Le 19/01/2015 Durée : 3H30.

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DEVOIR SURVEILLÉ DE SCIENCES

PHYSIQUES et CHIMIQUE TERMINALE S

CONSIGNES À LIRE IMPÉRATIVEMENT

Le sujet entier non dégrafé est Á RENDRE AVEC LA COPIE.

La solution des exercices sera rédigée en faisant attention à l’orthographe

et à l’expression écrite.

L’UTILISATION DES CALCULATRICES EST AUTORISÉE.

Les élèves qui n’ont pas spécialité Physique traiteront les exercices I, II

et III.

Les élèves qui ont spécialités Physique traiteront les exercices I, II et IV.

L’exercice de spécialité doit être rédigé sur copie séparée de celle du

tronc commun.

Indiquer votre nom sur la fiche Barème

Compétences transversales

Mobiliser les Connaissances. C

Présenter des résultats d’expériences, Appliquer les méthodes : réaliser un

tableau, un graphique, des calculs, étude statistique, écriture scientifique. A

Raisonner: Exploiter des documents, des résultats d’expériences, résoudre

un problème, avoir un sens critique. R

S’Exprimer, communiquer dans un langage scientifiquement approprié à

l’oral ou à l’écrit, effectuer un bilan d’expérience(s). E

Ce sujet comporte quatre exercices présentés sur 15 pages numérotées de 1 à 15, y compris celle-ci.

Tous les exercices sont indépendants les uns des autres.

I La spectroscopie au service de l’étude des fresques de Pompéi (pour

tous les élèves)

II Dosage par étalonnage (pour tous les élèves)

III Intérêt du contrôle du pH dans un milieu biologique (uniquement pour

les élèves qui n’ont pas la spécialité physique)

IV Modes de résonance d’une corde (uniquement pour les élèves de spé)

Le 19/01/2015 Durée : 3H30.

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I La spectroscopie au service de l’étude des fresques de Pompéi

(pour tous les élèves) Longtemps, on a pensé que l’aspect « ciré » des fresques de Pompéi provenait d’une couche de cire

appliquée sur la fresque. Certains auteurs parlaient de peintures encaustiqués, ou cirées.

Les écrits de Vitruve, architecte romain du 1er

siècle avant J.C, précisaient bien qu’il était possible d’obtenir

cet aspect « ciré » par la technique de la fresque dite « a fresco ». Qu’en est- il vraiment ?

Document 1 : Technique de la fresque dite « a fresco »

L’enduit contient de l’hydroxyde de calcium Ca(OH)2. Cette espèce est susceptible de diffuser à travers les

couches supérieures jusqu’à la surface de la fresque. Il réagit avec le dioxyde de carbone et forme du

carbonate de calcium CaCO3. Cette couche donne alors un aspect brillant.

Document 2 : Un premier indice

Lors de l’éruption du Vésuve en 79, les peintures de Pompéi ou d’Herculanum ont

été soumises à des températures de plus de 500 °C. Pour preuve, la transformation

de l’ocre jaune en ocre rouge sur certaines fresques qui se produit entre 300 et 600

°C.

Document 3 : Caractéristiques de la cire d’abeille

La cire d'abeille contient principalement des esters. Sa température de fusion se situe

entre 60 à 65°C.

La technique de peinture à la cire est appelée encaustique.

Document 4 : Spectre infrarouge de la cire d’abeille

Le 19/01/2015 Durée : 3H30.

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Document 5 : Table de données pour la spectroscopie infrarouge

Document 6 : Spectre d’un échantillon de fresque

Document 7 : spectre IR et formule de l’indigo

Document 8 : Spectres d’absorbance

Le 19/01/2015 Durée : 3H30.

