo : m2 = 11,5 kg masse des bagages : m3 = 16 kg plateaux (nombre de dents) : 50-43-30 pignons : 13-14-15-17-19-21-23-25-28

A1 - Les donnes : Maurice et sa randonneuse

Pour un observateur terrestre, tout corps persvre dans son tat de repos ou de mouvement rectiligne uniforme, si les forces qui s'exercent sur lui se compensent .

A4 - Le principe dinertie


Partie B - tude du vlo assistance lectrique (V.A.E.). Avec son vlo assistance lectrique (V.A.E.), Maurice souhaite raliser, en trente jours, un Tour de France dune distance de 2400 km environ. Il prvoit quelques tapes de montagne. Vous devez lui expliquer :

- le fonctionnement de l'accumulateur, - le principe de l'assistance lectrique illustr par des cas concrets, - les avantages du V.A.E. par rapport sa "randonneuse".

B.1. Laccumulateur Li-Mn

B.1.1. Vrifier si le choix du type d'accumulateur (batterie) est judicieux pour raliser un trajet journalier moyen et pour recharger laccumulateur (annexe B1).

B.1.2. Prciser quelles grandeurs physiques correspondent les indications 8,8 Ah et 422 Wh qui figurent sur le descriptif technique en annexe B1.

B.1.3. Calculer lintensit I du courant constant pouvant tre dbit pendant un dure de 6 h jusqu la dcharge complte de laccumulateur.

B.1.4. Calculer la dure t dutilisation de laccumulateur (jusqu sa dcharge complte) si la puissance consomme par le moteur et les quipements vaut P = 140 W.

B.1.5. Aprs avoir consult le principe de laccumulateur Li-Mn (annexe B2), complter le document rponse DR2 rendre avec la copie en indiquant :

les sens de dplacement des porteurs de charges (lectron et ion lithium) et le sens du courant I lorsque la batterie se dcharge.

les polarits de l'accumulateur. les noms des lectrodes et des ractions qui s'y produisent.

Justifier chacune des rponses et crire notamment l'quation de la raction chimique qui se produit au niveau de l'lectrode en carbone (C).

B.1.6. Lors de la recharge de l'accumulateur, donner la nature (continue ou alternative) et la valeur de la tension U (annexe B3).

B.2. Lassistance lectrique

B.2.1. Dfinir le moment de la force F en donnant son expression et en compltant le document rponse DR3 rendre avec la copie.

B.2.2. Donner la relation du moment C du couple moteur en fonction de la puissance mcanique P du moteur et de la vitesse de rotation (rad.s-1). Calculer la vitesse de rotation (en rad.s-1 puis en tr.min-1) si le moment du couple moteur vaut 40 N.m pour une puissance mcanique de 100 W.

B.2.3. L'objectif est de complter deux chanes nergtiques qui correspondent deux situations diffrentes explicites ci-dessous.

Sur les documents rponses DR4 et DR5 rendre avec la copie, indiquer les rsultats numriques ainsi que tous les transferts par des flches ( ). Une absence de transfert sera note . X


a) Situation 1 DR4 ( rendre avec la copie) La route est rectiligne et horizontale, Maurice circule vitesse constante, il n'y a pas de vent, le moteur dveloppe une puissance de 100 W, le moment moyen du couple (suppos constant) exerc par le cycliste vaut 30 N.m, la vitesse angulaire du pdalier est 3,5 rad.s-1.

Calculer pour une dure de 15 min: W1 : travail fourni par Maurice ; W2 : travail fourni par le moteur lectrique ; W3 : travail du poids ;

b) Situation 2 DR5 ( rendre avec la copie) La route est en descente. Maurice ne pdale pas et ajuste son freinage pour maintenir sa vitesse constante 35 km.h-1. Indiquer uniquement les sens des transferts.

La lgislation impose que lassistance lectrique cesse partir dune vitesse de 25 km.h-1 Pour des raisons de scurit, le moteur passe mode dbray (il se coupe) lorsque l'on actionne les freins et bascule en mode rcupration d'nergie (il fonctionne en alternateur).

