Optique et Physico Chimie 2003 S.T.L (Physique de laboratoire et de procédés industriels) Baccalauréat technologique

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Examen du Secondaire Baccalauréat technologique. Sujet de Optique et Physico Chimie 2003. Retrouvez le corrigé Optique et Physico Chimie 2003 sur Bankexam.fr.

Sujets

• 2003

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• Publié par: bankexam
• Publié le: 05 juin 2007
• Nombre de lectures: 52
• Langue: Français

Extrait

3OEPLME1

1

BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE

Session 2003

Épreuve :

OPTIQUE et PHYSICO-CHIMIE

Partie Théorique

Série

SCIENCES ET TECHNOLOGIE DE LABORATOIRE

PHYSIQUE DE LABORATOIRE ET

DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS

Durée de l'épreuve : 3 heures

coefficient : 5

L'usage de la calculatrice est autorisé.

Le sujet comporte 4

pages.

PHYSICO-CHIMIE

(4 points)

page 2

OPTIQUE

(16 points)

pages 2 à 4

3OEPLME1

2

PHYSICO-CHIMIE

(4 points)

LA MOLÉCULE D’EAU

1 -

Donner la configuration électronique de l’atome d’hydrogène

1

H et de l’atome d’oxygène

8

O .

2 -

En déduire la place occupée par ces deux éléments dans la classification périodique des éléments.

Justifier.

3 - a)

Expliquer la formation de la molécule d’eau

à partir des cases quantiques.

b)

Préciser la nature des liaisons chimiques dans cette molécule.

c)

Faire un schéma légendé précisant la structure géométrique de la molécule (aucune valeur

numérique n’est demandée).

4 -

La longueur d’onde des photons permettant de séparer un atome d’oxygène d’un atome

d’hydrogène dans la molécule d’eau est de 259 nm.

a)

Calculer l’énergie de ces photons en joules et en électron-volts.

b)

En déduire l’énergie de la liaison

O

H en kJ.mol

-

1

.

Données

Constante de Planck :

h = 6,63

×

10

– 34

J.s.

Célérité de la lumière dans le vide :

c = 3

×

10

8

m.s

–1

.

1 eV = 1,6

×

10

–19

J.

Constante d’Avogadro : N = 6,02

×

10

23

mol

-

1

.

OPTIQUE

(16 points)

Les parties I, II et IV sont indépendantes

Un client biologiste vous demande de lui expliquer la notice du microscope qu’il vient d’acquérir.

Dans le descriptif, vous notez que le coffret contient :

-

3 objectifs achromatiques de grandissement transversal

γ

ob

et d’ouverture numérique O.N.

Objectifs

Grandissement

ouverture numérique

×

5

0.10

×

10

0.25

×

40

0.65

-

3 oculaires de Ramsden.

L’intervalle optique

Δ

= F

′

ob

F

oc

= 160 mm et le diaphragme d’ouverture D.O. de l’instrument est en F

′

ob

.

3OEPLME1

3

Dans tout l’exercice, on supposera que le client est

emmétrope et n’accommode pas

.

objectif

A

F

′

ob

Oculaire

oeil

Pupille d’entrée

D.O.

Partie I -

ÉTUDE DES OCULAIRES

Les trois oculaires

peuvent servir de loupe pour examiner un texte dont les lettres font

AB = 0,7 mm

de

hauteur moyenne.

1 -

Déterminer sous quel angle

α

ces lettres seront vues à l’oeil nu si on se place à

D = 25 cm

de la

feuille.

Faire un schéma explicatif.

2 - a)

Le client est emmétrope. Il cherche à observer le texte à travers chaque oculaire sans

accommoder : où doit-il placer le texte ?

b)

Les trois oculaires ont pour

distances focales :

•

(f

′

oc

)

1

= 17 mm

pour le premier,

•

(f

′

oc

)

2

= 25 mm

pour le deuxième,

•

(f

′

oc

)

3

= 50 mm

pour le troisième.

Avec lequel des oculaires le texte paraîtra-t-il le plus gros ?

Justifier votre réponse en vous aidant d’un schéma ; on représentera chaque oculaire par une

lentille de distance f

′

oc

et on placera l’oeil du client

en F

′

oc

.

3 -

On utilise l’oculaire de distance focale (f

′

oc

)

1

.

a)

Calculer sous quel angle

α

′

l’image d’une lettre sera vue.

b)

Calculer le grossissement G de cet oculaire.

c)

Calculer la puissance

de cet oculaire P

oc

.

4 -

Cet oculaire de Ramsden est en fait constitué de deux lentilles minces convergentes L

1

et L

2

et a

pour symbole (3,2,3).

a)

Expliquer ce que signifie le symbole. Calculer la distance focale en fonction du paramètre a.

En déduire la valeur de a pour l’oculaire choisi à la question

3-a)

b)

La condition d’achromatisme apparent est-elle vérifiée par cet oculaire ?

