Exercice de spécialité
Chacun de ces exercices, juxtaposé aux exercices 1 et 2 d'un sujet spécifique, ....
Dans un semiconducteur macroscopique, les états d'énergie électroniques se ...
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PHYSIQUE-CHIMIE
Terminale S
SUJETS ZÉRO 2013
SPÉCIALITÉ
Enseignement de spécialité, extrait du BO
En plaçant lélève en situation de recherche et daction, cet enseignement lui permet de consolider les compétences associées à une démarche scientifique. Lélève est ainsi amené à développer trois activités essentielles chez un scientifique :
la pratique expérimentale
lanalyse et la synthèse de documents scientifiques
la résolution de problèmes scientifiques.
EXERCICES DE SPÉCIALITÉ (5 points)
Sont présentés ici trois exercices de spécialité. Chacun de ces exercices, juxtaposé aux exercices 1 et 2 dun sujet spécifique, formerait un sujet de spécialité.
TOC \o "1-1" \h \z \u HYPERLINK \l "_Toc315524890" EXERCICE I - COMMENT SONT POSITIONNÉES LES FRETTES SUR LE MANCHE DUNE GUITARE ? PAGEREF _Toc315524890 \h 2
HYPERLINK \l "_Toc315524891" EXERCICE II - ÉTUDE DE DEUX NANO-OBJETS PAGEREF _Toc315524891 \h 5
HYPERLINK \l "_Toc315524892" EXERCICE III - la salinitÉ POUR SURVEILLER LES OCÉANS PAGEREF _Toc315524892 \h 8
COMMENT SONT POSITIONNÉES LES FRETTES SUR LE MANCHE DUNE GUITARE ? (5 points)
Comme le montre la photographie ci-dessous, pour modifier la hauteur du son émis, le guitariste appuie sur la corde au niveau dune case, de façon à modifier la longueur de la corde utilisée. Des pièces métalliques, nommées frettes, délimitent les cases sur le manche dune guitare.
En sappuyant sur les documents donnés aux pages 3 et 4, répondre aux questions suivantes :
Discuter qualitativement de linfluence de la longueur, de la tension et de la masse par unité de longueur de la corde sur la fréquence du son émis par une corde vibrante.
Expliquer qualitativement comment un guitariste passe dune note jouée Sol à la note La de la même octave et à laide de la même corde.
Déterminer les fréquences de Do3 et Do4.
Prévoir les positions approchées en cm des quatre premières frettes. Effectuer ensuite quelques vérifications simples à laide de la photo du document 1.
DOCUMENTS DE LEXERCICE
Document 1 : Description du manche dune guitare
Document 2 : Corde vibrante
Document 3 : Gamme tempérée
SHAPE \* MERGEFORMAT
ÉTUDE DE DEUX NANO-OBJETS (5 points)
Cet exercice sintéresse à linteraction lumière-matière pour deux nano-objets : les cyanines et les nanocristaux Cadmium-Sélénium.
Un dossier documentaire est mis à la disposition du candidat pour répondre aux questions posées.
Un raisonnement scientifique est attendu à chaque réponse.
Après les Led (Light Emitting Diodes) et les Oled (Organic Leds), bienvenue aux QLed, avec un Q pour Quantum. Cette nouvelle génération décrans utilise en effet des « boîtes quantiques » pour allumer les pixels. Ces minuscules nanoparticules émettent de la lumière lorsquelles sont excitées. Cette curiosité de laboratoire pourrait devenir une nouvelle technologie daffichage.
La société américaine QD Vision, issue du MIT (Massachusetts Institute of Technology), a ainsi présenté un prototype au salon « Society of Information Display 2011 » consacré aux écrans.
Source : Forum Futura Sciences
On propose de trouver le lien entre la taille dun nano-objet et la couleur de la lumière perçue.
Montrer par un raisonnement quantitatif simple quune molécule de cyanine est un objet de taille nanométrique.
Recopier sur votre copie la figure 3.2. du document 3, puis compléter le mécanisme dabsorption par une molécule de cyanine. Vérifier que la variation d énergie "E correspondant à l absorption d un photon par une molécule de cyanine représentée sur le document 2 est de l ordre de quelques électron-volts.
Montrer que l énergie cinétique moyenne d un électron qui participe à une double liaison d une molécule de cyanine de longueur L est :
EMBED Equation.DSMT4
Justifier l évolution de l énergie de fluorescence "E en fonction de la taille du nanocristal.
Déterminer la taille d un des trois nanocristaux présentés dans le document 5.
DOCUMENTS DE LEXERCICE III
Document 1. Données
Constante de Planck : h = 6,62(10-34 J.s
Célérité de la lumière dans le vide : c = 3,00(108 m.s-1
Valeur de lélectron-volt : 1 eV = 1,60(10-19 J
Masse de lélectron : me = 9,11(10-31 kg
Longueur moyenne dune liaison covalente : l = 0,1 nm
Document 2. La cyanine : un colorant organique
Les cyanines sont des colorants organiques répandus. Par exemple, on les utilise dans les pellicules pour la photographie argentique en couleur. La longueur L d une telle molécule détermine la longueur d onde lumineuse » qu elle absorbe, c est-à-dire la couleur absorbée. La couleur de la substance vue en lumière blanche sera donc complémentaire de la couleur absorbée.
