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CONCOURS

D’AIDE TECHNIQUE DE LABORATOIRE

2000

SPECIALITE B : SCIENCES PHYSIQUES ET INDUSTRIELLES

DUREE : 2 HEURES COEFFICIENT : 1 - Ce sujet comprend 12 pages. L’épreuve est constituée d’exercices de physique (sur 10 points)

et d’exercices de chimie (sur 10 points). - Il vous est rappelé que votre identité ne doit figurer que dans la partie supérieure de la bande

en-tête de la copie. Toute mention d’identité portée sur toute autre partie de la copie ou tout autre signe pouvant indiquer la provenance de la copie mènera à l’annulation de votre épreuve.

- Les réponses sont écrites sur les feuilles du sujet. - Tous les exercices sont obligatoires. - Dans le cas de Q.C.M. , les réponses fausses entraînent une pénalité, mais la note de la

question ne peut être négative. - Si, au cours de l’épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d’énoncé, il le signale dans sa

copie et poursuit sa composition en précisant les initiatives qu’il est conduit à prendre de ce fait.

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PHYSIQUE I Montage destiné à l’observation à l’oscilloscope d’un cycle d’hystérésis du circuit magnétique d’un transformateur.

Proposer diverses solutions permettant d’observer simultanément, à l’aide d’un oscilloscope uC en voie 1 et uR en voie 2. II Proposer le schéma d’un montage permettant de visualiser simultanément sur un écran d’oscilloscope de classe 1, la tension aux bornes d’un condensateur et l’intensité, dans un circuit comprenant en série une résistance, un condensateur et un G.B.F. délivrant une tension créneau. Quelle caractéristique doit avoir le G.B.F. ?

Quel réglage particulier faut-il effectuer sur une des deux voies de l’oscilloscope ?

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III Un professeur vous demande de monter une expérience de décomposition de la lumière blanche. Choisir une méthode et faire une liste du matériel nécessaire. A quelle couleur correspond λ = 400nm ? ………………….. A quelle couleur correspond λ = 750nm ? ………………….. IV Vous essayez un T.P ayant pour but de mesurer la vitesse de propagation des ultrasons. Les ondes sont émises en continu. Deux récepteurs R1 et R2 sont reliés aux voies I et II d’un oscilloscope réglé sur « DUAL » (les deux voies sont volontairement décalées) ; ils sont placés dans l’axe de l’émetteur, à égale distance de celui-ci. On obtient l’oscillogramme suivant :

1°) Quelle est la fréquence des ultrasons reçus ? 2°) R1 est fixe , on éloigne légèrement R2 dans l’axe de l’émetteur. A quoi correspond le décalage observé sur le nouvel oscillogramme ?

Base de temps réglée sur 10 µs par division

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3°) Quand on a éloigné R2 de presque un centimètre, les deux courbes sont à nouveau en phase. (a) A quelle grandeur correspond, à cet instant, la distance entre R1 et R2 ? (b) Proposer une méthode permettant de déterminer plus précisément cette grandeur. 4°) Comment, à partir de cette grandeur, peut-on déduire la vitesse de propagation des ultrasons ? (donner l’expression littérale du calcul) 5°) Entourer l’ordre de grandeur du résultat attendu (valeur en m.s-1). 3.102 3.104 3.106 3.108 V Vous essayez une manipulation ayant pour but l’étude énergétique d’un pendule élastique libre constitué par un mobile autoporteur et deux ressorts identiques. L’expérience est réalisée sur une table à digitaliser couplée à un ordinateur. (A) TRAVAUX PRELIMINAIRES

-a- Réglage de la table Quelle caractéristique de la position de la table devez vous vérifier ? Comment pouvez vous procéder à cette vérification ? -b- Détermination de la masse du mobile La pesée donne : m = 0,214 kg -c- détermination de la constante de raideur d’un ressort Décrire succinctement un mode opératoire.