B.2.4. Sachant que la puissance maximale utile du V.A.E. de Maurice est de 250 W, l'aide de l'annexe B4 :

a) Dterminer le pourcentage maximal de la pente sur laquelle Maurice peut rouler 15 km.h-1 en maintenant sa puissance musculaire gale 60 W.

b) Dterminer la puissance musculaire que devrait avoir Maurice pour maintenir sa vitesse constante 15 km.h-1 sur une monte 6 % ?

B.3. Les avantages chiffrs du V.A.E.

Lascension de lAlpe dHuez (14,4 km ; 1120 m de dnivel ; 21 virages et une pente moyenne de 8 %) avec le V.A.E. une vitesse de 10 km.h-1, ncessite une puissance de 308 W (puissance du moteur 248 W, puissance musculaire 60 W). Maurice souhaite dterminer la puissance musculaire qu'il aurait d dvelopper sans assistance lectrique pour effectuer ce trajet avec sa randonneuse et ses bagages dans les mmes conditions (voir donnes en annexe A1). Pour cela vous devez :

B.3.1. Dterminer le travail du poids P de l'ensemble {Maurice, vlo, bagages} lors de cette ascension ; on prendra g = 9,8 N.kg-1.

B.3.2. Sachant que l'nergie perdue lors de cette ascension, en raison de l'ensemble des frottements, est de 130 kJ, calculer l'nergie musculaire E qu'aurait d dvelopper Maurice.

B.3.3. Calculer la dure du trajet et en dduire la puissance musculaire qu'aurait d dvelopper Maurice pour faire lascension avec une vitesse constante de 10 km.h-1.


ANNEXE B - Les quipements du vlo assistance lectrique (V.A.E).

Motorisation lectrique : Moteur 250 W ; 48V High Torque Brushless BionX

Nombre de programmes moteur : 4 en assistance / 4 en rgnration + booster + mode piton 6 km/h + rcupration dnergie.

Principe dassistance : proportionnel leffort de pdalage - capteur de couple intgr au moteur.

Console Ordinateur de bord LCD avec indicateur de charge batterie - gchette - Commande squentielle de changement de mode et booster.

Batterie Li-Mn 48 V 8,8 Ah 422 Wh downtube amovible avec antivol et indicateur de charge intgr. Temps de recharge batterie : 5 7 h (80 100 %).

Autonomie mini 80 km ; autonomie maxi 130 km.

B1 - Extrait du descriptif technique

B2 - Principe d'un accumulateur Li-Mn

Dans un accumulateur Lithium-ion, des atomes de lithium s'intercalent dans les cavits des rseaux cristallins. On utilise une lectrode en oxyde mtallique lithi (LiMnO2) et une lectrode en carbone C spars par un lectrolyte : on obtient ainsi un accumulateur dcharg. Puis, l'aide d'un gnrateur, on force le lithium passer, sous forme ionique Li+, travers l'lectrolyte, pour rejoindre l'lectrode en carbone, o il rencontre un lectron pour reformer un atome de lithium. Thoriquement, 6 atomes C peuvent accueillir 1 atome Li. Lorsque toutes les cavits sont occupes, la batterie est charge son maximum de capacit. Le lithium est alors prt pour le voyage retour ! Ci-dessous, un accumulateur charg.

lectrolyte non aqueux

MnO2 C

cavit non occupe cavit occupe par un atome Li


U

I + +

~

Secteur 230 V ; 50 Hz

Transformateur abaisseur

(230 / 48) V ; 50 Hz ~

Convertisseur de tension

Accumulateur Li-Mn

B3 - Recharge de laccumulateur

B4 - Gain de puissance apport par l'assistance lectrique

pente (en %)

P (en W)

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Puissance utile P que devrait fournir un moteur de V.A.E. en fonction de la pente

Le graphique ci-dessus reprsente la puissance que devrait apporter le moteur lectrique en fonction de la pente (exprime en %) pour maintenir une vitesse constante de 15 km.h-1 lorsque la puissance de Maurice est de 60 W.

P en W

Pente en %


Partie C - Les quipements personnels de Maurice

C.1. Le tlphone mobile

Maurice souhaite comprendre la signification des caractristiques et le fonctionnement de son tlphone mobile. C'est un smartphone, quadri-bande (850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz et 1900 MHz), disposant d'une coque munie dune batterie et dun panneau solaire photovoltaque.