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Document 9 spectre RMN de l’indigo

Document 10 : Spectre RMN d’un ester

Document 11 : Table de déplacements chimiques en RMN

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QUESTIONS C A R E 1) A votre avis, en considérant la structure de la fresque du document 1, quelle

partie ou couche permettrait d’expliquer l’aspect « ciré » des fresques ? * *

2) Quelle est la formule chimique du calcin, couche protectrice des fresques ? *

3) Ecrire l’équation de la réaction chimique qui explique la formation de cette

couche. Indiquer les états physiques de chacune des espèces chimiques. * *

4) En comparant les températures lors de l’éruption du Vésuve à celle de fusion de

la cire, pouvez-vous déjà émettre une hypothèse sur la présence ou non de la cire

d’abeille dans les fresques de Pompéi ou d’Herculanum ? * *

5) Pour valider l’hypothèse, il est néanmoins nécessaire d’effectuer une analyse

plus précise de ces fresques. La spectroscopie infrarouge permet de déterminer la

présence ou l’absence de cire.

A l’aide des documents 4 et 5, comment peut-on révéler la présence d’esters

dans la cire d’abeille ?

* * * * * *

6) Le spectre du document 6 révèle-t-il la présence de cire ? Justifier votre réponse.

Vous utiliserez la table de données. * * * *

7) Nous savons également que les romains importaient un pigment bleu, l’indigo,

extrait de l’indigotier. Le prélèvement de l’échantillon a été effectué sur la partie

bleue de la fresque. Peut-on déterminer la présence de l’indigo dans l’échantillon

de la fresque ?

* *

8) Comment peut-on justifier le pic intense et très large dans le domaine 3200 à

3700 cm-1

?

9) En pulvérisant un peu de colorant bleu trouvé dans une fresque et en le dissolvant

dans l’acide sulfurique puis l’éthanol on a réalisé une analyse

spectrophotométrique visible. Lequel des deux spectres du document 8 a-t-on pu

obtenir ? Justifier.

* * * *

10) Le document 9 montre que l’on a obtenu 5 séries de pics (1, 2, 3, 4 et 5) dont les

valeurs en ppm sont indiquées sous certains atomes d’hydrogène concernés.

Indiquer la valeur en ppm des hydrogènes numérotés a, b, c, d et e en justifiant

précisément votre choix.

* * * *

11) Le document 10 montre le spectre RMN d’un ester inconnu. Justifier le fait que

le tétraméthylsilane (appelé TMS) donne un pic très grand à la valeur origine du

déplacement chimique ? * *

12) Combien y-a-t-il de groupes de protons équivalents dans la molécule d’ester ? * * *

13) Que représentent les chiffres indiquant les paliers ? Qu’en déduisez-vous ? * * * *

14) A l’aide des signaux enregistrés ainsi que de la table du document 11, essayez de

dessiner la molécule ester que l’on peut en déduire. Justifier la réponse. * * * * *

15) Donnez son nom. * *

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II Dosage des ions Fer Fe2+ dans un médicament (pour tous les élèves)

Document 1 : présentation

Le fer est un élément vital...et toxique pour la santé. Il intervient dans de nombreuses réactions

biochimiques et permet, notamment, le transport de l'oxygène par l'hémoglobine des globules rouges.

Cet exercice concerne l'étude d'un médicament qui contient l'élément fer sous forme d'ions

fer (II) : Fe2+

. Il se présente sous forme de comprimés, dont l'enrobage contient un colorant alimentaire

(code E 127) de couleur rose. La notice de ce médicament mentionne la composition quantitative d'un

comprimé ; « sulfate ferreux sesquihydraté : 256,30 mg soit 80 mg en ions Fe2+

».

Nous proposons de vérifier la teneur en élément fer dans ce comprimé.

Document 2 : Principe du dosage

On effectue un dosage spectrophotométrique des ions Fe2

(aq) contenus dans un comprimé dissous dans

l'eau. En présence d'o-phénanthroline (liquide incolore), les ions Fe2

(aq) réagissent avec apparition d'une

coloration rouge. La concentration des ions Fe2

(aq) de cette solution peut alors être déterminée par la

mesure de son absorbance à une certaine longueur d'onde (ici 500 nm). Il faut préalablement réaliser une

échelle de teintes.

Les ions Fe2

(aq) sont facilement oxydés à l'état d'ions fer (III) notés Fe3

(aq). Afin d'éviter cette oxydation, on

ajoute, dans la solution d'ions Fe2

(aq) , un réducteur approprié en excès, l'hydroquinone. L'hydroquinone

restante n'absorbe pas à la longueur d'onde de 500 nm et la forme oxydée de l'hydroquinone non plus.

