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Nom Prénom : Classe :
Devoir commun de sciences physiques
Jeudi 20 janvier 2011 (durée 2h)
Classe de seconde
Les 3 exercices sont à traiter dans l’ordre de votre choix. Il sera tenu compte de la présentation matérielle de la copie et de la clarté de la rédaction.
Co
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Co
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Ca
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Ca
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Ra
Ra
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EXERCICE 1 : LE CHLORURE DE SODIUM (OU SEL DE TABLE) : 12 points
Le sel (ou chlorure de sodium), que nous mangeons est un composé ionique solide constitué d'ions. Il provient de l'eau de mer ou de mines de sel, mais le chimiste peut aussi le synthétiser. Pour cela il chauffe un morceau de sodium métallique dans un courant de dichlore ( le dichlore est un gaz dans les conditions ambiantes).
Première partie : Etude de l'élément chlore (symbole chimique Cl).
Le numéro atomique du chlore est 17 et son nombre de masse est 35.
Donner le nombre de protons et de neutrons contenus dans son noyau, en justifiant votre réponse.
Donner la structure électronique de l'atome de chlore.
En déduire sa place dans la classification périodique (ligne et colonne). Justifier.
A quelle famille appartient-il ?
A quelle règle, l'élément chlore obéit-il en formant un ion ? Enoncez cette règle.
Donner la formule chimique de l’ion que peut donner le chlore.
Quelle est la structure électronique de l’atome situé juste au-dessus du chlore dans la classification périodique ? Justifier.
Deuxième partie : Etude de l'élément sodium (symbole chimique Na)
L'atome de sodium a pour structure électronique : K2L8M1.
Données : mProton = mNeutron = 1.67×10-27 kg, e = 1,60. 10-19 C.
Donner le numéro atomique de l'élément Sodium. Justifier.
Sachant que la masse de cet atome est m= 3,85 x 10-26 kg, déterminer le nombre de nucléons dans son noyau. Vous ferez précéder votre calcul d'une expression littérale et d'une justification.
Calculer la charge du noyau et en déduire (en justifiant) la charge du nuage électronique.
Donner la représentation symbolique du noyau (ou de l'atome) de sodium.
Donner la place de l’atome de sodium dans la classification périodique (ligne et colonne). Justifier.
Cet atome n’est pas stable, il peut former un ion. Lequel (donner sa formule chimique) et pourquoi ?
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Co
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A
Co
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Co
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Co
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Ca
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Ca
Ca
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Ca
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Ra
***
Ra
Ra
Ra
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Exercice 2 : Dispersion de la lumière (11 points)
Données : indice de l’air nair = 1,00 ; Célérité de la lumière c = 3,0.108 m.s-1 ; n = c / v
On dispose d’un prisme en verre dispersif (figure 1 page 4). Sur celui-ci, certaines données concernant l’indice du verre en fonction de la longueur d’onde qui le traverse sont effacées.
En effet, on y lit : pour = 400 nm, n400 = 1,46 ; pour = 750 nm, n750 = ?
Pour déterminer la donnée manquante, un rayon d’un faisceau monochromatique rouge de = 750 nm est dirigé sur la face AB du prisme avec un angle d’incidence i de 45,0 °. L’angle de réfraction r mesuré est alors de 30,0 °.
Qu’est-ce qui caractérise une radiation monochromatique ?
Exprimer la valeur de cette longueur d’onde en m et en mm (en utilisant l’écriture scientifique).
Enoncer la deuxième loi de Descartes ( préciser la signification de chaque grandeur).
En utilisant cette loi, calculer l’indice du milieu du verre pour cette longueur d’onde.
Compléter la figure 1 en y faisant figurer l’angle d’incidence et le trajet de ce rayon passant de l’air au verre.
En déduire, par une mesure, l’angle d’incidence i’ du rayon arrivant sur la face AC du prisme.
En déduire alors la valeur de l’angle de réfraction de ce rayon lorsqu’il passe du verre à l’air.
Compléter, sur la figure 1, le trajet du rayon lorsqu’il passe du verre à l’air.
Afin de vérifier notre mesure, un rayon de ce faisceau est dirigé sur la face AB du prisme avec un angle d’incidence de 20,0°.
Quel angle de réfraction devrait-on alors mesurer ?
Calculer la vitesse de ce faisceau dans le verre.
Figure 1 : schéma du prisme
B
C
Exercice 3 : La lumière des étoiles (10 points)
PARTIE I
On souhaite obtenir le spectre d’émission du mercure (Hg). Parmi les deux dispositifs A et B schématisés ci-après quel est celui que l’on doit utiliser ? Décrire très succinctement ce que l’on observe sur l’écran de ce dispositif.
Comment nomme-t-on la figure obtenu sur l’écran avec l’autre dispositif ? La décrire très succinctement en la comparant à la figure décrite à la question 1.
Dispositif A
Dispositif B
On retire la vapeur de mercure du dispositif B.
Qu’observe-t-on alors sur l’écran de ce dispositif ? Quel est le rôle du prisme ?
A l’aide d’un variateur de tension on diminue progressivement la température du filament de la lampe servant de source de lumière. Décrire alors ce que l’on observe sur l’écran au cours de cette modification.
Partie II
Rigel est une étoile bleutée, dans la constellation d’Orion. Le spectre obtenu par analyse de la lumière en provenance de cette étoile est donné en annexe (page 8).
A quoi sont dues les raies noires sur le spectre de Rigel ?
La raie n°1 de référence a pour longueur d’onde 1 = 397 nm et la raie n°7 a pour longueur d’onde 7 = 486 nm
Mesurer sur le spectre de Rigel la distance L en mm entre la raie n°1 et la raie n°7.
En déduire le nombre de nanomètres correspondant à 10 mm sur le spectre.
A l’aide de l’échelle déterminée à la question 2.2. et du spectre fourni en annexe, déterminer les longueurs d’ondes 2 à 6 des autres raies (2 à 6)
Toutes les raies observées sur le spectre de Rigel correspondent soit à l’atome d’hydrogène soit à l’atome d’hélium. On donne dans le tableau ci-dessous quelques valeurs de longueurs d’ondes caractéristiques de ces atomes.
Longueurs d’ondes (en nm) de certaines raies caractéristiques
Hydrogène
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397
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410
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434
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486
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Hélium
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403
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414
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447
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Sur le spectre de Rigel quelles sont les raies qui correspondent à l’atome d’hydrogène ? Quelles sont celles qui correspondent à l’atome d’hélium ?
Citer une étoile ayant une atmosphère semblable à celle de Rigel.
De façon générale quel intérêt présente la détermination des longueurs d’ondes des raies d’absorption dans le spectre d’une étoile ?
On donne à la page suivante un document indiquant la catégorie spectrale et la couleur des étoiles en fonction de leur température de surface :
Rigel est une étoile bleutée, sa température de surface est-elle de 3000 °C, 5500°C ou 13 000 °C. A quelle catégorie spectrale appartient-t-elle ?
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Catégorie spectrale
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Température de surface (°C)
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Couleur
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O
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Supérieur à 25000 °C
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bleue
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B
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Entre 10 000 et 25 000 °C
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Bleue-blanche
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A
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Entre 7 500 et 10 000 °C
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blanche
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F
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Entre 6000 et 7500 °C
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Jaune-blanche
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G
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Entre 5000 et 6000 °C
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jaune
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K
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3500 à 5000
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Jaune-orange
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M
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Inférieure 3500
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rouge
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