C.1.1. Calculer la longueur d'onde de l'onde lectromagntique porteuse si sa frquence vaut f = 1820 MHz du tlphone mobile. On donne la clrit de la lumire dans le vide : c = 3,00108 m.s-1

C.1.2. En vous aidant de l'annexe C1, indiquer quel domaine du spectre lectromagntique appartient ce rayonnement. Justifier le fait que certains scientifiques disent qu'une utilisation prolonge du tlphone mobile peut s'accompagner deffets indsirables.

C.1.3. Quel est, d'aprs l'annexe C2, le nom de l'oprateur tlphonique de Maurice.

C.1.4. partir du document rponse DR6, prciser ce que reprsente les indications 5,5V / 120 mA figurant sur la documentation du panneau solaire (annexe C3).

C.1.5. partir de la caractristique tension-intensit U = f(I) du panneau solaire, reprsente sur le document rponse DR6 rendre avec la copie, prciser la zone o le panneau solaire se comporte comme un gnrateur de tension.

C.1.6. Dans quelle zone le panneau solaire fournit-il une puissance maximale Pmax. Justifier la rponse et estimer la valeur de Pmax.

C.2. La combustion du butane

Pour chauffer de l'eau en vue de prparer un th ou un caf, Maurice prvoit d'emporter avec lui un rchaud gaz qui utilise une cartouche de gaz contenant du butane sous pression. Il souhaite savoir quelle masse d'eau pourrait tre chauffe avec une cartouche neuve.

C.2.1. Rappeler les risques d'utilisation de la cartouche de gaz (annexe C4). C.2.2. crire l'quation de la raction de combustion complte du butane C4H10 dans le

dioxygne, s'il se forme uniquement du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau.

C.2.3. Calculer l'nergie maximale Q que peut fournir tout le butane contenu dans une cartouche de gaz (annexe C4). Expliquer pourquoi on peut s'attendre une nergie utile Q' infrieure Q.

C.2.4. Calculer la masse maximale d'eau m qu'il pourra chauffer de 15 C 100 C avec le rchaud muni dune cartouche de gaz neuve (pleine). Donnes numriques : la capacit thermique massique de l'eau vaut c = 4,2 kJ.kg-1.C -1, ce qui signifie que pour augmenter de 1 C la temprat ure d'1 kg d'eau (sans changement d'tat), il faut fournir une nergie de 4,2 kJ.


ANNEXE C - Les quipements personnels de Maurice

C1 - Une partie du spectre lectromagntique

(en m)

Visible IR (infrarouge)

0,4.10-6

micro-ondes

10-3

10,8.10-6

ondes hertziennes

C2 - Allocation des frquences sur la bande GSM 1800

Caractristiques techniques d'une coque solaire pour smartphone (extrait)

Equipe d'une batterie et d'un panneau solaire, cette coque rechargera facilement et rapidement votre appareil. Chargement possible du chargeur solaire par port USB. La coque permet galement de protger votre smartphone tout en vous permettant de continuer prendre des photos ou davoir une conversation tlphonique ! Recharge environ 60 65 % de la batterie de votre smartphone en 1h30 environ. Capacit de la batterie : 1600 mAh Sortie : 5 V / 1 A Entre : 5 V / 800 mA Panneau solaire : 5,5 V / 120 mA (valeurs pour un clairement maximum)

C3 - Caractristiques techniques d'une coque solaire

C4 - Une cartouche de gaz contenant 190 g de gaz butane

Enthalpie de combustion du butane : 49,51 MJ/kg (c'est le pouvoir calorifique suprieur (PCS) : il tient compte de la chaleur latente de condensation de la vapeur d'eau forme lors de la combustion). Pouvoir calorifique infrieur du butane (PCI) : 45,75 MJ/kg


Partie D : la sant et l'hygine Le rayonnement ultraviolet (UV) Ayant une peau trs sensible au soleil, Maurice choisit de se protger efficacement, tout en ayant un comportement co-responsable quant au choix de sa protection solaire. Il vous demande de lui fournir des informations et des explications concernant le rayonnement solaire et les diffrents types de crmes solaires disponibles sur le march.

D.1. Calculer l'nergie E1 d'un photon de longueur d'onde 1 = 350 nm (dans le vide) et prciser d'aprs l'annexe D1 le domaine dans lequel se situe le rayonnement correspondant et s'il est visible.

