Sujet officiel complet du bac S Physique-Chimie ... Ce sujet comporte 3 exercices pr©sent©s sur

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  • 13PHYCOIN1 Page 1/16

    Session 2013

    BACCALAURAT GNRAL

    PHYSIQUE CHIMIE

    Srie S

    Dure de lpreuve : 3 heures 30

    Coefficient : 6

    Lusage de la calculatrice lectronique est autoris

    Ce sujet comporte 3 exercices prsents sur 16 pages numrotes de 1 16, y compris celle-ci.

    Lannexe (page 16) est rendre avec la copie.

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    Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont indpendants les uns des autres :

    Exercice I Protons nergtiques (5,5 points)

    Exercice II Molcule dibuprofne (9,5 points)

    Exercice III Pendule simple (5 points)

    Exercice I Protons nergtiques (5,5 points)

    Des protons nergtiques sont des protons anims dune grande vitesse. Le but de cet exercice est dexploiter des documents relatifs deux exemples de laction de protons nergtiques sur la matire : le rayonnement cosmique et la protonthrapie. Donnes :

    Charge lectrique du proton : e = 1,602 10-19 C. Masse du proton : mp = 1,673 10

    -27 kg. Mgalectron-volt : 1 MeV = 1,602 10-13 J. Vitesse de la lumire dans le vide : c = 3,00 108 m.s-1. Constante de Planck : h = 6,62 10-34 J.s.

    1. Le proton

    Document 1

    Les interactions dans le noyau

    Dans un noyau atomique, trois interactions fondamentales sont mises en jeu entre les nuclons (protons et neutrons) : linteraction gravitationnelle, linteraction lectrique et linteraction nuclaire forte. Linteraction gravitationnelle est attractive ; dans un noyau, elle est nettement plus faible que linteraction lectrique rpulsive entre protons. Cest linteraction nuclaire forte qui assure la cohsion du noyau atomique.

    Document 2

    Les quarks constitutifs du proton

    Le proton est compos de trois particules : deux quarks up et un quark down. Les quarks sont des particules lmentaires qui portent une fraction de la charge

    lectrique du proton. La charge dun quark down est 3e .

    1.1. Linteraction forte est-elle attractive ou rpulsive ? Est-elle plus ou moins

    intense que linteraction lectrique ? Justifier vos rponses laide du document 1.

    1.2. Dterminer la charge lectrique dun quark up en lexprimant sous la forme dune fraction de la charge e du proton.

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    2. Les protons cosmiques

    Document 3

    Rayonnement cosmique

    La Terre est arrose constamment par une pluie de particules, nomme rayonnement cosmique. Ce phnomne est le rsultat de larrive de particules nergtiques (provenant du Soleil, de la galaxie et plus globalement de tout lUnivers) dans la haute atmosphre terrestre. Ces particules, principalement des protons (87 %) entrent en collision avec les noyaux des molcules de latmosphre. Les produits de ces collisions primaires heurtent leur tour dautres noyaux produisant ainsi une gerbe de particules secondaires. Certaines parviennent jusquau sol, dautres sont absorbes par latmosphre, et dautres encore induisent de nouvelles ractions qui donneront naissance des particules tertiaires, etc

    Une seule particule cosmique trs nergtique peut gnrer une gerbe contenant plusieurs milliards de particules (voir figure 1). Plusieurs types de particules atteignent le sol. Parmi ces particules on trouve les muons.

    Figure 1 : Reprsentation simplifie des gerbes issues de rayonnements cosmiques

    Document 4

    Rayons cosmiques relativistes

    On peut appliquer avec une bonne approximation les lois de la mcanique classique, toute particule anime dune vitesse infrieure 10 % de la clrit de la lumire

    dans le vide, et utiliser lexpression de lnergie cintique 2

    mvE2

    c = . Lorsquon est

    dans cette situation, la particule est dite classique . Dans le cas contraire, la particule est dite relativiste . Par exemple, les protons les plus nergtiques des rayons cosmiques sont relativistes. Ils sont dorigine extrasolaire et leur nergie cintique est typiquement comprise en 100 MeV et 10 GeV.

    muons muons muons muons

    muons

    Particule cosmique primaire

    Point dimpact sur latmosphre

    Collisions primaires, secondaires

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    2.1. Calculer, en joule puis en mgalectron-volt, lnergie cintique dun proton

    anim dune vitesse gale 10 % de la clrit c de la lumire dans le vide. 2.2. Justifier par un argument quantitatif la phrase du document 4 : les protons

    les plus nergtiques des rayons cosmiques sont relativistes. 2.3. Daprs la thorie de la dualit onde-corpuscule, que lon doit au scientifique

    Louis de Broglie, on associe une onde lectromagntique au proton.

