Dans cet article vous trouverez quelques exercices qui vous permettront de survoler les sujets qui sont abordés en physique-chimie au lycée.

Exercice 1 : Bille française

La Tour Montparnasse à Paris est le plus haut gratte-ciel de France. Elle comprend 59 étages et culmine à 209 m. Une bille d'acier est abandonnée sans vitesse initiale du haut de cette immeuble. On suppose que les forces de frottement dues à l'air sont négligeables.

1. Quelle force s'exerce sur la bille pendant la chute ?

2. Quel est son mouvement si elle part sans vitesse initiale ?

3. En utilisant la formule liant la vitesse V et la durée T de la chute ( V = G T ), calculer au bout de quel temps la vitesse de la bille atteint 13,9 m/s ? 100 km/h ?4. En utilisant la formule liant la hauteur H et la durée T de la chute (H = 0,5 G T² ), calculer le temps que met la bille pour parcourir les 100 premiers mètres ? Les 100 mètres suivants ?

Où se situe la tour Montparnasse ?
Construite en 1069, la tour Montparnasse est la plus haute tour de Paris Centre. Elle était même la plus haute tour de France avant la construction de la Défense en 2011.
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Exercice 2 : Ajuster les nombres stœchiométriques

___ C4H6 + ___ Cl2 ---> ___ C4H6Cl4

____Al + ___ O2 ---> ___ Al2O3

___ CH4 + ___ O2 ---> ___ CO2 + ___ H2O

___ Ca2+ + ___ CO32- ---> ___ CaCO3

Exercice 3 : Réaction entre le sulfate de cuivre et le zinc

On verse 6 mL de soude dans 5 mL d'une solution de sulfate de cuivre ( Cu2+ + SO42- ) de concentration 0,5 mol.L-1. L'équation chimique ajustée de la réaction est :

1 (Na+ + HO-) + 2 ( Cu2+ + SO42- ) ---> 1 Cu(HO)2 + 1 ( 2Na+ + SO42- )

1. Quel est l'ion spectateur ? Créer un tableau d'avancement et compléter la première ligne sans noter les ions spectateurs.

2. Calculer les quantités de matière des réactifs dans l'état initial du système. Compléter la seconde ligne du tableau.

3. Compléter la troisième ligne du tableau.

4. Calculer la valeur maximale de l'avancement puis remplir la dernière ligne du tableau.

5. A partir de l'état final déduire le réactif limitant.

Exercice 4 : La détection du tabagisme passif

La fumée de cigarette est l'un des polluants atmosphériques les plus répandus dans l'environnement intérieur. Allumer une cigarette initie une série de processus chimiques impliquant la transformation ou la formation de plus de 4 000 espèces chimiques : des goudrons, des gaz toxiques, des composés irritants, etc. Les formules de quelques espèces chimiques  présentes dans la fumée de cigarette sont représentées ou citées ci-dessous.

Le tabagisme passif est défini comme l'inhalation involontaire de la fumée de tabac présente dans l'air. Dans cette partie on cherche à déterminer si une femme enceinte est victime d’un tabagisme passif.

Quels sont les dangers du tabagisme passif ?
Le tabagisme passif est le nom donné à l'action de respirer des fumées de tabac sans soi-même fumer. Il engendre des maladies aussi graves que celles qui peuvent arriver aux fumeurs, que ce soit maladies respiratoires ou cancers.

Données :

  • Numéros atomiques : H (Z = 1) ; C (Z = 6) ; N (Z = 7) ;
  • Masse molaire de l’ion thiocyanate SCN: 58 g·mol-1 .

Cercle chromatique :

1. Après avoir recopié la formule semi-développée de chacune des quatre molécules représentées ci-dessus, identifier le groupe caractéristique présent et l’associer à une famille de composés.

2. Justifier le nom donné à la propanone.

3. Établir le schéma de Lewis de la molécule de cyanure d’hydrogène de formule HCN et proposer une géométrie pour cette molécule.

