Physique – exercices 3, Exercices de Physique
Eleonore_sa
Eleonore_sa29 April 2014

Physique – exercices 3, Exercices de Physique

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Physique – exercices sur les bulles de savon - correction. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: Étude du texte, La réaction d’hydrolyse basique d’un ester, Influence de la tension superficielle sur la propaga...
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Exercice 2 Les bulles de savon 5,5 points

Bac S Amérique du sud 2011 Exercice II : Les bulles de savon (5,5 points)

Une bulle de savon est un globe formé d’un mince film d’eau savonneuse rempli d’air qui flotte dans l’atmosphère. Sa paroi est constituée de deux rangées de molécules de tensio-actif (un tensio-actif influence la tension superficielle de l’eau). Une étroite couche d’eau est retenue entre les têtes hydrophiles tandis que les queues hydrophobes, préférant le contact de l’air plutôt que celui de l’eau, se placent de la manière suivante :

• queues de la rangée externe : tournées vers l’extérieur de la bulle, donc vers l’air ambiant. • queues de la rangée interne : tournées vers l’intérieur de la bulle, donc vers l’air emprisonné.

Les champions parviennent à produire des bulles de savon d’un mètre et plus.

D’après plusieurs articles de Wikipédia

1. Étude du texte

1.1. Définir les termes « hydrophile » et « hydrophobe ».

1.2. Entourer sur l’ion carboxylate, représenté sur le document 1 de l’annexe à rendre avec la copie, la partie hydrophile et la partie hydrophobe.

1.3. L’ion carboxylate est souvent représenté schématiquement par un trait au bout duquel se trouve un cercle. Le trait représente la chaîne carbonée et le cercle représente le groupe carboxylate. Retrouver, parmi les quatre schémas placés sur le document 2 de l’annexe à rendre avec la copie, celui qui convient le mieux à la description d’une bulle de savon. 2. La réaction d’hydrolyse basique d’un ester

2.1. L’ion dodécanoate représenté sur le document 1 de l’annexe peut être obtenu à partir de l’hydrolyse basique du dodécanoate d’éthyle. Écrire l’équation de cette réaction. 2.2. Quelles sont les deux caractéristiques de l’hydrolyse basique d’un ester ?

2.3. En partant de 12,0 g de dodécanoate d’éthyle et d’un excès d’ions hydroxyde, trouver la quantité de matière d’ion dodécanoate obtenu si le rendement de la transformation chimique est de 95%. Données : MC = 12,0 g.mol-1, MO = 16,0 g.mol-1, MH = 1,0 g.mol-1. 3. Influence de la tension superficielle sur la propagation des ondes mécaniques à la surface de l’eau.

La célérité des ondes mécaniques transversales à la surface d’un liquide dépend de sa tension superficielle seulement si la longueur d’onde est inférieure à 1,7 cm. On a alors affaire à des ondes de capillarité.

La célérité d’une onde de capillarité, si la profondeur du liquide est suffisamment importante et la longueur d’onde suffisamment faible (conditions que l’on suppose réunies dans cet exercice), peut s’écrire : σ est la tension superficielle du liquide (en N.m–1) ρ est la masse volumique du liquide (en kg.m–3) λ est la longueur d’onde (en m).

CH3 (CH2)10

C

O

O C2H5

dodécanoate d’éthyle

2 . v

.

 

  

Pour observer ces ondes, on peut faire vibrer un diapason en maintenant une de ses branches en contact avec la surface du liquide. Une onde circulaire de même fréquence que la vibration du diapason se propage à la surface de l’eau. Elle est difficilement observable parce que rapidement amortie, mais il est néanmoins possible, en filmant le phénomène, et en faisant défiler le film image par image, de trouver une photo exploitable permettant de mesurer la longueur d’onde. On dispose de plusieurs diapasons donnant plusieurs notes. Leurs fréquences de vibration sont données dans le tableau ci-dessous :

Note Do Ré Mi Fa Sol La Si Do

Fréquence (Hz) 261 294 330 349 392 440 466 494

L’expérience est réalisée avec de l’eau. σ = 0,073 N.m–1 ρ = 1,0×103 kg.m–3 3.1. On choisit le diapason donnant la note La. Sa fréquence de vibration est f1 = 440 Hz. La longueur d’onde mesurée est λ1 = 1,33 mm.

3.1.1. Donner la relation permettant de calculer la célérité de l’onde.

3.1.2. Vérifier que cette célérité vaut v1 = 0,585 m.s–1.

3.2. Sur le document 3 de l’annexe à rendre avec la copie, on a représenté la surface de l’eau vue de dessus à la date t1. Les sommets de vagues sont représentés par des cercles en trait plein, et les creux de vagues par des cercles en pointillé. On a représenté une ligne de coupe AB. Sur le document 4 de l’annexe à rendre avec la copie, on a représenté la surface de l’eau en coupe, à la date t1, en faisant apparaître les points M1 et M2 (on néglige le phénomène d’amortissement).

3.2.1. Choisir parmi les trois schémas du document 5 de l’annexe à rendre avec la copie, celui qui

correspond à la surface de l’eau en coupe à la date t2 = t1 + 2

T .

3.2.2. Comparer les mouvements verticaux des points M3 et M4.

3.2.3. Comparer les mouvements verticaux des points M3 et M5.

3.3. On réalise la même expérience avec un nouveau diapason de fréquence différente du premier, mais inconnue. La nouvelle longueur d’onde est mesurée λ2 = 1,62 mm. La célérité est v2 = 0,534 m.s–1.

Comment peut-on qualifier le milieu de propagation que constitue la surface de l’eau, pour cette gamme de fréquence ? Justifier la réponse.

3.4. On garde le même diapason, de fréquence inconnue, et on ajoute quelques gouttes de détergent qui se répartit à la surface et modifie la tension superficielle qui vaut σ = 0,038 N.m–1. La masse volumique reste inchangée. La nouvelle longueur d’onde mesurée est λ3 = 1,30 mm.

3.4.1. Calculer la célérité de l’onde.

3.4.2. Calculer la fréquence du diapason et donner le nom de la note qu’il produit.

ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE

Document 1

Document 2

Document 3 Représentation de la surface de l’eau vue de dessus.

CH3

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

C

O

O–

Air ambiant Air emprisonné Eau

Réponse A

Air ambiant Air emprisonné Eau

Réponse B

Air ambiant Air emprisonné Eau

Réponse D

Air ambiant Air emprisonné Eau

Réponse C

A M3

M2 M1 B

S

M5

M4 Point de contact

du diapason

A M2

M1

B

Surface de l’eau immobile

Document 4 Surface de l’eau en coupe, à la date t1

A M2

M1

B

A

M2

M1 B

Réponse A

Réponse C

Réponse B

M2

M1 A B

Document 5 Surface de l’eau en coupe, à la date t2 = t1 +

T

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