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Sujet du bac S Physique-Chimie Obligatoire 2016 - …

16 PYOSMLR1 Page : 1 / 10 BACCALAUR AT G N RAL SESSION 2016 _____ Physique-Chimie MARDI 21 JUIN 2016 S rie S ____ DUR E DE L PREUVE : 3 h 30 COEFFICIENT : 6 _____ L usage d une calculatrice EST autoris . Ce Sujet ne n cessite pas de feuille de papier millim tr . Ce Sujet comporte trois exercices pr sent s sur 10 pages num rot es de 1 10 y compris celle-ci. La page d annexe (page 10) EST RENDRE AVEC LA COPIE, m me si elle n a pas t compl t e. Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont ind pendants les uns des autres. 16 PYOSMLR1 Page : 2 / 10 EXERCICE I - DE L EFFET DOPPLER SES APPLICATIONS (6 points) Christian Doppler (1803 - 1853) Christoph Buys-Ballot (1817 - 1890) Christian Doppler, savant autrichien, propose en 1842 une explication de la modification de la fr quence du son per u par un observateur immobile lorsque la source sonore est en mouvement.

16PYOSMLR1 Page : 3 / 10 2. La vélocimétrie Doppler en médecine La médecine fait appel à l’effet Doppler pour mesurer la vitesse d’écoulement du sang

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1 16 PYOSMLR1 Page : 1 / 10 BACCALAUR AT G N RAL SESSION 2016 _____ Physique-Chimie MARDI 21 JUIN 2016 S rie S ____ DUR E DE L PREUVE : 3 h 30 COEFFICIENT : 6 _____ L usage d une calculatrice EST autoris . Ce Sujet ne n cessite pas de feuille de papier millim tr . Ce Sujet comporte trois exercices pr sent s sur 10 pages num rot es de 1 10 y compris celle-ci. La page d annexe (page 10) EST RENDRE AVEC LA COPIE, m me si elle n a pas t compl t e. Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont ind pendants les uns des autres. 16 PYOSMLR1 Page : 2 / 10 EXERCICE I - DE L EFFET DOPPLER SES APPLICATIONS (6 points) Christian Doppler (1803 - 1853) Christoph Buys-Ballot (1817 - 1890) Christian Doppler, savant autrichien, propose en 1842 une explication de la modification de la fr quence du son per u par un observateur immobile lorsque la source sonore est en mouvement.

2 Buys-Ballot, scientifique hollandais, v rifie exp rimentalement la th orie de Doppler en 1845, en enregistrant le d calage en fr quence d un son provenant d un train en mouvement et per u par un observateur immobile. On se propose de pr senter l effet Doppler puis de l illustrer au travers de deux applications. 1. Mouvement relatif d une source sonore et d un d tecteur Nous nous int ressons dans un premier temps au changement de fr quence associ au mouvement relatif d une source sonore S et d un d tecteur plac au point M (figure 1). Le r f rentiel d tude est le r f rentiel terrestre dans lequel le d tecteur est immobile. Une source S met des bips sonores intervalles de temps r guliers dont la p riode d mission est not e T0. Le signal sonore se propage la c l rit vson par rapport au r f rentiel terrestre. Figure 1.

3 Sch ma repr sentant une source sonore immobile (cas A), puis en mouvement (cas B). Cas A : la source S est immobile en x = 0 et le d tecteur M, situ la distance d, per oit chaque bip sonore avec un retard li la dur e de propagation du signal. D finir par une phrase, en utilisant l expression bips sonores , la fr quence f0 de ce signal p riodique. Comparer la p riode temporelle T des bips sonores per us par le d tecteur la p riode d mission T0. Cas B : la source S, initialement en x = 0, se d place une vitesse constante vS suivant l axe Ox en direction du d tecteur immobile. La vitesse vS est inf rieure la c l rit vson. On suppose que la source reste gauche du d tecteur. Le d tecteur per oit alors les diff rents bips s par s d une dur e vTTvs0son'1 . Indiquer si la fr quence f des bips per us par le d tecteur est inf rieure ou sup rieure la fr quence f0 avec laquelle les bips sont mis par la source S.

4 Justifier. x source S cas B vS 0 M d x source S cas A 0 M d O 16 PYOSMLR1 Page : 3 / 10 2. La v locim trie Doppler en m decine La m decine fait appel l effet Doppler pour mesurer la vitesse d coulement du sang dans les vaisseaux sanguins (figure 2). Un metteur produit des ondes ultrasonores qui traversent la paroi d un vaisseau sanguin. Pour simplifier, on suppose que lorsque le faisceau ultrasonore traverse des tissus biologiques, il rencontre : - des cibles fixes sur lesquelles il se r fl chit sans modification de la fr quence ; - des cibles mobiles, comme les globules rouges du sang, sur lesquelles il se r fl chit avec une modification de la fr quence ultrasonore par effet Doppler (figure 3). Figure 3. Principe de la mesure d une vitesse d coulement sanguin par effet Doppler ( chelle non respect e).

5 L onde ultrasonore mise, de fr quence fE = 10 MHz, se r fl chit sur les globules rouges qui sont anim s d une vitesse v. L onde r fl chie est ensuite d tect e par le r cepteur. La vitesse v des globules rouges dans le vaisseau sanguin est donn e par la relation o f est le d calage en fr quence entre l onde mise et l onde r fl chie, vultrason la c l rit des ultrasons dans le sang et l angle d fini sur la figure 3. On donne vultrason = 1,57 103 et = 45 . Le d calage en fr quence mesur par le r cepteur est de 1,5 kHz. Identifier le(s) type(s) de vaisseaux sanguins dont il pourrait s agir. Pour les m mes vaisseaux sanguins et dans les m mes conditions de mesure, on augmente la fr quence des ultrasons mis fE. Indiquer comment volue le d calage en fr quence f. Justifier. Figure 2. Vitesse moyenne du sang dans diff rents vaisseaux sanguins.