Partie II - ÉTUDE DE L’OBJECTIF

L’observateur choisit d’utiliser l’objectif le plus puissant, marqué

×

40

.

1 -

Que représente l’ouverture numérique ? Expliquer par un schéma de principe.

Donner l’ouverture numérique relative à l’objectif

×

40.

2 -

Calculer la distance focale f

′

ob

de l’objectif sachant que

Δ

= 160 mm.

3OEPLME1

4

III -

UTILISATION

DU MICROSCOPE

1 -

Le client biologiste veut observer des hématies (globules rouges) de grenouille. On rappelle que le

client est emmétrope et n’accommode pas.

a)

Où se trouvent l’image finale donnée par le microscope et l’image intermédiaire donnée par

l’objectif ? Où se situe l’objet ?

On admettra que la puissance intrinsèque de cet oculaire P

oc

vaut

60

δ

.

b)

Calculer la puissance intrinsèque (P

i

)

micro

puis la distance focale f

′

micro

. Justifier le signe de

f

′

micro

.

c)

Calculer l’angle

α

′

sous lequel on verrait à travers l’instrument le globule de sang de

grenouille de diamètre

AB = 22 μm

.

d)

La limite de résolution de l’oeil est de

ε

= 3

×

10

-

4

rad

.

La puissance de l’instrument est-elle suffisante pour que le globule soit visible ? Justifier.

e)

Vous précisez à votre client qu’il doit placer son oeil au niveau du cercle oculaire.

Définir le cercle oculaire.

f)

Déterminer sa position que l’on notera O

co

.

2 -

À l’aide d’un tube à tirage, on éloigne l’oculaire de l’objectif de manière à augmenter de

100 mm

la

distance oculaire-objectif :

a)

Que vaut le nouvel intervalle optique

Δ

micro2

?

b)

Calculer la nouvelle distance focale f

′

micro2

.

c)

Déterminer le nouveau grossissement commercial que l’on notera g.

IV - OBSERVATION EN LUMIÉRE POLARISÉE

P1

objectif

D.O.

oculaire

P2

A

Le microscope est livré avec un jeu de 2 filtres polaroïds identiques P

1

et P

2

. Le filtre P

2

est placé dans

l'oculaire ; son axe peut tourner par rotation de l'oculaire dans le tube. P

1

se place entre la source

d'éclairage et l'objet. L'éclairage sera supposé monochromatique

(

λ

= 0,5

μ

m)

et la vibration considérée

se propage suivant l'axe du microscope.

1 -

Quelle est la nature de la lumière émergeant de P

1

et éclairant le plan objet [A] ?

Pour quelle

orientation de l'axe de P

2

l'intensité E transmise à l'oeil est-elle maximale ? Soit E

m

cette valeur.

2 -

Quel est le nom utilisé pour P

2

?

3 -

Comment varie l'intensité E en fonction de E

m

et de l'angle

θ

que font les axes de P

1

et P

2

?

Indiquer l’unité de E.

4 -

Quel est le nom de la loi physique utilisée ? Pour quelle valeur de

θ

observera-t-on une extinction ?

5 -

De quel angle

θ

faut-il tourner P

1

pour que l’éclairement E transmis soit égal à la moitié de

l’éclairement incident ?

6 -

Que vaut le rapport E/E

m

lorsqu’on tourne P

2

de 30 ° ?

3OEPLME2

1

BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE

Session 2003

Épreuve :

OPTIQUE et PHYSICO-CHIMIE

Partie Théorique

Série

SCIENCES ET TECHNOLOGIE DE LABORATOIRE

PHYSIQUE DE LABORATOIRE ET

DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS

Durée de l'épreuve : 3 heures

coefficient : 5

L'usage de la calculatrice est autorisé.

Deux feuilles de papier millimétré, réservée à la partie Optique, seront distribuées au

candidat.

Le sujet comporte 5

pages, dont le document-réponse, page 5 est à rendre avec la copie.

PHYSICO-CHIMIE

(4 points)

page 2

OPTIQUE

(16 points)

pages 2 à 5

dont, le document-réponse

page 5

3OEPLME2

2

PHYSICO-CHIMIE

(4 points)

L’ÉLÉMENT CHLORE

Le numéro atomique de l’élément chlore (Cl) est Z = 17.

1 - Structure de la matière

a)

Donner la configuration électronique de l’atome de chlore dans son état fondamental.

b)

Quelle est la position de l’élément chlore dans la classification périodique ?

À quelle famille d’éléments appartient-il ?

c)

Quel est le nombre d’électrons périphériques de l’atome de chlore ?

Que peut-on en déduire quant au nombre et à la nature des liaisons possibles entre le chlore et

d’autres atomes ?

d)

Expliquer la formation de la molécule de dichlore

Cl

2

à partir des cases quantiques.

