Devoir Surveillé (DS) de Physique de niveau Première, mme Meunier et mr Douëzy septembre 2010
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Avec correction. Ds interactions fondamentales et chimie
Devoir Surveillé (DS) en Physique (2010) pour Première S

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Exrait

DS 1°SPHYSIQUE-CHIMIE lundi20 septembre 2010
M. Meunier (1°S2) et M. Douëzy (1°S1) Durée : 2 h ; calculatrice autorisée
Exercice1: (7points)
Dans un atome d'hydrogène, la distance entre le noyau et l'électron est variable. On la -10 considère ici égale à d = 0,53.10m. 1.Donner l'expression puis calculer la valeur de l'interaction électrique entre ces deux particules. Cette interaction est-elle attractive ou répulsive? 2.Mêmes questions pour l'interaction gravitationnelle entre les deux particules. 3.Comparer les valeurs des deux interactions et commenter. 4.A quelle distance du noyau faudrait-il placer l’électron pour que les valeurs des deux interactions soient égales.
-27 -31 Données : masse du proton : mp= 1,67.10kg, masse de l’électron : me= 9,09.10kg, -19 9-11 charge élémentaire : e = 1,6.10C, k = 9,0.10SI, G = 6,67.10SI.
Exercice2: (4points)
On réalise l'expérience suivante: C est un crayon à papier, dont on a taillé les deux bouts, la mine dépasse à chaque extrémité. V est du verre isolant. On touche l'extrémité A avec un bâton chargé négativement: la boule du pendule s'écarte. Pour chaque phrase ci-dessous choisir la bonne expression. (Choix à justifier.) 1. La mine estisolante / conductrice. 2. Des électrons sont passésdela mine sur le bâton /du bâton sur la mine. 3. Des électrons sont passésdela mine sur la boule / de la boule sur la mine. 4. La boule s'est chargéenégativement /positivement.
Exercice3:(5 points)
Un disque d’aluminium (Z = 13, A = 27) d’épaisseur e = 13 μm a un rayon R = 5 cm. Sa -3 masse volumique est ρ = 2,70 g.cm. -1 1. Montrer que la masse du disque est m = 2,76.10g. 2. Déterminer le nombre d’atomes d’aluminium puis le nombre d’électrons présents dans ce disque. 3. Le disque est électrisé et porte une charge électrique positive q = 5 pC. Quel est le nombre de particules chargées transférées au cours de l’électrisation du disque ?
-27 -19 Données : masse d’un nucléon : mn= 1,67.10C.kg ; charge élémentaire : e = 1,60.10
Exercice4:(2 points)
D'après les résultats de son analyse sanguine, Sylvain constate que son taux de cholestérol est égal à 7,90 mmol par litre de sang. La formule brute du cholestérol est C27H46O. 1. Calculer la masse molaire moléculaire du cholestérol. 2. Le taux de cholestérol reste acceptable jusqu'à 2,20 g par litre de sang. Sylvain doit-il s'inquiéter ?
-1 -1 -1 Données : M(C) = 12,0 g.mol, M(O) = 16,0 g.mol, M(H) = 1,00 g.mol.
Exercice5:(5 points)
L'étiquette d'une solution d'ammoniac NH3indique : d = 0,95 ; pourcentage massique en ammoniac : P = 28 %. 1. Déterminer la concentration molaire C de cette solution en ammoniac. (Calculer la masse de soluté à partir de la masse de la solution à l’aide du pourcentage massique.) 2. En déduire le volume de cette solution qu'il faut utiliser pour préparer un litre de solution -1 d'ammoniac àla concentration C’ = 0,50 mol.L.
-1 -1-1 Données : ρeau= 1000 g.L; M(N) = 14,0 g.mol, M(H) = 1,00 g.mol.
Exercice(7 points)6 :
Un flacon indéformable, fermé, de volume intérieur V= 2,0 L, contient du dioxygène O2à la 5 pression P = 1,2.10Pa et à la température θ = 25°C. 1.Déterminer la quantité de matière de dioxygène dans le flacon. 2.En utilisant l'équation d'état du gaz parfait, déterminer le volume molaire Vmdu dioxygène dans les conditions considérées. 3.Montrer que l'on peut aussi déduire la valeur du volume molaire du résultat de la question 1. 4.Le gaz est porté à la température θ’ = 50 °C. Quelles sont alors les valeurs des quatre variables d'état qui caractérisent le gaz ? Le volume molaire du gaz a-t-il été modifié ?