Document 3 : Préparation de l'échelle de teintes

À partir d'une solution S contenant 20,0 mg d'ions Fe2

(aq) par litre (soit une concentration massique Cm =

20,0 10 –3

g.L-1

), on réalise les mélanges présentés dans le tableau, on les complète à 50,0 mL avec de

l'eau distillée puis on mesure l'absorbance A de chaque solution obtenue.

Le 19/01/2015 Durée : 3H30.

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Document 4 : solutions et matériels utilisables

Pour réaliser les différents mélanges, on dispose :

d'une solution d'o-phénanthroline à 0,015 mol.L-1

d'une solution d'hydroquinone à l%

de la verrerie suivante :

pipettes jaugées de 1,00 et 2,00 mL ;

burette graduée de 25,0 mL ;

éprouvettes graduées de 25 et 50 mL ;

béchers de 25 ; 50 et 100 mL ;

fioles jaugées de 50,0 et 100,0 mL.

Document 5 : courbe A en fonction de la concentration massique

Document 6 : mesure de la concentration en fer dans le médicament

On lave rapidement à l'eau distillée un comprimé de façon à retirer la totalité du colorant. On écrase

ensuite ce comprimé dans un mortier. La totalité du comprimé écrasé est introduite dans une fiole

jaugée de 1000,0 mL. On complète avec de l'eau distillée et on agite longuement la solution. Soit S0 la

solution incolore obtenue. On réalise ensuite le mélange suivant puis on mesure son absorbance A à 500

nm :

Le 19/01/2015 Durée : 3H30.

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QUESTIONS C A R E 1) Indiquer la verrerie qu'il faut utiliser pour préparer le mélange n°1 * *

2) Calculer la concentration massique notée Cm1 en ion Fe2

(aq) introduit dans le

mélange n°1. * *

3) On veut disposer d'une échelle de teintes indicatrice de la concentration en ions

Fe2

(aq) de chaque mélange.

Pourquoi la solution d'hydroquinone ne doit-elle pas être introduite en défaut ?

* *

4) En exploitant le graphe donnant l'évolution de l'absorbance A en fonction de la

concentration massique Cm en ions Fe2

(aq) , trouver la relation numérique qui

existe entre les grandeurs A et Cm, en précisant les unités.

* * * *

5) Pourquoi retire-t-on la totalité du colorant avant d’écraser le comprimé ? * *

6) En utilisant le graphe ou la relation établie à la question 5), déterminer la

concentration massique Cmo’ en ion Fe2

(aq) dans le mélange. * *

7) En déduire la valeur Cm0 de la concentration massique en ion Fe2

(aq) dans la

solution S0. * *

8) Déduire du résultat précédent, la masse d'ions Fe2

(aq) contenue dans un comprimé. * *

9) Calculer l'écart relatif entre le résultat expérimental et l'indication du fabricant.

Commenter le résultat * * *

10) D'après la notice, la masse de « sulfate ferreux sesquihydraté » dans un

comprimé est de 256,30 mg alors que la masse d'ions Fe2

(aq) est de 80 mg.

Calculer la quantité de matière en ions Fe

2+.

Données : masse molaire en g.mol –1

: M(Fe) = 55,8 ; M(S) = 32,1 ; M(O) = 16,0 ;

M(H) = 1,0

* *

11) Sachant qu’il y a la même quantité dans le sulfate de fer sesquihydraté, en

déduire sa masse molaire. * *

12) En notant FeSO4, xH2O la formule du sulfate ferreux sesquihydraté, montrer que

x = 1,5. * *

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III Intérêt du contrôle du pH dans un milieu biologique (uniquement pour

les élèves qui n’ont pas la spécialité physique)

Document 1 : le pH des milieux biologiques

Des ions oxonium H3O+ dans l’organisme

« II existe dans l’organisme, un très

important recyclage des protons,

libérés par certaines réactions,

utilisés par d’autres, et la

concentration de H3O+ reste à peu

près constante dans les conditions

physiologiques. Dans ce « cycle des

protons », il faut distinguer :

- d’une part, les voies

métaboliques qui aboutissent, dans

les conditions

physiologiques à un état stationnaire,

sans production apparente de

protons : c’est le cas, par exemple,

du métabolisme glucidique […]

- d’autre part, le catabolisme

de certains aliments qui conduit à la

libération de protons. […]

De nombreux autres facteurs tendent

à perturber l’équilibre acido-basique

des fluides extra

et intracellulaires, ainsi :

- la production de liquides

digestifs acides (estomacs) ou

alcalins (intestin) ;

- la libération métabolique

d’une quantité importante de CO2

[…], qui doit être éliminée par les

poumons. »

Extrait de J.-C. Chotard. J-C.