Le cyanure d’hydrogène est absorbé par le corps, puis en partie dégradé en ions thiocyanate SCN que l’on retrouve ensuite dans la salive ou dans l’urine. Dans la salive, par exemple, les concentrations en masse en ions thiocyanate sont en moyenne de 112 mg·L-1 chez les non-fumeurs et de 349 mg·L-1 chez les fumeurs. Les ions thiocyanate peuvent donc être considérés comme des marqueurs biologiques du tabagisme car leur concentration renseigne sur l’exposition d’une personne à la fumée du tabac.

Principe du dosage

Un échantillon noté S de 250 µL de salive d’une femme enceinte est prélevé. Les ions thiocyanate présents dans l’échantillon étant incolores et n’absorbant pas dans le proche ultraviolet, on les fait réagir avec une solution d’ions fer III, (aq). On obtient 10,0 mL d’une solution Sdans laquelle s’est formée l’espèce ionique de formule , soluble dans l’eau. La transformation chimique est modélisée par la réaction d’équation suivante :

SCN-(aq) + Fe3+(aq) → Fe(SNC)2+(aq)

La courbe ci-dessous représente l'absorbance d'une solution aqueuse contenant l’espèce ionique Fe(SNC)2+ en fonction de la longueur d'onde.

4. Expliquer pourquoi les ions thiocyanate ne peuvent pas être dosés directement par spectrophotométrie UV-visible. Indiquer l’intérêt de les faire réagir avec les ions

Préparation de la gamme de solution étalon et tracé de la droite d’étalonnage

On cherche à doser l’espèce chimique Fe(SNC)2+ présente dans la solution S’.

À partir d’une solution S0 de concentration C0 = 2,0×104 mol.L-1 en ions , on prépare la gamme d’étalonnage composée des solutions S0, S1, S2, S3 et S4 dont les concentrations sont données dans le tableau ci-dessous.

SolutionS0S1S2S3S4
[Fe(SNC)2+] en mol . L -12,0 x 10-41,6 x 10-41,0 x 10-40,80 x 10-40,40 x 10-4

5. Indiquer la verrerie nécessaire pour préparer 50,0 mL de solution S2 à partir de la solution S0 en justifiant votre raisonnement.

On mesure l’absorbance de chacune des solutions et on trace le graphique ci-dessous donnant l’évolution de l’absorbance en fonction de la concentration en ions Fe(SNC)2+.

6. Après avoir rappelé l’expression de la loi de Beer-Lambert en indiquant les unités des grandeurs, déterminer si les résultats expérimentaux obtenus sont en accord avec cette loi.

Détermination de la concentration en ions thiocyanate dans la salive

Dans la solution S’ tous les ions thiocyanate contenus dans la salive de la femme enceinte ont réagi avec les ions Fe3+ présents en large excès. L'absorbance de la solution S’ a pour valeur A = 0,65.

7. Déterminer la concentration en quantité de matière des ions Fe(SNC)2+ dans la solution S’. En déduire leur quantité de matière dans la solution de volume V = 10,0 mL.

8. Recopier et compléter le tableau d’avancement ci-dessous. En déduire la relation entre la quantité de matière des ions Fe(SNC)2+ à la fin de la transformation et la quantité de matière en ions SNC- initialement présente dans la solution.

 SCN-(aq) + Fe3+(aq) → Fe(SNC)2+(aq)
État du systèmeAvancement (en mol)n (SCN-)n ( Fe3+)n (Fe(SNC)2+)
État initialx = 0excès
État finalxmaxexcès

9. Déterminer la valeur de la concentration en masse des ions thiocyanate SCN dans l’échantillon de salive de la femme enceinte et conclure sur le potentiel tabagisme passif de cette femme.

L’élève est invité à prendre des initiatives et à présenter la démarche suivie, même si elle n’a pas abouti.