6 2011 Pearson diff rents vaisseaux du lit vasculaire vitesse de l coulement sanguin (cm/s) metteur et r cepteur vaisseau sanguin flux sanguin 16 PYOSMLR1 Page : 4 / 10 3. D termination de la vitesse d un h licopt re par effet Doppler On s int resse un son mis par un h licopt re et per u par un observateur immobile. La valeur de la fr quence de l onde sonore mise par l h licopt re est f0 = 8,1 102 Hz. On se place dans le r f rentiel terrestre pour toute la suite de cette partie. Les portions de cercles des figures 4 et 5 ci-dessous donnent les maxima d amplitude de l onde sonore un instant donn . Le point A sch matise l h licopt re. Dans le cas de la figure 4, l h licopt re est immobile. Dans le cas de la figure 5, il se d place vitesse constante le long de l axe et vers l observateur plac au point O.

7 La c l rit du son dans l air est ind pendante de sa fr quence. D terminer, avec un maximum de pr cision, la longueur d onde 0 de l onde sonore per ue par l observateur lorsque l h licopt re est immobile, puis la longueur d onde lorsque l h licopt re est en mouvement rectiligne uniforme. En d duire une estimation de la valeur de la c l rit de l onde sonore. Commenter la valeur obtenue. D terminer la fr quence du son per u par l observateur lorsque l h licopt re est en mouvement. Cette valeur est-elle en accord avec le r sultat de la question ? Comment la perception du son est-elle modifi e ? En d duire la valeur de la vitesse de l h licopt re. Cette valeur vous para t-elle r aliste ? A O Figure 4. L h licopt re est immobile. Figure 5. L h licopt re est en mouvement. 1,0 m 1,0 m A O 16 PYOSMLR1 Page : 5 / 10 EXERCICE II - DE LA BETTERAVE SUCRI RE AUX CARBURANTS (9 POINTS) Le sucre produit dans les feuilles de betteraves sucri res gr ce la photosynth se s'accumule dans la racine sous forme de saccharose.

8 Le bio thanol - thanol issu de l agriculture - peut notamment tre obtenu par fermentation du sucre extrait des racines de betterave sucri re. Le bio thanol peut tre incorpor l essence utilis e par un grand nombre de moteurs de voiture. Dans cet exercice, on s int resse au saccharose pr sent dans la betterave sucri re, la production d thanol par fermentation du saccharose et l utilisation du bio thanol dans les carburants. Betterave sucri re r colt e dans la r gion de la Beauce Donn es : conomie betteravi re en France pour la r colte 2009 : - rendement de la culture de betterave sucri re : 74,8 tonnes par hectare ; - pourcentage massique moyen de saccharose dans la betterave : 19,5 % ; surface agricole fran aise cultiv e : environ 10 millions d hectares ; masse volumique de l thanol : = 789 103 ; masses molaires mol culaires : M ( thanol) = 46,0 ; M (saccharose) = 342,0 ; lectron gativit s compar es de quelques l ments : (O) > (C), (C) environ gale (H).

9 Donn es de spectroscopie infrarouge : Liaison O H libre O H li N H C H C = O C = C Nombre d onde (en cm-1) 3600 Bande fine 3200 3400 Bande large 3100 3500 2700 3100 1650 1750 1625 1685 formules topologiques de quelques sucres : Formes lin aires Formes cycliques OOHOHOHOHOH D-Glucose OOHOHOHOHOH D-Fructose D-Glucose D-Fructose OOHOHOHOHOH -(D)-Glucose OOHOHOHOHOH -(D)-Glucose OOHOHOHOHOH -(D)-Fructopyranose OOHOHOHOHOH -(D)-Fructofuranose OOOOHOHOHOHOHOHOHOH Saccharose 16 PYOSMLR1 Page : 6 / 10 1. tude de la structure du saccharose Le saccharose est form partir du D-Glucose et du D-Fructose. crire la formule d velopp e de la forme lin aire du D-Glucose, puis identifier par un ast risque les atomes de carbone asym triques. Par r action entre deux de ses groupes caract ristiques, la forme lin aire du D-Glucose peut se transformer en l une ou l autre de ses formes cycliques lors d une r action de cyclisation.

10 En solution aqueuse 25 C, il s tablit un quilibre entre les diff rentes formes du glucose avec les proportions suivantes : 65 % de -(D)-Glucose, 35 % de -(D)-Glucose et environ 0,01 % de forme lin aire de D-Glucose. Le m canisme de la cyclisation est propos en ANNEXE, il peut conduire l un ou l autre des st r oisom res cycliques. Dans un m canisme r actionnel apparaissent usuellement des fl ches courbes ; que repr sentent-elles ? Compl ter les trois tapes du m canisme de cyclisation du D-Glucose figurant en ANNEXE RENDRE AVEC LA COPIE avec les fl ches courbes n cessaires. Le spectre infrarouge obtenu par analyse d un chantillon de glucose est fourni ci-dessous. Ce spectre confirme-t-il la tr s faible proportion de la forme lin aire dans le glucose ? Justifier. Source : National Institute of Advanced Industrial Science and Technology Les formes lin aires du D-Glucose et du D-Fructose sont-elles st r oisom res ?


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