2 - Niveaux d’énergie moléculaires

a)

Pour passer de l’état fondamental à l’état dissocié, une molécule de dichlore requiert une

énergie de 2,52 eV.

Quelle est la fréquence minimale de la radiation que peut absorber une molécule de dichlore ?

b)

En déduire la longueur d’onde et la couleur de la radiation absorbée par le dichlore.

Expliquer alors pourquoi le gaz dichlore a une couleur jaune-verdâtre.

Données :

Constante de Planck :

h = 6,62

×

10

-

34

J.s.

Célérité de la lumière dans le vide :

c = 3

×

10

8

m.s

-

1

.

1 eV = 1,6

×

10

–19

J.

couleur

d’émission

rouge

orangé

jaune

vert

bleu

indigo

violet

longueur d’onde

dans le vide (nm)

780

610

590

570

500

450

440

380

3OEPLME2

3

OPTIQUE

(16 points)

Les deux parties A et B sont indépendantes

Les parties I et II de la partie A sont également indépendantes

A - ÉTUDE D’UN MICROSCOPE

Le microscope est livré avec un oculaire de

type (3,2,3)

.

Le diaphragme d’ouverture du microscope est supposé centré en F

′

ob

, foyer image de l’objectif.

On supposera l’intervalle optique

oc

ob

F

F

′

égal à 17,0 cm

.

I

- Étude de l’oculaire :

1 - a)

Soit a le paramètre de l’oculaire :

calculer la position de ses éléments cardinaux en fonction de a.

b)

Construire les points F

oc

, F

′

oc

, H

oc

et H

′

oc

sur un schéma à l’échelle

a = 2 cm

.

2 - a)

L’oculaire est-il positif ou négatif ? Justifier.

b)

Est-il achromatique apparent ? Justifier.

II - Utilisation du microscope:

1 - Étude des combinaisons oculaire/objectif :

On utilise

les objectifs

×

10 et

×

40

du microscope combinés avec des

oculaires

×

10 et

×

15

.

a)

Que signifient ces nombres?

b)

Donner les formules (en précisant les unités) permettant de calculer le grossissement

commercial et la puissance intrinsèque du microscope à partir de ces données.

En déduire les valeurs correspondant aux diverses combinaisons oculaire/objectif et les

présenter dans un tableau.

2 - Pupille de sortie :

Pour l’oculaire

×

15

, calculer la position de O

′

, centre de la pupille de sortie du microscope.

Quel

nom donne-t-on à cette pupille?

3OEPLME2

4

3 - Utilisation de la chambre claire :

L’observateur accommodant au maximum, sa distance minimale de vision distincte vaut

dm = 15 cm

.

Son oeil est placé au foyer image F

′

oc

de l’oculaire

×

15

.

Il utilise l’objectif

×

40

, de

distance focale

4,25 mm

.

À l’aide du dispositif de la chambre claire, il peut dessiner le contour de

l’image

d’une cellule de longueur réelle AB = 25

μ

m.

a)

Où est située l’image définitive A

′

B

′

?

b)

En déduire la position de l’image objective A

1

B

1

, puis la position de l’objet au micromètre

près.

c)

Déterminer le grandissement de l’objectif, puis celui de l’oculaire.

En déduire le grandissement global et

le comparer au grossissement du microscope, pour

cette utilisation.

4 - Image réelle :

On retire à présent la chambre claire.

On désire obtenir une image de la cellule sur un écran placé

après

F

′

oc

.

Dans quel sens doit-on bouger le tube du microscope par rapport à sa position de la question

3

?

Justifier.

B - LOI DE MALUS

Le dispositif expérimental permettant de mettre en évidence cette loi fournit les données recueillies dans

le tableau

du document-réponse, page 5. E représente la valeur de l’éclairement à la sortie du montage et

E

max

sa valeur maximale.

1 - Dispositif expérimental :

Décrire ce dispositif à l’aide d’un schéma annoté. On prendra soin d’indiquer le nom des

instruments utilisés, la nature de la lumière dans les différentes régions qu’ils délimitent et la

signification de l’angle

α

.

2 - Loi de Malus :

Citer cette loi (préciser l’unité de E). Pour quelles valeurs de

α

l’éclairement sera-t-il égal à E

max

?

3 - Courbe E/E

max

= f(cos

2

α

) :

Compléter le tableau du document-réponse et tracer cette courbe représentative. En déduire son

équation, dont on donnera les coefficients.

4 -

L’équation trouvée diffère légèrement de l’équation prévue théoriquement : proposer une

explication.

3OEPLME2

5

DOCUMENT-RÉPONSE

Tableau

- LOI DE MALUS

α

(°)

0

20

30

40

50

60

70

90

E (….)

60,2

53,4

46,7

37,6

28,1

19,5

12,6

7,4

cos²

α

E/E

max