Exercice 5 : Le vélo à assistance électrique

Afin d’alimenter le moteur de l'assistance d’un vélo électrique, un spécialiste propose plusieurs batteries lithium–ion. Elles délivrent toutes une tension nominale de 36 V. En revanche leurs capacités varient de 8,7 A.h à 17,4 A.h en fonction du modèle choisi.

Comment fonctionne un vélo à assistance électrique ?
Le vélo à assistance électrique est un vélo standard sur lequel on a rajouté une batterie. Cette dernière vient alimenter un moteur qui vous aidera à pédaler pour gagner en vitesse avec moins d'efforts.

Cette partie aborde trois thèmes :

  • Le fonctionnement d'une batterie lithium-ion ;
  • Le bilan énergétique pour une batterie de 14,5 A.h ;
  • La transformation du glucose dans le muscle ;
  • Masse du système "cycliste + vélo" : 90 kg ;
  • 1 cal = 4,18 J ;
  • Volume molaire dans les conditions de l'expérience (T =20°C et P = 101 325 Pa) : V= 24,0 L.mol-1 ;
  • Masse molaire du glucose : M = 180,0 g.mol-1 ;
  • Intensité du champ de pesanteur : g = 9,8 m.s-2.

Données :

Caractéristique de quelques batteries lithium-ion de tension nominale 36 V :

CapacitésPrix TTC (en euros)MasseDimensionsType de cellulesAutonomie estimée
(dénivelé positif D+ en m)
Temps de charge estimé avec un chargeur de 2,0 A
8,7 A.h3991,6 kg6×20×8 cmPANASSONIC haute capacité de décharge8704 h 24 min
14,5 A.h5492,5 kg10×20×8 cmPANASSONIC haute capacité de décharge14507 h 12 min
17,4 A.h6492,9 kg12×20×8 cmPANASSONIC haute capacité de décharge17409 h 12 min

Table de données pour la spectroscopie IR :

LiaisonNombres d’onde (cm-1)Intensité
C = O aldéhyde et cétone1650 – 1730Forte
C = O acide carboxylique1680 – 1710Forte
Ctri – H2800 -3100Plusieurs bandes
O – Hlié
O – Hlibre
3200 – 3400
3580 – 3650
Bande large
Bande fine
O–H acide carboxylique2500 – 3200Bande large

Fonctionnement d’une batterie lithium-ion :

Le courant électrique à l’extérieur de la batterie lithium-ion est engendré par la circulation d'électrons entre les deux électrodes de la batterie :

Une électrode négative qui est le siège de la réaction électrochimique suivante : Li → Li++ e-

Une électrode positive qui est le siège de la réaction électrochimique suivante : CoO2 + Li++ e- →  LiCoO2

Li symbolise l'élément lithium et Co l'élément cobalt.

Lors du fonctionnement de la batterie, les ions Li+ traversent le séparateur suivant le sens des flèches représenté dans le schéma ci-dessous.

1. Quel est le couple oxydant-réducteur mis en jeu à l’électrode négative ?

2. La réaction électrochimique à cette électrode est-elle une oxydation ou une réduction ? Justifier.

Bilan énergétique pour une batterie de 14,5 A.h.

3. Déterminer la valeur de l'énergie potentielle de pesanteur emmagasinée par le système "vélo électrique + cycliste" lorsque le cycliste effectue le dénivelé ascensionnel positif maximal correspondant à l’autonomie de la batterie.

4. D’après les données constructeur, ce type de batterie délivre au maximum une énergie maximale Emax = 1,88.106

4.1 En théorie, Emax permet-elle d'effectuer le dénivelé ascensionnel indiqué ?

4.2 Dans les conditions réelles, un cycliste en forme moyenne doit fournir en pédalant 50% de l'énergie nécessaire à l'ascension. Pourquoi faut-il apporter une énergie supérieure à l'énergie potentielle de pesanteur pour réaliser l'ascension ?

