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BACCALAURÉAT BLANC

PHYSIQUE-CHIMIE – ENSEIGNEMENT SPECIFIQUE

Série S ____

DURÉE DE L’ÉPREUVE : 3 h 30 – COEFFICIENT : 6 ______

CE SUJET EST DESTINE AUX ELEVES QUI NE SUIVENT PAS L’ENSEIGNEMENT DE SPECIALITE

L’usage d'une calculatrice EST autorisé

Ce sujet comporte trois exercices Le candidat doit traiter les trois exercices qui sont indépendants les uns des autres. PROBLEME 1 : ANALYSE SPECTRALE (8 points) PROBLEME 2 : LA CHAUVE SOURIS (7 points) PROBLEME 3 : CONTRÔLE DU PH SANGUIN (5 points)

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PROBLEME 1 : ANALYSE SPECTRALE (8 POINTS) Ce problème illustre les propriétés de l’analyse spectrale dans différents domaines scientifiques. La première partie traite de l’analyse spectrale utilisée pour étudier les sons. La seconde partie traite de l’analyse spectrale utilisée pour la détermination des structures moléculaires. Les deux parties du problème sont indépendantes PARTIE 1 : ANALYSE SPECTRALE EN ACOUSTIQUE La guitare électrique est pourvue d'un corps le plus souvent plein, autorisant les luthiers à lui conférer des formes originales. Elle produit des sons grâce à des micros captant et transformant les vibrations des cordes en signal électrique. Ce signal peut ensuite être modifié électroniquement par divers accessoires comme des pédales d'effets, puis amplifié (voir figure ci-dessous). La guitare électrique est composée de six cordes métalliques de longueur utile entre le sillet et le chevalet 63,0 cm. L'accord traditionnel à vide est, de la note la plus grave à la plus aiguë : mi1 la1 ré2 sol2 si2 mi3 , le chiffre en indice indiquant le numéro de l'octave. Une corde est dite « à vide » lorsqu'elle vibre sur toute sa longueur. Les fréquences des notes produites à vide par les cordes pincées de la guitare sont données dans le tableau suivant : Une guitare basse électrique fonctionne sur le même principe avec des notes plus graves. La diversité des effets possibles avec une guitare électrique en fait un instrument polyvalent et riche musicalement. Parmi la multitude d’effets accessibles grâce à une pédale d'effets on peut citer l'effet « wha-wha » popularisé par le célèbre guitariste Jimi Hendrix.

n° de corde 1 2 3 4 5 6 note mi1 la1 ré2 sol2 si2 mi3

fréquence (Hz) 82,4 110,0 146,8 196,0 246,9 329,6

3 1. Analyse temporelle d'une note de musique. Un système d'acquisition informatisé permet l'enregistrement et la visualisation des tensions électriques associées aux différentes notes que peut produire une guitare électrique. Les figures 9 et 10 se trouvant en annexe présentent les signaux enregistrés pour la même note de musique jouée par une guitare électrique (figure 9) et par une guitare basse (figure 10). 1.1. Mesurer la période du signal sur la figure 9, ainsi que sur la figure 10. Que remarquez-vous ?

1.2 L’incertitude (absolue) de mesure sur les oscillogrammes est U (T) =2

6division

.

1.2.a Calculer cette incertitude absolue (avec un seul chiffre significatif). 1.2.b Présenter le résultat de la mesure de la période avec l’incertitude. 1.2.c Calculer l’incertitude relative.