Depezay et J.-P. Leroux, Chimie

Fondamentale,

Études biologiques et médicales,

Hermann, 1998.

pH des liquides biologiques

L’organisme est constitué de

différents liquides, solutions

aqueuses de compositions

différentes, dont le pH est

étroitement régulé :

- le pH du liquide

intracellulaire est voisin de 7,0 ;

- le pH du sang veineux et du

liquide interstitiel sont très voisins

de 7,35 ;

- le pH du sang artériel varie

entre 7,35 et 7,45.

Si le pH du sang artériel n’est pas

compris entre ces deux valeurs, le

fonctionnement des cellules de

l’organisme est perturbé. On parle

d’acidose quand le pH du sang

artériel est inférieur à 7,35 et

d’alcalose quand il est supérieur à

7,45.

La régulation de la concentration

sanguine des ions H3O+ est réalisée

par :

- les systèmes tampons

chimiques du sang qui compensent

les variations dès les premières

secondes ;

- les poumons, par adaptation

de la fréquence et de l’amplitude

respiratoire, qui compensent en

quelques minutes ;

- le rein, régulateur très

puissant, qui agit plus lentement (de

plusieurs heures à plusieurs jours).

Le 19/01/2015 Durée : 3H30.

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Document 2 : Le tampon « phosphate »

Le système « tampon phosphate » est formé par le

couple acide/base ion dihydrogénophosphate/ion

hydrogénophosphate 𝐻2𝑃𝑂4−(𝑎𝑞)/𝐻𝑃𝑂4

2−(𝑎𝑞).

C’est un système tampon très efficace mais sa

concentration dans le liquide extracellulaire est trop

faible pour qu’il puisse y jouer un rôle important.

Par contre, les ions 𝐻2𝑃𝑂4−(𝑎𝑞) et 𝐻𝑃𝑂4

2−(𝑎𝑞) sont

très abondants dans les cellules. Ce système tampon

est donc l’un des principaux systèmes tampons du

liquide intracellulaire.

Document 3 : Le tampon « bocarbonate »

Le principal système tampon de liquides

extracellulaires, et donc du plasma humain, est le

« tampon bicarbonate » formé par le couple acide/base

dioxyde de carbone dissous/ions hydrogénocarbonate :

𝐶𝑂2, 𝐻2𝑂(𝑎𝑞)/𝐻𝐶𝑂3−(𝑎𝑞).

C’est un système tampon très efficace car chacune des

espèces étant très abondante dans le liquide

extracellulaire, sa réaction en cas de variation de pH est

très rapide. Par ailleurs, la concentration de chacune

des espèces est elle-même régulée par le rein pour l’ion

𝐻𝐶𝑂3− et par les poumons pour 𝐶𝑂2, 𝐻2𝑂(𝑎𝑞).

Ce système tampon participe à une réaction acido-

basique avec le couple H3O+(aq)/H2O(l) selon la

réaction d’équation :

𝐻𝐶𝑂3−(𝑎𝑞) + 𝐻3𝑂

+(𝑎𝑞 ⇋ 𝐶𝑂2, 𝐻2𝑂(𝑎𝑞) + 𝐻2𝑂(𝑙)

Document 4 : Les calculs urinaires

Les calculs urinaires sont des concrétions minérales qui se

forment dans les voies urinaires.

La formation des calculs dépend des prédispositions

génétiques, mais surtout de l’alimentation et d’une

insuffisance d’apport hydrique.

Ainsi le pH acide favorise l’apparition de cristaux d’acide

urique. Ces cristaux peuvent être dissous dans les voies

urinaires en buvant chaque jour 1 à 2 L d’une eau de type

« eau de Vichy ».