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On obtient k = 0,60 S.I. Préciser l’unité correspondante. (B) MANIPULATION ET ETUDE DU MOUVEMENT Manipulation -a- Lancer le programme. -b- Dans le menu préparation, configurer certains paramètres : temps d’acquisition et nombre de mesures. -c- Mettre en marche la soufflerie qui permet de minimiser les frottements. -d- Ecarter légèrement le mobile de sa position d’équilibre (en restant dans l’axe des ressorts). Lâcher le mobile et lancer l’acquisition. Les paramètres acquis sont l’élongation x et le temps (ou la date) t. -e- Dans le menu représentation, demander l’affichage de la courbe donnant x en fonction de t. On obtient la courbe suivante :

Questions -a- Quel est le mouvement d’un tel pendule ? (cocher la case) Rectiligne uniforme Circulaire uniforme Rectiligne sinusoïdal Circulaire sinusoïdal

-b- L’étude théorique montre que les deux ressorts équivalent à un seul ressort de constante k’ = 2k et que la période du pendule est T0 = 2π m/k’ Quelle est la valeur théorique de T0 ? (cocher la case) 3,79 s 2,65 s 2,34 s 1,66 s

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-c- Dans le menu traitement du logiciel que faut-il choisir pour obtenir l’équation x = f(t) ? constantes dérivées intégration modélisation

-d- L’ordinateur affiche : x = 48,6 cos (2,31t – 1,54 ) Que représente 2,31 ? (cocher la case) la pulsation la période la fréquence la phase

-e- Cette valeur expérimentale est-elle en accord avec la valeur théorique de la question -b- ? (justifier la réponse par un calcul) (C) ETUDE ENERGETIQUE -a- Dans le menu préparation entrer les valeurs de m, k’ et g. -b- Pour tracer la courbe : énergie potentielle élastique en fonction du temps, quel calcul faut-il demander ? (cocher la case) ½ mv2 ½ k’x2 mgh

-c- Pour tracer la courbe : énergie cinétique en fonction du temps, quel calcul faut-il demander ? (cocher la case) ½ mv2

½ m(dx/dt)2 ½ mv2,

fin – ½ mv2,in

- Ep -d- A quoi correspond l’énergie mécanique ? (cocher la case) Em = Ep - Ec Em = Ep+ Ec Em = Ec - Ep

-e- On obtient les courbes suivantes. Que pouvez-vous conclure concernant l’énergie mécanique ?

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CHIMIE

I -a- Où doit-on ranger un flacon d’acide nitrique concentré ? Comment doit-on conserver le sodium ?

-b- Donner les noms des composés chimiques suivants :

C2H5CO2CH3 CH3CO2NH4 Na2S2O3

-c- Ecrire la formule de l’hydrogénocarbonate de sodium, de l’acide butanoïque, du glycérol (ou propane-1,2,3-triol).

II Vous devez doser par pH-métrie une solution de carbonate de sodium de concentration proche de 0,05 mol.L-1. -a- Décrire le protocole permettant de préparer un litre d’une solution d’acide chlorhydrique à 0,100 mol.L-1 si vous disposez de la solution concentrée du commerce, de teneur 34% et de densité 1,17 ainsi que du matériel courant dans un laboratoire. On donne les masses molaires atomiques MCl du chlore et MH de l’hydrogène : MCl = 35,5 g/mol (ou g.mol-1) ; MH = 1,0 g/mol

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-b- Faire un schéma annoté du dosage par pH-métrie de 20mL de solution de carbonate de sodium à l’aide de la solution préparée à la question -a- . -c- On obtient la courbe suivante. Écrire les équations-bilan associées aux réactions correspondant à chacun des sauts de pH observés.

-d- Déduire de la courbe la concentration en CO2

3 - .

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-e- Si vous aviez à réaliser un dosage colorimétrique, préciser, parmi ces indicateurs, lequel auriez-vous choisi ? (cocher la case) Thymolphtaléine 9,4 - 10,6 Bleu de bromothymol 6,0 - 7,6 Rouge de méthyle 4,8 - 6,0 Vert de bromocrésol 3,8 - 5,4

Etablir l’expression littérale qui aurait permis de calculer la concentration C (CO

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-) en fonction de

C(HCl) et du volume correspondant au changement de couleur, Veq . III On veut vérifier, par un dosage en retour, la teneur en vitamine C (ou acide ascorbique) dans le jus d’orange d’une ampoule pour bébé .