1.3 L’incertitude sur la fréquence est U(f) = ( )f U TT

1.3.a Calculer la fréquence des deux sons enregistrés. Quelle est donc la qualité physiologique commune des deux sons enregistrés ? 1.3.b Calculer l’incertitude associée à cette fréquence (avec deux chiffres significatifs). Présenter le résultat de la fréquence avec l’incertitude associée. 1.4 En déduire la note de musique jouée par les deux instruments. 1.5. Quelle qualité physiologique permet de distinguer ces deux sons ? 2. Modes propres de vibration de la corde 6. L’analyse spectrale est un précieux outil pour les ingénieurs du son. Elle permet après une acquisition informatisée et un traitement numérique de révéler la « signature acoustique » d'un son en faisant apparaître les composantes de basses fréquences (80 Hz - 900 Hz) et de fréquences élevées (900 Hz-16 kHz) qui le caractérisent. La figure 11 en annexe correspond au spectre en fréquence du son produit par la corde n° 6 d'une guitare électrique jouée à vide. 2.1. Déterminer la valeur approchée de la fréquence notée f1 du fondamental de ce son à partir de la figure 11. Vérifier que cette valeur est cohérente avec la donnée du texte en calculant un écart relatif. 2.2. Déterminer les valeurs approchées des fréquences, notées f2 et f3, des harmoniques immédiatement supérieurs au fondamental. 2.3. Écrire la relation entre la longueur d'onde , la célérité v et la fréquence f d'une onde sinusoïdale. 2.4. On considère que la longueur d’onde vaut 1,3 m. En déduire la célérité des ondes dans cette corde. 3. L'effet « wha-wha ». Les figures 12 et 13 en annexe représentent les spectres en fréquence du son de la figure 11 sur lequel on a appliqué l’effet pour deux positions extrêmes de la pédale d'effets. En comparant ces trois spectres, préciser quels sont les effets de la pédale wha-wha sur les propriétés physiologiques du son produit dans les mêmes conditions d'attaque de la corde.

4ANNEXES :

Figure 9 : oscillogramme du son émis par la guitare électrique

Figure 10 : oscillogramme du son émis par la guitare basse

5Spectres en fréquence du son à vide de la corde 6

6

PARTIE 2 : ANALYSE SPECTRALE EN CHIMIE ORGANIQUE A) On présente le spectre RMN du proton d’une molécule que l’on cherche à identifier. Les nombres indiqués au dessus de chaque signal représentent la hauteur de la courbe d’intégration (non tracée ici).

On hésite entre les molécules suivantes :

- propan-1-ol - ethanol - propanone - ethanoate d’ethyle

1) Ecrire les formules semi-développées de ces molécules. 2) Entourer et nommer le groupement fonctionnel présent dans chacune d’elles. 3) Par un raisonnement argumentée et détaillée, montrer quelle molécule est nécessairement associée

à ce spectre RMN. On commentera tous les aspects du spectre. B) On considère 2 molécules : - butanone - 4-méthylpenta-3-ène-2-one.

a) Dessiner les formules semi-développées de ces deux molécules b) On donne des extraits des spectres IR de ces deux molécules (spectre 1 et spectre 2). Attribuer

chaque spectre à la molécule associée. Justifier. c) Calculer la longueur d’onde (en micromètres) de la bande associée à C=O dans le spectre 1. Dans

quel domaine de longueur d’onde se situe cette bande ? Justifier.

3 2 3

7

8 PROBLEME 2 : LA CHAUVE SOURIS (7 points)

Donnée : Vitesse du son dans l’air : Vson = 340 m.s-1

1) Qu’appelle-t-on des ultrasons ? 2) Si une chauve souris émet un signal de fréquence fondamentale à 30 kHz, calculer les

fréquences de ses deux harmoniques les plus proches. 3) Calculer la longueur d’onde du fondamental du signal émis. 4) En utilisant les renseignements du doc. 1, associer les signaux du doc. 2 notés a), b) et c)

aux cris notés FC, FM et FC-FM. 5) Nommer le phénomène qui perturbe la détection d’un écho lorsque les dimensions de la cible

sont inférieures à la longueur d’onde du signal émis par la chauve souris. Pourquoi ce phénomène perturbe t’il la détection ?

6) Évaluer la dimension minimale d’un insecte détectable avec un signal de fréquence 30 kHz. 7) Les psychodides sont des petites mouches à écailles ou poils denses, d’une taille variant de

1 à 5 mm. La chauve souris pourra t’elle les détecter ? Si non, que devrait modifier la chauve souris dans l’onde ultrasonore qu’elle émet ?

8) Réaliser un schéma qui modélise la détection des distances d’une chauve souris qui se rapproche d’un mur. Y faire apparaître le parcours du son émis par l’animal qui s’est approché du mur puis expliquer comment la chauve souris peut ainsi estimer des distances.