    2.3.1. Calculer la valeur de la quantit de mouvement p dun proton dont la vitesse vaut 10 % de c.

    2.3.2. En dduire la valeur de la longueur donde associe.

    3. Les muons

    Document 5

    La dtection des muons au niveau du sol terrestre

    Les muons sont des particules lmentaires voisines de llectron mais beaucoup plus massives. Ceux qui sont observs au niveau du sol sont crs dans la haute atmosphre 20 km daltitude, lors de la collision de protons (appartenant au rayonnement cosmique) avec les noyaux des atomes de latmosphre (voir figure 1). Ils voyagent une vitesse de valeur trs leve (v = 0,9997c). Pour un observateur terrestre, 67 s sont ncessaires aux muons pour traverser latmosphre et atteindre le sol. Or, les muons sont trs instables et diverses expriences ont montr que leur dure de vie propre nest que t0 = 2,2 s. Cette dure de vie est donc a priori insuffisante pour leur permettre datteindre la surface de la Terre.

    Pourtant des muons sont effectivement dtects au niveau du sol. Cette apparente contradiction sexplique par la dilatation des dures dans le cadre de la thorie de la relativit restreinte. En effet, la dure de vie des muons t mesure sur Terre et la dure de vie propre des muons t0 qui se dplacent par rapport la Terre ont des valeurs diffrentes. Ces deux dures sont lies par la relation de dilatation des

    dures 0t.t = avec

    2

    2

    cv1

    1

    = .

    3.1. Expliquer pourquoi les muons sont des particules relativistes. 3.2. Expliquer par un raisonnement quantitatif pourquoi des muons issus des

    rayons cosmiques peuvent tre observs au niveau du sol terrestre.

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    4. La protonthrapie Document 6

    Les diffrentes radiothrapies

    La radiothrapie (thrapie par rayonnement) est un moyen de traitement du cancer dans lequel les cellules cancreuses sont dtruites par un rayonnement. Si ce rayonnement est lectromagntique (rayons X ou rayons gamma), on parle de photonthrapie. Sil sagit dun faisceau de protons, on parle de protonthrapie. Lorsquun rayonnement (photon X ou gamma, proton) pntre dans un tissu, il interagit avec celui-ci en lui cdant tout au long de son trajet une part de son nergie, on parle dnergie dpose. Dans lexemple du traitement dune tumeur dans un organisme, le graphique de la figure 2 reprsente la manire dont volue lnergie dpose en fonction de la profondeur de pntration, dune part pour un faisceau de photons X ou gamma, et dautre part pour un faisceau de protons de 150 MeV.

    Le faisceau de photons est fortement absorb ds son entre dans lorganisme et continue de cder progressivement son nergie tout au long de son parcours. Au contraire, les protons dposent relativement peu dnergie au dbut de leur parcours dans lorganisme. Lnergie libre augmente progressivement au fur et mesure que leur vitesse diminue. Cest au moment de leur arrt que lnergie libre est maximale. Il apparat alors un pic de dose (le pic de Bragg), au-del duquel la dose chute brutalement zro.

    Tout lart de la radiothrapie consiste administrer une dose suffisante pour dtruire sans exception toutes les cellules cancreuses. En revanche cette dose doit endommager le moins possible les cellules saines.

    Figure 2 : nergie dpose dans un tissu en fonction

    de la profondeur de pntration du faisceau. La dose relative est lnergie dpose par unit de masse de matire,

    exprime en pourcentage par rapport au maximum dnergie qui peut tre dpose.

    4.1. Pour lexemple de la figure 2, dterminer quelle profondeur doit se trouver la tumeur traite pour que la protonthrapie soit la plus efficace. Justifier votre rponse.

    4.2. Lequel des deux traitements respecte le mieux lart de la radiothrapie ? Deux arguments sont attendus.

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    Exercice II Molcule dibuprofne (9,5 points)

    Libuprofne est une molcule de formule brute C13H18O2. Son nom en nomenclature officielle est acide 2-(4-isobutylphnyl)propranoque.

    De par ses proprits anti-inflammatoire, antalgique et antipyrtique, elle constitue le principe actif de divers mdicaments.

    Cet exercice comporte trois parties indpendantes conduisant tudier la structure de la molcule dibuprofne, sa synthse dans le cadre de la chimie verte et le dosage dun mdicament.

    CH

    CH CH

    CH

    CH2

    CH

    CH3

    CH3

    CHCH3

    OH

    O

    C

    C

    C

    Formule semi-dveloppe de libuprofne

    Partie 1 : La molcule d'ibuprofne 1.1. Sur la formule semi-dveloppe de libuprofne de la figure 1 de lannexe

    rendre avec la copie, entourer le groupe caractristique associ la fonction acide carboxylique.

    1.2. La molcule dibupofne est chirale.

    1.2.1. Expliquer la cause de cette chiralit en la nommant et en la reprant sur la figure 2 de lannexe.

    1.2.2. Cette chiralit entrane lexistence de deux nantiomres de libuprofne. Comment reconnatre si des molcules sont nantiomres ? Aucun schma nest attendu.

    1.2.3. Sur la figure 3 de lannexe, la reprsentation de Cram de lun des deux nantiomres de libuprofne est fournie, m