On rappelle que : L'nergie transporte par un photon vaut E = h., o h = 6,63.10-34 J.s (constante de

Planck), dsigne la frquence en Hz. La clrit de la lumire dans le vide, c, vaut 3,0.108 m.s-1.

D.2. Calculer l'nergie E2 d'un photon de longueur d'onde 2 = 300 nm (dans le vide).

D.3. D'aprs les calculs prcdents, et pour une mme intensit du rayonnement, indiquer en justifiant la rponse, lequel de ces rayonnements semble, a priori, le plus nocif.

D.4. L'annexe D2, modifie-t-elle le jugement apport la question D3. Justifier la rponse.

Maurice s'interroge quant la crme solaire utiliser pour protger la peau des rayonnements. Il souhaiterait utiliser de prfrence une crme solaire "bio" dont l'impact sur l'environnement serait minime. L'annexe D3 reproduit un extrait de presse sur les crmes solaires.

D.5. Expliquer la diffrence de mode d'action entre les deux types de crmes solaires et indiquer si la prfrence de Maurice est justifie.


ANNEXE D - La sant et l'hygine

Les crmes solaires

On distingue deux types de crmes solaires pour se protger du rayonnement ultraviolet :

les crmes solaires minrales dites "bio" qui agissent comme un cran physique : elles contiennent des fines particules (ZnO, TiO2, talc,...) qui rflchissent les UV. Par le pass, ces crmes taient assez difficiles taler, mais actuellement, l'utilisation de nanoparticules (dont l'innocuit est conteste...) corrige ce dfaut.

les crmes solaires organiques qui agissent comme un filtre chimique : elles contiennent des molcules organiques (oxybenzone,...) qui absorbent les UV, tout comme la mlanine produite (avec un retard gnant...) par notre organisme. Elles sont faciles taler sur la peau, incolores, mais sont ensuite difficiles liminer dans les stations d'puration et dangereuses en cas d'ingestion.

D3 - Les crmes solaires

Effets biologiques UVA UVB Production de vitamine D faible oui Bronzage avec paississement de lpiderme faible oui Pigmentation immdiate de la peau (sauf phototypes I et II) oui non Coup de soleil faible oui Dommage lADN oui oui Cancers cutans oui oui Vieillissement cutan oui oui Effets sur lil (cataracte) oui oui

D2 - Principaux effets biologiques des rayonnements UV (extrait)

D1 - Une partie du spectre lectromagntique

longueur d'onde dans le vide (en nm)

UVA UVB UVC Visible IR (infrarouge)

400 320280 800

micro-ondes

106

10 109


DOCUMENTS RPONSES A RENDRE AVEC LA COPIE (DR)

DR1 - Maurice roulant vitesse constante sur une route horizontale

G

(frottements)

(poids)

(raction)

G

(frottements)

(poids)

(raction)

DR2 - Accumulateur Li-Mn alimentant le moteur du V.A.E.

Moteur

lectrolyte non aqueux

MnO2 C

+

Electrode : .................... Raction : .....................

Electrode : .................... Raction : .....................

ion lithium Li+ + cavit non occupe cavit occupe par un atome Li


DR3 - Schma du systme d'entranement

chane

plateau (avant) pignon (arrire)

Fixation

Pertes Q1

DR4 : chane nergtique (route horizontale)

Moteur

r

nergie

..

W1 =

Transmission W2 = nergie

..

nergie potentielle

de pesanteur

W3 =

Pertes Q2

We

We : travail lectrique

Wu : travail mcanique utile

Q : transfert thermique

Wu

Maurice (par ses efforts)

Accumulateur du V.A.E

Poids de l'ensemble

nergie

.


DR6 : Caractristique tension-intensit U = f(I) du panneau

Intensit I (en mA)

Tension U (en V)

0

zone n1

zone n3

zone n2 5,5

120

(60 mA ; 5,5 V) (110 mA ; 5 V)

(115 mA ; 2 V)

Accumulateur du V.A.E.

Maurice Poids de l'ensemble

DR5 : chane nergtique (en descente)

Alternateur

Moteur

nergie

.

nergie

Pertes Q1

W'1

Transmission W'2

nergie

pote

W'3

Pertes Q'2

W'e

W'e : travail lectrique

Q' : transfert thermique

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