9) Expliquer pourquoi « les battements d’aile d’un insecte produisent un décalage des fréquences par effet Doppler oscillant. » (ligne 21 du doc. 1)

10) Donner un exemple d’utilisation de l’effet Doppler dans le domaine des ondes électromagnétiques.

9 11) Lorsqu’une chauve souris se dirige vers un mur, l’écho perçu a-t-il une fréquence plus

grande ou plus faible que le signal émis ? Justifier simplement. On propose deux relations pour la relation entre la fréquence perçue fr et la fréquence d’émission f0 pour une chauve souris se dirigeant vers un mur perpendiculairement à celui-ci à la vitesse de v = 20 km.h-1.

n° 1 : fr 0 (1 2 )VfVson

n° 2 : fr 0 (1 2 )VfVson

12) Laquelle des relations numérotées est utilisable pour la situation décrite ? Justifier la

réponse. 13) Calculer la fréquence de l’écho d’un signal émis avec la fréquence de 60 kHz. 14) En utilisant l’une des deux relations précédentes, calculer la vitesse d’un insecte par rapport

à la chauve souris si celle-ci reçoit un décalage de fréquence de 880 Hz pour un ultra son émis à la fréquence de 90 kHz. On donnera le résultat en m.s-1 et en km.h-1

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PROBLEME 3 : Contrôle du pH sanguin (5 points) Présentation

L’équilibre acido-basique de l’organisme est essentiel à la vie. De multiples réactions enzymatiques sont dépendantes du maintien dans une étroite limite du pH des milieux extra et intracellulaire. Une variation du pH intracellulaire entrainerait une modification de l’activité biologique des cellules et perturberait la stabilité des protéines.

La présence de CO2 dans le sang est une des résultantes essentielles de l'activité cellulaire. De cette activité résulte par ailleurs une production d’ions H3O+ et d'acides non négligeable, largement suffisante pour faire descendre le pH sanguin à des valeurs rapidement incompatibles avec la survie cellulaire si le sang n'était pas tamponné.

Les processus métaboliques, les structures quaternaires des protéines, les liaisons intermoléculaires, les perméabilités membranaires, tout ce qui constitue l’être vivant est extrêmement sensible à la moindre variation de pH. Ceci explique l’importance d’une régulation étroite du pH : entre 7,35 et 7,45 pour le pH du sang (limites compatibles avec la vie : 6.8 – 7.8), autour de 7 pour le pH intracellulaire (variable selon les cellules et dans les différents organites d’une même cellule). Il est probable que la régulation la plus fine se situe au niveau de l’intracellulaire, mais ce milieu est très difficile à explorer. Nous nous limiterons à étudier l’équilibre acido-basique par le biais du compartiment extracellulaire (plasma) du sang.

Il existe trois niveaux de maintien du pH sanguin permettant de répondre plus ou moins rapidement à une brusque variation du pH :

Les systèmes tampon (permanents, instantanés, mais limités) Deux systèmes de régulation : Le système respiratoire (rapide)

Le système rénal (le plus lent) Document 1 : Valeurs normales des paramètres sanguins pH = 7,4

Concentration en ions hydrogénocarbonate :-3HCO = 25.10-3 mol.L-1

Concentration en dioxyde de carbone dissous 2 2,CO H O =1,24.10-3 mol.L-1

Document 2 : Extrait d’un cours de médecine Le stock d’acide de l’organisme est maintenu constant par deux systèmes régulateurs indépendants : le rein et le poumon. Chacun est spécialisé dans l’élimination d’un type d’acide bien précis : le rein n’est pas plus capable d’éliminer du CO2 que le poumon n’est capable d’éliminer des acides forts. Toutefois, en cas de défaillance de l’un des deux systèmes, l’autre sera capable de prendre des mesures de compensation. Ces systèmes régulateurs sont toutefois situés loin des tissus où se produit l’agression acido-basique; ils ont un délai d’intervention de quelques minutes pour le poumon à quelques heures pour le rein. Compte tenu de la grande sensibilité des processus métaboliques au pH, les cellules ne peuvent pas se permettre d’attendre, d’où la nécessité des systèmes tampons. Les systèmes tampons sont indispensables : présents partout dans l’organisme, sans aucun délai de réponse, ils permettent d’attendre la régulation mais ne la remplacent pas. […] Dans le sang, il existe principalement deux systèmes tampon :

Dans le plasma, le tampon bicarbonate Dans les globules rouges, le tampon hémoglobine.