-a- Est ce que la vitamine C contient une fonction acide carboxylique ? -b- L’oxydation utilise une solution de diiode à C1 = 5,00 x 10-3 mol.L-1 mise en excès. Le diiode I2 se dissout difficilement dans l’eau. On utilise pour le dissoudre une solution d’iodure de potassium (il se forme l’ion complexe I3

- , mais ceci ne change rien pour l’écriture des équations-bilan associées aux réactions). Vous devez préparer un litre de solution iodo-iodurée à 5,00 x 10-3 mol.L-1 avec une solution d’iodure de potassium à 1,00 x 10-2 mol.L-1 . M(I) = 126,9 g.mol-1 M(K) = 39,1 g.mol-1

Décrire succinctement le protocole en précisant les quantités utilisées.

M (C6H8O6) = 176 g/mol

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-c- Dans un becher, on introduit le contenu de l’ampoule de jus d’orange, on la rince ; puis on ajoute quelques gouttes d’acide phosphorique et 10mL de la solution préparée au -b- . Le mélange est marron-orangé. On verse progressivement, à l’aide d’une burette graduée, une solution de thiosulfate de sodium de concentration C2 = 5,00 x 10-3 mol.L-1. Pour pH < 3, seul l’acide ascorbique réagit avec I2 suivant la réaction : C6H8O6 + I2 C6H6O6 + 2 I - + 2 H +

(1) Comment évolue la couleur pendant le dosage ? (2) Quel est l’indicateur qui permet de repérer plus précisément l’équivalence d’oxydo-réduction ? (3) Quel est alors le changement de couleur correspondant à l’équivalence d’oxydo-réduction ? (4) Ecrire les demi-équations permettant de retrouver l’équation-bilan suivante : I2 + 2 S2O3

2 - S4O62 - + 2 I -

(5) L’équivalence est obtenue pour 11,0 mL de thiosulfate. Calculer la quantité (en mol) de diiode

en excès. (6) En déduire la quantité (en mol) d’acide ascorbique et la masse correspondante contenue dans

l’ampoule.

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IV La manipulation prévoit d’extraire l’huile essentielle de lavande par hydrodistillation à partir de fleurs séchées et de faire son analyse par chromatographie sur couche mince . -a- Faites un schéma annoté du montage de l’hydrodistillation. -b- On ajoute du chlorure de sodium au distillat, on agite et on verse dans une ampoule à décanter. Quel est le rôle du chlorure de sodium ? (cocher la case) Augmenter la solubilité de la phase organique par rapport à celle de la phase aqueuse. Diminuer la solubilité de la phase organique par rapport à celle de la phase aqueuse. Réagir avec les constituants de la phase organique pour les rendre plus solubles dans l’eau.

-c- On récupère la phase organique. Pourquoi faut-il enlever le bouchon de l’ampoule à décanter ? (cocher la case) Pour favoriser la séparation des deux liquides. Pour augmenter la pression à l’intérieur de l’ampoule. Sinon, la diminution du volume liquide entraîne une dépression dans l’ampoule et le liquide

peut ne plus s’écouler. -d- Pour améliorer le rendement , on pourrait faire une extraction à l’éther.

(1) Quelles précautions faudrait-il alors prendre ?

(2) Pour un volume V d’éther donné, vaut-il mieux (cocher la case) Faire une seule extraction en utilisant la totalité de V ? Faire deux extractions successives utilisant chacune V/2 ?

-e- Proposer un moyen d’enlever les dernières traces d’eau restant dans la phase organique.

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-f- On veut vérifier si cette huile contient :

Nommer les fonctions oxygénées présentes dans ces deux produits. -g- On effectue une chromatographie sur couche mince. On met l’éluant (dichlorométhane) dans la cuve à chromatographie. Sur la plaque de chromatographie, on effectue trois dépôts de linalol (L), de bergamol (B) et d’huile essentielle (H) dilués dans un peu de dichlorométhane. Quelles sont les conditions à remplir pour faire cette chromatographie ? (cocher les cases) Le niveau de l’éluant est supérieur au niveau des dépôts. Le niveau de l’éluant est inférieur au niveau des dépôts. La cuve de chromatographie doit rester ouverte. La cuve de chromatographie doit rester fermée. Il faut laisser l’éluant mouiller toute la couche de silice de la plaque. Il faut sortir la plaque avant que l’éluant arrive en haut.

-h- La plaque de chromatographie est retirée et séchée. On la trempe quelques secondes dans une solution très diluée de permanganate de potassium. On obtient l’aspect suivant. Que peut-on en déduire ?

- du bergamol

- du linalol