Le bicarbonate représente ici l’ion hydrogénocarbonate

HCO3-.

Document 5 : De l’importance du pH dans la formation des calculs

Le rôle du pH urinaire est essentiel dans la formation des calculs d’acide urique.

En effet, si le pH de l’urine est voisin de 7, alors 95% de l’acide urique est sous forme d’ion

urate soluble en solution aqueuse.

En revanche, si son pH est voisin de 5, alors tout l’acide urique est présent à l’état non ionisé

insoluble.

Ainsi, tout facteur favorisant l’acidité des urines va favoriser la formation de calculs d’acide

urique.

Le 19/01/2015 Durée : 3H30.

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QUESTIONS C A R E

1) Donner la définition d’un acide selon Bronsted. * *

2) Rappeler la relation qui lit le pH à la concentration en ion oxonium . * *

3) Calculer les valeurs des concentrations en ions oxonium H3O+ dans le liquide

intracellulaire, le sang veineux et le sang artériel. * *

*

4) Écrire l’équation de la réaction du couple ion dihydrogénophosphate/ion

hydrogénophosphate 𝐻2𝑃𝑂4−(𝑎𝑞)/𝐻𝑃𝑂4

2−(𝑎𝑞) dans l’eau.

* * * *

5) À partir des documents 3, 4 et 5 et de vos connaissances, rédigez (environ 10

lignes) une synthèse argumentée répondant à la problématique suivante :

Montrer en quoi la consommation d’eau de Vichy permet de lutter contre la

formation des cristaux d’acide urique ?

Quelques pistes d’évaluation

Identification de la problématique

Analyse, interprétation des documents

Mise en lien documents et connaissances

Réponse à la problématique

Rédaction (respect des 10 lignes maxi, pas de paraphrases, qualité de l’expression)

* *

* *

* *

* *

* *

* *

Le 19/01/2015 Durée : 3H30.

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IV Modes de résonance d’une corde (uniquement pour les élèves de spé)

À chaque question du QCM, il correspond aucune, une ou plusieurs réponses exactes.

ATTENTION : une réponse juste sans justification rigoureuse ne rapporte

aucun point.

Ecrire vos réponses sur copie séparée de celle du tronc commun.

Aucune réponse sur le sujet ne sera prise en compte.

Notre ami Charlie assiste, de son balcon, à un concert donné par un groupe fort sympathique dans la rue.

Irrité de ne pas bien voir le guitariste situé trop loin (environ 50 m), et ne pouvant quitter son appartement, il

se doit de trouver une solution. Il fouille dans ses tiroirs, et ô miracle, il trouve une lentille convergente. En

observant la corde de la guitare, il constate que la 1ère

note d’une chanson est jouée en pinçant la corde la

plus épaisse, qui correspond à la note Mi1 de fréquence 82 Hz. La corde oscille librement sur toute sa

longueur égale à 62 cm.

Document 1 : Force de Laplace ou force électromagnétique

Un conducteur de longueur L parcouru par un courant d’intensité I placé dans un champ magnétique �⃗� est

soumis à la force de Laplace 𝐹 dont le sens et la direction sont donnés par la règle de la main droite tel

que le montre le schéma ci-dessus et de norme F = I.L.B.

Si l’on inverse le sens du courant ou du champ magnétique B, la force F s’inverse elle-aussi.

Document 2 : aimant en U On a pu voir dans le programme de 1ière S que les lignes de champs se

referment sur elles-mêmes. On voit, de même, que les lignes de

champs situées entre les deux branches de l’aimant en U sont

parallèles : les vecteurs champs magnétiques ont même sens,

même direction et même valeur. Ceci est la caractéristique d’un

champ magnétique uniforme.

Le 19/01/2015 Durée : 3H30.

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QUESTIONS C A R E 1) Quel oscillogramme correspond à la note mi1 jouée ? (voir annexe)

oscillogramme 1 ❐ oscillogramme 2 ❐

* * *

2) Quel(s) pourrai(ent) être le(s) spectre(s) de fréquence de cette note ? (voir

annexe)

spectre 1 ❐ spectre 2 ❐ spectre 3 ❐ spectre 4 ❐

* * *

3) La note a été jouée avec un niveau sonore de 100 dB. En même temps, l’autre

guitariste du groupe jouait la même note avec le même niveau sonore 100 dB.