11 Document 3 : Le tampon bicarbonate sanguin

Le système tampon bicarbonate est le plus important de ceux intervenant dans le pouvoir tampon du sang. De plus, à l'inverse des autres systèmes, il présente l'avantage important de pouvoir fonctionner en système ouvert, les concentrations en base et en acide pouvant être régulées par contrôle de leur rejet (CO2 par voie respiratoire et HCO3 - par voie rénale).

Le couple acide-base (CO2, H2O) / HCO3- (couple dioxyde de carbone dissous / ion

hydrogénocarbonate) a un pKa = 6,1 à 37°C Document 4 : Bilan des entrées et sorties d’acide et de base 1. Entrées : Les entrées d’acides ou de bases peuvent être alimentaires ou métaboliques. 1.a. Le CO2 : métabolique, il est fabriqué par les cellules 1.b. les acides : H3O+ générés par l’activité des cellules 1.c. Les bases : essentiellement alimentaires. 2. Sorties : Elles sont assurées par deux voies : le CO2 est éliminé par le poumon et les autres acides par le rein. Ce sont les seules voies importantes en physiologie. Document 5 : Rôle des poumons dans le maintien de l’équilibre acido-basique Les poumons interviennent en second lieu après la régulation par les systèmes tampons, en éliminant plus ou moins de CO2. Cette régulation est mise en jeu rapidement quand la régulation par les systèmes tampons est insuffisante. Cette régulation est importante quand il y a de brusques variations de pH. La régulation est mise en jeu rapidement au bout de 1 à 3 minutes et optimale en 12 à 24 heures. Le centre respiratoire ajuste de façon reflexe la ventilation pulmonaire et donc l’élimination du CO2 aux variations du pH sanguin. Une diminution du pH sanguin entraîne une augmentation de la ventilation pulmonaire, il y a augmentation du rythme et de l’amplitude des mouvements respiratoires, de façon à éliminer le CO2 en excès. Document 6 : Rôle des reins dans le maintien de l’équilibre acido basique Les tampons chimiques se lient temporairement aux acides ou aux bases en excès, mais ne peuvent les éliminer de l’organisme. Seuls les reins peuvent éliminer les acides autres que CO2 (Ac phosphorique, sulfurique, urique, corps cétoniques….). Seuls les reins peuvent régler les concentrations des substances basiques, notamment HCO3

- . Le rein a pour fonction d’ajuster les quantités de base et d’acides de l’organisme. Il agit en quelque sorte comme un filtre. Par exemple, Les ions H3O+ ainsi que les HCO3

- passent dans le rein qui produit de l’ammoniac NH3. L’ammoniac se combine avec H3O+, qui sera éliminé dans les urines sous forme d’ions NH4

+.

12 Partie 1 1. Écrire la réaction entre (CO2, H2O) et l’eau.

2. Tracer le diagramme de prédominance du couple acide-base (CO2, H2O) / HCO3-

3. Donner l’expression entre le pH et le pKa pour ce même couple.

4. Retrouver alors la valeur du pH moyen du sang pour les valeurs normales.

5. A ce pH, quelle est l’espèce prédominante du couple ?

6. A partir de la valeur de ce pH, calculer alors la concentration en ions H3O+ présent dans le sang (valeur normale)

Partie 2

Considérons une solution d’acide chlorhydrique (acide fort) de 1,0. 10-3 mol.L-1.

1. Qu’est ce qu’un acide fort ? Calculer le pH d’une telle solution d’acide chlorhydrique.

2. On considère que cette solution est injectée dans le sang « normal » (sans variation de volume). Les concentrations en ions oxonium peuvent alors s’ajouter. Calculer la concentration en ions oxonium dans le sang après cette injection. Que constatez-vous ?

3. En déduire le pH du sang correspondant.

4. Ce pH est-il compatible avec la vie ?

Partie 3

En réalité, il y a l’ion HCO3- présent dans le sang (système tampon) qui réagit avec les ions H3O+ .

1 : Écrire l’équation de la réaction (on la considèrera comme totale).