-l -1 Données :le zéro absolu correspond à – 273 °C ; R=8,31.J.mol .K
DS 20/09/10 corrigé
Exercice 1 : 1. Interaction électrique entre l’électron (de charge – e) et le proton (de charge + e) de l’atome d’hydrogène : -8 Fe = k|- e x e|/d² = ke²/d² = 8,2.10N. Cette interaction est attractive car deux charges de signe opposé s’attirent.
2. Interaction gravitationnelle entre l’électron et le proton de l’atome d’hydrogène : -47 Fg = G.mp.meN./d² = 3,7.10 L’interaction gravitationnelle est toujours attractive.
3. Comparaison des valeurs de ces deux interactions : 39 Fe/Fg = 2,3.10: Fe >> Fg ; l’interaction gravitationnelle est négligeable devant l’interaction électrique.
4. Si Fe >> Fg, il est impossible d’avoir Fe = Fg donc aucune distance entre l’électron et le proton ne permet d’avoir Fe = Fg.
Exercice 2 : 1. Si la boule s’écarte, c’est qu’elle a été chargée par le bâton par l’intermédiaire de la mine qui est doncconductrice. 2. Le bâton est chargé négativement : il porte un excès d’électrons. Il va y avoir un équilibrage de ces charges donc un déplacement d’électronsdu bâton vers la mine. 3. Même raisonnement que précédemment : les électrons passentde la mine sur la boule. 4. Une partie des électrons du bâton est maintenant sur la boule : elle s’est donc chargée négativement.
Exercice 3 : -4 -1 1. La masse du disque est m = ρ.V = ρ.π.R².e = 2,70 x π x 5² x 13.10= 2,76.10g avec V = π.R².e le volume du disque. 21 2. Nombre N d’atomes d’aluminium de ce disque : N = m/mAl. Où m= 6,11.10Al = A. mnest la masse d’un atome d’aluminium. 22 Le nombre d’électrons est donc Ne- = Z.N = 7,95.10. 3. Nombre n de particules chargées transférées au cours de l’électrisation du disque : 7 n = q/e = 3,13.10 .
Exercice 4 : 1. Masse molaire moléculaire du cholestérol : -1 M = 27 M(C) + 46 M(H) + M(O) = 27 x 12,0 + 46 x 1,00 + 1 x 16,0 = 386,0 g.mol. 2. Masse de cholestérol dans un litre de sang : -3 m = n.M = 7,90.10x 386,0 = 3,05 g. Avec n = 7,90 mmol la quantité de matière de cholestérol dans un litre de sang. Sylvain doit s`inquiéter (3,05 > 2,20) car cela peut avoir des effets sur son activité cardiaque.
Exercice 5 :
1. Calcul de la concentration molaire C en ammoniac de la solution : n mr.P NH NHm PNHdrP´ ´ 3 3solution.3.eau. 0,0, 2895 1000 C1 11 11 1 V M(NH).V M(NH).V M(NH)M(NH) 17 solution3solution3solution3 3 0, 95´1000´0, 28 -1 C == 16 mol.L. 17 2. Volume de solution à prélever : Lors d’une dilution, la quantité de matière de soluté ne varie pas : -2 C x Vprélevé= C’ x Vfillesoit Vprélevé= C’ x Vfille/C = 0,50 x 1 / 16 = 3,1.10L = 31 mL.
Exercice 6 : 1. On considère le dioxygène comme un gaz parfait, il satisfait donc à l’équation d’état des gaz parfaits : P.V = n.R.T. Avec n la quantité de matière de dioxygène contenu dans le flacon ; -3 3 V = 2,0 L = 2,0.10m ; T = θ + 273 = 298 K. P.V -2 On a doncn1mol.soit n = 9,7.10 R.T V VR.T R.T 1 2. On a les relatm1d’où ions P.V = n.R.T etVet doncVm1. n nP P 3 -1-2 3-1 -1 On obtient Vmen m . mol: Vm= 2,1.10m .mol= 21 L.mol. V -1 3. Connaissant V et ayant calculé n à la question 1., on aVm1= 21 L.mol. n 4. Les nouvelles valeurs des quatre variables d’état sont : V’ = V = 2 L : le flacon est indéformable ; -2 n’ = n = 9,7.10mol : le flacon est fermé ; T’ = θ’ + 273 = 323 K ; n'.R.T' 5 ¢ P1 11,3.10 Pa. V' Vm= Vmcar n’ et V’ n’ont pas varié : le volume molaire n’est pas modifié.