Déterminer le niveau sonore final. Le niveau sonore est donné par la relation : L

= 10 log(I/Io) avec Io = 10-12

W.m-2

200 dB ❐ 103 dB ❐ 106 dB ❐ 97 dB ❐

* * *

4) La fréquence imposée de vibration de la corde varie de 0 à 250 Hz. Pour

quelle(s) valeur(s) la corde est-elle en résonance ?

20,5 ; 41 ; 61,5 ; 82 ; 102,5 ; 123 ; 143,5 ; 164 ; 184 ; 205 ; 225,5 ; 246 Hz ❐

82 ; 164 ; 246 Hz ❐

41 ; 82 ; 123 ; 164 ; 205 ; 246 Hz ❐

* * *

5) On impose la fréquence 164 Hz. Quel est l’aspect de la corde ?

1 fuseau ❐ 2 fuseaux ❐ 3 fuseaux ❐ 4 fuseaux ❐ brouillé ❐

* * *

6) Quelle est la valeur de la longueur d’onde de l’onde qui se propage ?

15,5 cm ❐ 31 cm ❐ 41,3 cm ❐ 62 cm ❐ 124 cm ❐

* * *

7) Quelle est la vitesse de l’onde qui se propage ?

25 m.s-1

❐ 51 m.s-1

❐ 68 m.s-1

❐ 102 m.s-1

❐ 203 m.s-1

❐

* * *

8) On impose la fréquence 166 Hz. Quel est l’aspect de la corde ?

2 fuseaux ❐ 3 fuseaux ❐ 4 fuseaux ❐ 5 fuseaux ❐ brouillé ❐

* * *

9) Quelle(s) possibilité(s) choisir pour obtenir à nouveau une corde en résonance,

avec le même nombre de fuseaux qu’à la question 3, ceci sans changer la

fréquence imposée.

On rappelle que la vitesse de l’onde se propageant sur la corde est donnée par V

√𝑇

𝜇 où T est la tension de la corde et μ sa masse linéique (kg.m

-3).

on augmente la tension sans changer la corde ❐

on prend une corde plus grosse sans changer la tension ❐

on diminue la tension sans changer la corde ❐

on prend une corde moins grosse sans changer la tension ❐

* * *

10) Charlie trouve sa guitare, enlève la corde la plus grosse (identique à celle du

guitariste et de même longueur), et désire la soumettre à des oscillations

verticales forcées.

Quel montage doit-il choisir ? (voir annexe)

montage 1 ❐ montage 2 ❐ montage 3 ❐

* * *

Le 19/01/2015 Durée : 3H30.

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Annexe exercice IV

Le 19/01/2015 Durée : 3H30.

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FICHE EVALUATION PROF NOM ELEVE :

Barème

exercice I

C A R E

1) * *

2) *

3) * *

4) * *

5)

* * * * * *

6) * * * *

7) * *

8)

9) * * * *

10) * * * *

11) * *

12) * * *

13) * * * *

14) * * * * *

15) * *

Barème

exercice

II

C A R E

1) * *

2) * *

3) * *

4) * * * *

5) * *

6) * *

7) * *

8) * *

9) * * *

10) * *

11) * *

12) * *

Barème

exercice IV

C A R E

1)

* * *

2)

* * *

3)

* * *

4)

* * *

5)

* * *

6)

* * *

7)

* * *

8)

* * *

9)

* * *

10)

* * *

Barème exercice III C A R E

1) * *

2) * *

3) * *

*

4) * * * *

5)

Pistes d’évaluation

Identification

Analyse

Lien

Réponse

Rédaction

* *

* *

* *

* *

* *

* *

Notation et commentaires C A R E

Nombre de compétences

validées (exos I,II)

Sur un total de 5 26 22 17

Note et appréciations (spé)

Notation et commentaires C A R E

Nombre de compétences

validées (exos I,II et III)

Sur un total de 9 34 28 21

Note et appréciations (non spé)