Dans ces molécules, chaque électron qui participe à une double liaison se répartit tout le long de la chaîne.
Autrement dit, la molécule se comporte comme un segment de fil conducteur.
Quel est le spectre dénergie de ces électrons ? Il dépend de la longueur L de la molécule et lexplication fait appel à la mécanique quantique. Depuis le début du XXe siècle, on sait que tout corpuscule se comporte aussi comme une onde. Quelles sont les longueurs donde possibles dans un fil conducteur ? On peut utiliser lanalogie avec une corde vibrante de longueur L, fixée à ses deux extrémités. Ces dernières devant être des nSuds de l onde, le mode fondamental de vibration correspond à une longueur d onde de De Broglie
»DB = 2L. Ainsi, plus un fil conducteur est court, plus la longueur d onde associée à lélectron est petite.
Daprès Pour la science EMBED PBrush
Longueur donde de la lumière absorbée
Document 3. Etapes du processus dabsorption de la cyanine
Figure 3.1. Figure 3.2.
Document 4. Le nanocristal CdSe : une nanoparticule semi-conductrice
Des nanosphères de séléniure de cadmium de quelques nanomètres de diamètre sont utilisées comme marqueurs fluorescents. Dans une telle sphère, londe associée à un électron mobile est confinée, ce qui produit des niveaux dénergie discrets. Lécart entre niveaux, qui détermine la couleur de fluorescence, dépend notamment de la taille de la nanosphère. Le choix de cette taille permet alors dobtenir la couleur de fluorescence désirée.
Selon les mêmes principes que ceux à luvre dans les molécules de cyanines, seule la taille des sphères détermine la couleur de ces objets.
Si lénergie cinétique de lélectron augmente, les différences dénergie augmentent aussi.
Des nanosphères de 5 nm de diamètre ont ainsi une fluorescence de couleur bleue, tandis que celles mesurant 20 nm sont rouges.
Daprès Pour la science
Document 5. Influence du rayon dun nanocristal sur lénergie de fluorescence
Dans un semiconducteur macroscopique, les états dénergie électroniques se répartissent de façon continue en deux bandes appelées bande de valence et bande de conduction. Elles sont séparées par une bande dite interdite où il ny a pas détat dénergie permise pour les électrons. Par excitation lumineuse il est possible de transférer un électron du haut de la bande de valence (état fondamental) au bas de la bande de conduction (état excité). La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par l'excitation d'une nanocristal initialement dans son état fondamental (généralement par absorption d'un photon) immédiatement suivie dune désexcitation du nanocristal par émission spontanée dun photon de même longueur donde.
Les expériences effectuées sur les premiers nanocristaux semiconducteurs dans les années 90 ont montré que les états électroniques ne se répartissent pas en bandes dénergie mais en un ensemble de niveaux discrets. Il sagit dun effet quantique dû à la dimension réduite du nanocristal.
Source CEA
Figure 5.1. Niveaux dénergie discrets
de nanocristaux de tailles différentesIntensité
lumineuseFigure 5.2. Spectre de fluorescence de trois nanocristaux de rayons différents
"E (eV)
la salinitÉ POUR SURVEILLER LES OCÉANS (5 points)
L eau des océans est en mouvement permanent. C est un tapis roulant géant, à l échelle du globe, d eaux chaude ou froide. On connait une partie de ce tapis roulant : le Gulf Stream.
Les mesures de paramètres physico-chimiques de leau des océans alimentent les modèles de circulation océanique. En effet, les mouvements des masses deau sont régis par trois facteurs principaux :
- les vents de surface pour les courants de surface (non abordé dans lexercice) ;
- la température : une masse deau chaude est moins dense quune masse deau froide, ce qui entraîne un mouvement ascendant de leau plus chaude et descendant de leau plus froide ;
- la salinité : plus une eau est salée plus elle est dense, ce qui entraîne un mouvement descendant de cette eau.
Lévolution de cette circulation est sûrement liée au réchauffement climatique et peut être étudiée grâce à des mesures de la salinité de leau. Les océans sont donc sous surveillance.
Par exemple, le programme ARGO est lancé depuis plus de 10 ans : environ 3000 bouées enregistrent quotidiennement température et salinité de leau de mer en surface, au gré de leur errance sur tous les océans. Une de ces bouées est photographiée ci-dessous.
Régulièrement, les bouées émettent leurs données qui sont transmises par satellite. Chaque point sur le document ci-dessous correspond à la position dune des bouées au 15 septembre 2011.
Comprendre la notion de salinité
Leau de mer contient de nombreuses espèces dissoutes, la majorité dentres elles est sous forme dions. Celle-ci est définie comme la masse en gramme despèces dissoutes contenues dans un kilogramme deau de mer. Leau de mer de référence appelée « eau de mer normale » à la température de 15°C et à la pression atmosphérique normale de 1,0 bar, possède une salinité S de 35 g.kg1.