Transformation du glucose dans le muscle : comment le muscle du cycliste produit-il de l’énergie ?

Au cours de l’effort sportif, le glucose est dégradé par l’organisme en acide pyruvique. Selon les conditions d’oxygénation du cycliste, l’acide pyruvique sera dégradé à son tour soit en dioxyde de carbone et en eau (en milieu aérobie), soit en acide lactique (en milieu anaérobie).

6. Quel est le nom des familles de fonctions correspondant aux deux groupes caractéristiques de l’acide pyruvique ?

7. Parmi les spectres IR (IR1 et IR2) proposés ci-dessous, choisir, en justifiant, celui correspondant à l’acide pyruvique.

En milieu aérobie (présence de dioxygène), la transformation chimique du glucose dans un muscle peut être modélisée par la réaction d’équation :

C6H12O6(aq) + 6 O2(g) ® 6 CO2(g) + 6 H2O(l)

L’énergie libérée par cette réaction est de 673 kcal pour une mole de glucose consommée par le muscle.

8. Calculer la valeur de la quantité de matière de glucose consommée par les muscles du cycliste afin de libérer une énergie Emusc = 640 kJ pour effectuer l’ascension maximale.

9. On suppose que la transformation chimique est totale. Compléter le tableau d’avancement en annexe à rendre avec la copie et calculer les valeurs de la masse de glucose et du volume de dioxygène consommés pour effectuer l’ascension.

Exercice 6 : Un ballon pour les compétitions internationales de football

La loi 2 de l'International Football Association Board a fixé les caractéristiques d’un  ballon utilisé pour les compétitions internationales :  le ballon doit être sphérique, en cuir ou dans une autre matière adéquate, avoir un diamètre de 22 cm et la pression de l’air dans le ballon doit être comprise entre 1,6 x 105 Pa et 2,1 x 105 Pa.

L’objectif de cet exercice est d’étudier le gonflage d’un ballon et son utilisation dans des lieux de compétitions d’altitude différente. Nous nous intéresserons ainsi à deux lois liées à cette situation : la loi de Mariotte, qui permet d’étudier le gonflage et la loi de statique des fluides qui permet de réfléchir à l’influence de l’altitude sur le gonflage.

1.Étude expérimentale et utilisation de la loi de Mariotte.

Une expérience est menée au laboratoire pour tester la loi de Mariotte à l’aide d’un microcontrôleur et d’un capteur de pression.

On suit le protocole expérimental suivant :

  1. Remplir initialement une seringue avec 30 cm3 d’air ;
  2. Relier la seringue au capteur de pression connecté à un microcontrôleur ;
  3. Téléverser le programme « Mesure Pression » présenté ci-dessous dans le microcontrôleur ;
  4. Faire varier le volume du gaz dans la seringue et noter alors la valeur de la pression correspondante affichée sur l’écran LCD relié au microcontrôleur.

1.1 Adaptation du programme « Mesure Pression »

Un extrait du programme associé au pilotage du microcontrôleur dans le montage expérimental précédent est donné ci-dessous.

1.1.1 Indiquer en quelle unité la pression mesurée par le capteur sera affichée sur l’écran.

1.1.2 Dans le programme, la valeur de la pression est affichée sans décimale. Expliquer comment modifier la ligne 39 du programme pour que la valeur de la pression soit affichée avec 2 décimales.

1.1.3 Expliquer comment modifier la ligne 43 pour que les mesures soient faites toutes les 3 secondes.

1.2 Traitement de mesures obtenues en faisant varier le volume du gaz

Pour chaque volume d’air choisi dans la seringue, le microcontrôleur indique des valeurs de pression toutes les 2 secondes. Ces valeurs sont très proches, mais fluctuent légèrement.

Le tableau ci-dessous rassemble les valeurs de la pression P affichée par l’écran LCD du microcontrôleur pour différents volumes du gaz dans la seringue :

V (cm3202530354050
P (hPa)15051195998852745600

1.2.1 Énoncer la loi de Mariotte.

