Sujet du brevet 2011 de physique-chimie — Polynésie (Série professionnelle) (série professionnelle)

1) Bonnes réponses à cocher :

• a) Le passage du courant dans les solutions est dû aux ions : ce sont des particules chargées qui se déplacent dans la solution.
• b) Le passage du courant dans les métaux est dû aux électrons libres.
• c) Les molécules sont électriquement neutres.
• d) Les ions sont électriquement chargés (un ion est un atome ou un groupe d'atomes qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons).
• e) L'eau pure ne conduit pas ou très peu le courant électrique, car elle ne contient presque pas d'ions.
• f) La solution d'acide chlorhydrique a un pH inférieur à 7 : c'est une solution acide.
• g) La solution d'acide chlorhydrique contient plus d'ions H⁺ que d'ions HO⁻, ce qui est la caractéristique d'une solution acide.

2) Une pile électrochimique comporte deux électrodes de natures différentes plongeant dans une solution conductrice. Le premier montage ne convient pas (l'eau pure ne conduit pas le courant) ; le troisième non plus (deux électrodes identiques en cuivre). Il faut cocher le deuxième montage : une plaque de zinc et une plaque de cuivre plongeant dans la solution d'acide chlorhydrique.

3) Schéma de la pile complété :

• dans la pile (cadre du bas) : énergie chimique des réactifs ;
• énergie utile (flèche rouge) : énergie électrique ;
• énergie perdue (flèche grise) : énergie thermique.

La pile convertit l'énergie chimique de ses réactifs en énergie électrique ; une partie est perdue sous forme de chaleur.

Partie 1 : l'éolienne

1) On relie dans l'ordre chronologique :

• Étape 1 → « Sous l'effet du vent, l'hélice se met en marche. »
• Étape 2 → « L'hélice entraîne un axe relié à un alternateur qui produit de l'électricité. »
• Étape 3 → « Un transformateur situé à l'intérieur de l'éolienne élève la tension du courant électrique produit par l'alternateur. »

2) Autre type de centrale électrique : une centrale thermique (au fioul, au charbon ou au gaz), comme celles qui produisent une grande partie de l'électricité en Polynésie. On pouvait aussi citer une centrale hydraulique (barrage) ou une centrale nucléaire.

3) Parmi les objets en gras (hélice, axe, alternateur), la partie commune à toutes les centrales électriques est l'alternateur : c'est lui qui produit l'électricité, qu'il soit entraîné par le vent, par l'eau ou par la vapeur.

4) Diagramme de l'alternateur complété avec les mots en gras du texte :

• cadre de gauche (énergie reçue) : énergie mécanique ;
• dans le cercle (le convertisseur) : l'alternateur ;
• énergie utile : énergie électrique ;
• énergie perdue : énergie thermique.

Partie 2 : tension continue, tension alternative

1) De gauche à droite :

• 1^er graphique (tension constante égale à 1,5 V) : tension continue ;
• 2^e graphique (tension qui varie entre 5 V et − 5 V en changeant de signe) : tension alternative ;
• 3^e graphique (tension constante égale à − 4,5 V) : tension continue ;
• 4^e graphique (tension en dents de scie entre 2 V et − 2 V) : tension alternative.

2) a) Le point le plus haut de la courbe est à 5 V : la valeur maximale de la tension est $U_{max}=5$ V.

b) Le point le plus bas de la courbe est à − 5 V : la valeur minimale de la tension est $U_{min}=-5$ V.

c) La durée correspondant au plus petit motif qui se répète est la période.

d) La courbe passe par un maximum à $t=0$ s, puis par le maximum suivant à $t=40$ s (et encore à 80 s). La période est T = 40 s.

1) Distinguer poids et masse

La masse d'un objet représente la quantité de matière qui constitue l'objet.
Le poids d'un objet situé au voisinage de la Terre est l'action à distance que la Terre exerce sur lui.
L'unité de poids est le newton (N).
L'unité de masse est le kilogramme (kg).

2) Relation entre poids et masse

a) On place sur le graphique les deux points manquants :

• appareil photo : point de coordonnées (0,20 kg ; 2,0 N) ;
• livre : point de coordonnées (0,60 kg ; 6,0 N).

b) On trace à la règle la droite qui passe par l'origine (0 ; 0) et par les quatre points (0,20 ; 2,0), (0,35 ; 3,5), (0,60 ; 6,0) et (1 ; 10).

c) Les points sont alignés sur une droite qui passe par l'origine : le poids et la masse sont deux grandeurs proportionnelles. On le vérifie avec le tableau : ${\displaystyle \frac{10}{1}}={\displaystyle \frac{3,5}{0,35}}={\displaystyle \frac{2,0}{0,20}}={\displaystyle \frac{6,0}{0,60}}=10$ N/kg.

3) Applications

a) D'après la relation $P=m\times g$ avec $m=100$ kg et $g=10$ N/kg :
$P=100\times 10=1000$
Le poids de l'hélice sur Terre est de 1 000 N.

b) Sur la Lune, $g=1,7$ N/kg, et la masse de l'hélice ne change pas ($m=100$ kg) :
$P=100\times 1,7=170$
Le poids de l'hélice sur la Lune est de 170 N.

c) La valeur du poids de l'hélice dépend du lieu où elle se trouve : 1 000 N sur Terre contre 170 N sur la Lune, alors que sa masse reste de 100 kg.