2 : Si la concentration initiale de l’ion H3O+ est toujours de 1,0. 10-3 mol.L-1, montrer qu’il va donc disparaitre 1,0.10 -3 mol.L-1 de HCO3

- et apparaitre 1,0. mmol.L-1 de (CO2, H2O).

3 : Les concentrations normales en HCO3- et (CO2, H2O) sont donc modifiées, calculer ces nouvelles

concentrations.

4 : Calculer alors le nouveau pH de la solution

5 : Ce pH est il compatible avec la vie ? Conclure sur l’effet tampon de l’ion HCO3-

Partie 4

En s’appuyant sur les documents et vos éventuelles connaissances personnelles, expliquer, en une synthèse d’une quinzaine de lignes, comment le système respiratoire et le système rénal permettent également de réguler le pH sanguin.

13Barème détaillé des exercices PROBLEME 1 : ANALYSE SPECTRALE (8 POINTS) PARTIE 1 : ANALYSE SPECTRALE EN ACOUSTIQUE 1. Analyse temporelle d'une note de musique. (+ 0.25 points si le candidat indique le bon nombre de chiffres significatifs) 1.1………………………………………………………………………….…………0.25 points 1.2 1.2.a …………………………………………………………………………………0.25 points 1.2.b …………………………………………………………………………………0.25 points 1.3 1.3.a …………………………………………………………………………………0.25 points 1.3.b …………………………………………………………………………………0.25 points 1.4 ………………………………………………………………………...…………0.25 points 1.5. ……………………………...……………………………………………………0.25 points 2. Modes propres de vibration de la corde 6. 2.1. …………………………………………………………………………………0.25 points 2.2. …………………………………………………………………………………0.25 points 2.3. …………………………………………………………………………………0.25 points 2.4. …………………………………………………………………………………0.25 points. 3. L'effet « wha-wha ». ……………………………………………………………………………………0.25 points PARTIE 2 : ANALYSE SPECTRALE EN CHIMIE ORGANIQUE A)

1) …………………………………………………………………………………0,5 points 2) …………………………………………………………………………………0,5 points 3) …………………………………………………………………………………0,5 points

B) .

a) …………………………………………………………………………………0,5 points b) …………………………………………………………………………………0,5 points c) …………………………………………………………………………………0,5 points

14 PROBLEME 2 : LA CHAUVE SOURIS (7 points)

1. ………………………………………………………………………………………………………0,25 points 2. ………………………………………………………………………………………………………0,25 points 3. ……………………………………………………………………………………..…………………0,5 points 4. ……………………………………………………………………………………………………..…0,5 points 5. ……………………………………………………………………………………………………..…0,5 points 6. ……………………………………………………………………………………………………..…0,5 points 7. ……………………………………………………………………………………………………..…0,5 points 8. ……………………………………………………………………………………………………..…0,5 points 9. ……………………………………………………………………………………………………..…0,5 points 10. ……………………………………………………………………………………………………..…0,5 points 11. ……………………………………………………………………………………………………..…0,5 points 12. ……………………………………………………………………………………………………..…0,5 points 13. ……………………………………………………………………………………………………..…0,5 points 14. ……………………………………………………………………………………………..…… ..…1 point

PROBLEME 3 : Contrôle du pH sanguin (5 points)

Partie 1

1. ………………………………………………………………………………………………………0,25 points 2. ………………………………………………………………………………………………………0,25 points 3. ………………………………………………………………………………………………………0,25 points 4. ………………………………………………………………………………………………………0,25 points 5. ………………………………………………………………………………………………………0,25 points 6. ………………………………………………………………………………………………………0,25 points

Partie 2

1. ………………………………………………………………………………………………………0,25 points 2. ………………………………………………………………………………………………………0,25 points 3. ………………………………………………………………………………………………………0,25 points 4. ………………………………………………………………………………………………………0,25 points

Partie 3

1. ………………………………………………………………………………………………………0,25 points 2. ………………………………………………………………………………………………………0,25 points 3. ………………………………………………………………………………………………………0,25 points 4. ………………………………………………………………………………………………………0,25 points 5. ………………………………………………………………………………………………………0,25 points

Partie 4

……..…………………………………………………………………………………..……………1 point