1.2.2 Exploiter ces mesures pour tester la loi de Mariotte. On explicitera précisément la méthode utilisée.

1.3 Gonflage d’un ballon de football

On utilise un gonfleur électronique de ballon ayant les caractéristiques suivantes :

  • Débit d’air à l’entrée du gonfleur : 4 litres par minute ;
  • Arrêt automatique quand la pression souhaitée est atteinte.

On souhaite gonfler, à l’aide de ce gonfleur, un ballon de football de compétition de diamètre égal à 22 cm pour obtenir une pression de l’air à l’intérieur du ballon de 2,1 x 105 Pa.

On admet qu’avant le gonflage le ballon est totalement dégonflé et que le volume d’air à l’intérieur est négligeable. On admet également que la température reste constante pendant le gonflage. On précise que l’air entrant dans le compresseur est à la pression atmosphérique.

1.3.1.  On appelle V0 le volume d’air à prélever dans le milieu extérieur pour le gonflage, V1 et P1 le volume d’air et la pression à l’intérieur du ballon une fois qu’il est gonflé.

Montrer que :

    \[V _ {0} = \frac {P _ {1} \times V _ {1} } {V _ {0}}\]

1.3.2. Montrer que la durée nécessaire au gonflage, à l’aide du gonfleur électronique, est voisine de 3 minutes.

Utilisation du ballon dans des lieux de compétitions d’altitudes différentes.

On s’intéresse dans cette partie à la loi fondamentale de la statique des fluides pour modéliser l’évolution de la pression atmosphérique en fonction de l’altitude. Cette loi précise que, pour un fluide au repos incompressible de masse volumique , la différence de pression entre deux points, A et B, s’exprime par la relation :
PB - PA = ρ × g × (zA - zB)

Dans cette relation :

  • La masse volumique r s’exprime en kg×m-;
  • L’intensité de pesanteur g s’exprime en N×kg-;
  • Les altitudes zA et zB s’expriment en m et sont repérées sur un axe vertical ascendant Oz.

Les villes de Denver et de New York se sont portées candidates pour accueillir les matchs de la coupe du monde de football 2026 organisée conjointement par les États-Unis, le Canada et le Mexique.

Qui participe à la coupe du monde de football ?
Les coupes du monde de football et mêmes toutes les compétitions de football attirent les foules. Il s'agit d'un sport fédérateur et ce, à travers tout le monde.

2.1 Comparer qualitativement la valeur de la pression au point A à celle au point B.

2.2 Évaluer la différence de pression atmosphérique entre les villes de New York située à 10 mètres d’altitude et de Denver située à 1600 mètres d’altitude.  Pour les deux villes, on suppose que la masse volumique de l’air a pour valeur ρ = 1,1 kg×m-3 et et que l’intensité de la pesanteur a pour valeur g = 9,8 N×kg-1.

2.3 Sur le site Planet-Terre de l’École Normale Supérieure de Lyon, différents modèles de l’atmosphère sont proposés.

  • Modèle 1 : la masse volumique de l'air dépend de la pression et de la température. On suppose que la température varie selon une fonction affine décroissante de l’altitude ;
  • Modèle 2 : la masse volumique de l'air est constante, quelle que soit l'altitude.

Les graphes correspondants à chacun des deux modèles, et représentant l’évolution de la pression atmosphérique en fonction de l’altitude, sont donnés ci-dessous (par souci d’échelle l’axe vertical n’est pas gradué à partir de l’origine).

On considère que ces deux modèles sont équivalents quand les valeurs de pression qu’ils donnent diffèrent entre elles de moins de 5 %.

2.3.1 Auquel des modèles 1 ou 2 est liée la loi fondamentale de la statique des fluides ?

2.3.2 Au vu des graphiques ci-dessus, l’utilisation de cette loi pour répondre à la question 2.2 parait-elle justifiée ?

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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.