La densité de leau de mer normale d est égale à 1,02597. Quelle est la masse despèces dissoutes dans un m3 de cette eau de mer ?
Proposer un protocole simple permettant de mesurer la salinité dune eau de mer au laboratoire.
Mesurer la salinité des océans
Les espèces dissoutes dans leau de mer étant essentiellement ioniques, la mesure de la conductivité électrique de leau de mer sest imposée pour en déduire la salinité. Dans les océans, les salinomètres comme ceux présents sur les bouées du programme ARCO mesurent simultanément la température, la pression et la conductivité de leau de mer. Elles peuvent réaliser jusquà huit mesures de conductivité par seconde, aboutissant à autant de valeurs de salinité.
Les mesures de conductivité permettent de calculer la salinité S en g.kg-1 dun échantillon deau de mer à partir de la formule suivante :
S = 0,0080 0,1692 K 1/2 + 25,3853 K + 14,0941 K 3/2 -7,0261 K 2 + 2,7081 K 5/2
avec K défini comme le rapport entre la conductivité électrique de cet échantillon deau de mer (à 15°C et à la pression de 1,0 bar), et la conductivité électrique dune solution de chlorure de potassium de référence de concentration molaire C = 4,48(10-1 mol.L-1 mesurée à la même température et à la même pression.
Données :
Conductivité électrique dune solution : QUOTE pour QUOTE < 10 mol.m-3 ;
Conductivité molaire ionique des ions chlorure à 15°C : lð(Cl-) = 6,10(10-3 S.m2.mol-1
Conductivité molaire ionique des ions potassium à 15°C : lð(K+) = 5,88(10-3 S.m2.mol-1
En utilisant la relation donnant la conductivité électrique d une solution, calculer la conductivité électrique de la solution de référence de chlorure de potassium. On mesure, à 15°C, la valeur de cette conductivité électrique QUOTE 4,2914 S.m-1. Comparer ce résultat à la valeur calculée précédemment. Proposer une explication à lécart obtenu.
Pour un échantillon de leau de locéan arctique (à 15°C et à la pression de 1,0 bar), on mesure la conductivité (arct = 3,9604 S.m-1. Calculer la valeur de la salinité S dune solution de cette eau de mer en donnant le résultat avec deux chiffres significatifs. Comparer à la salinité de «leau de mer normale ».
La salinité des eaux de surface océaniques et le climat
Les mesures relevées par les bouées du programme ARCO, ont permis de relever différents paramètres en fonction de la latitude.
La salinité de locéan est un paramètre clef pour étudier la circulation océanique des eaux de surface et comprendre le lien avec le changement climatique.
Figure 7. Évolution de la température et de la salinité des eaux de surface
en fonction de la latitude, à partir des relevés de balise ARCO.
Figure 8. Précipitations annuelles en mm
À laide de la figure 7, proposer une explication à lévolution de la salinité des eaux de surface pour les latitudes comprises entre 60° et 20° sud.
À laide des figures 7 et 8, proposer une explication à lévolution de la salinité des eaux de surface au voisinage de la latitude de 0°.
Proposer une explication aux écarts de salinité moyenne des zones B et C par rapport à leau de mer normale (zone Atlantique Nord).
Zone étudiéeAtlantique NordZone A (zone arctique)Zone B (mer Méditerranée)Zone C (embouchure du fleuve Amazone)Salinité moyenne (g.kg-1)35323931
Émettre une hypothèse sur lévolution de la salinité dans la zone arctique compte tenu de laugmentation de la température dans cette zone due au réchauffement climatique.
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Les notes se suivent dans lordre Do, Ré, Mi, Fa, Sol, La, Si, Do ; un « cycle » correspond à une octave.
On envisage 10 octaves numérotées de -1 à 8.
Chaque note dune gamme est caractérisée par sa fréquence. Par convention, le La3 (diapason des musiciens) de loctave numérotée 3 a une fréquence de 440 Hz.
Le passage dune note à la note du même nom à loctave supérieure multiplie sa fréquence par deux ; ainsi la fréquence du La2 est égale à 220 Hz et celle du La4 à 880 Hz.
Dans la gamme tempérée, le quotient de la fréquence dune note sur la fréquence de la note précédente est égal à EMBED Equation.3 ( 1,059. Si lon note f la fréquence de la note Do, note fondamentale dune octave donnée, les fréquences des notes successives de cette octave sont regroupées dans le tableau suivant :
notefréquenceDofDo# Réb EMBED Equation.3 × f = 1,059 × fRé EMBED Equation.3 × f = 1,122 × fRé# Mib EMBED Equation.3 × f = 1,189 × fMi Fab EMBED Equation.3 × f = 1,260 × fMi# Fa EMBED Equation.3 × f = 1,335 × fFa# Solb EMBED Equation.3 × f = 1,414 × fSol EMBED Equation.3 '012?i] w « Õ Ö × Ø ü ý
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