Sujet du brevet 2014 de physique-chimie — Polynésie (Série générale)

1.1. D'après le document n° 2, la dissolution du dioxyde de carbone fait baisser le pH de l'eau. Or, plus le pH est faible, plus une solution est acide. La dissolution du dioxyde de carbone augmente donc l'acidité de l'eau de l'aquarium.

1.2. D'après le document n° 1, le pH de l'eau de mer est compris entre 7,9 et 8,3. Ces valeurs sont supérieures à 7 (pH neutre). L'eau de mer où vivent les poissons clowns est basique.

1.3. Case à cocher : « il y a moins d'ions H⁺ que d'ions HO⁻ ». Dans une solution basique (pH > 7), les ions hydroxyde HO⁻ sont majoritaires par rapport aux ions hydrogène H⁺.

1.4. Formule à entourer : Cl⁻. L'ion chlorure est un atome de chlore qui a gagné un électron. (Ca²⁺ est l'ion calcium et Cu²⁺ l'ion cuivre II.)

2. D'après le document n° 3 et les observations de Jérémy :

• Ion chlorure : présent, car le nitrate d'argent donne un précipité blanc qui noircit à la lumière.
• Ion aluminium : absent (ou en quantité trop faible pour être détecté), car la soude ne donne aucun précipité blanc.
• Ion calcium : absent (ou en quantité trop faible pour être détecté), pour la même raison : rien ne se passe avec la soude.

3.1. Cases à cocher : « des ions contenus dans l'eau du robinet » et « des ions provenant du sel dissous dans l'eau du robinet ». Dans une solution, ce sont les ions (particules chargées électriquement) qui assurent le passage du courant. Les molécules d'eau et le dioxygène dissous sont électriquement neutres : ils ne rendent pas l'eau conductrice.

3.2. On réalise un circuit en série (une seule boucle) comprenant : un générateur, un interrupteur, un ampèremètre et un électrolyseur (une cuve contenant la solution, dans laquelle plongent deux électrodes), reliés par des fils de connexion. Sur le schéma normalisé : le symbole du générateur, celui de l'interrupteur, un cercle marqué « A » pour l'ampèremètre (avec sa borne COM reliée du côté de la borne − du générateur) et un rectangle représentant la cuve avec les deux électrodes. L'ampèremètre se branche toujours en série.

3.3. Sur le document n° 4, l'intensité de 420 mA se situe entre le point correspondant à 30 g/L (environ 385 mA) et celui correspondant à 40 g/L (environ 485 mA). En lisant le graphique à partir de 420 mA sur l'axe vertical, on trouve une masse de sel dissous d'environ 33 à 34 g par litre d'eau salée. Cette valeur est comprise entre 30 g/L et 40 g/L, l'intervalle des eaux où vivent naturellement les poissons clowns. L'eau de l'aquarium est donc adaptée aux poissons clowns (du point de vue de sa salinité).

1. Le poids d'un objet est la force d'attraction exercée par la Terre sur cet objet (action mécanique à distance, verticale, dirigée vers le centre de la Terre).

2. Le poids est une force : il s'exprime en newtons (N).

3. Relations à cocher : ${\displaystyle \frac{P}{m}}=g$ et $m\times g=P$. Ces deux écritures sont équivalentes et traduisent que le poids est proportionnel à la masse, $g$ étant le coefficient de proportionnalité. La relation ${\displaystyle \frac{g}{P}}=m$ est fausse (on aurait $m={\displaystyle \frac{P}{g}}$).

4. L'intensité de la pesanteur $g$ s'exprime en newtons par kilogramme (N/kg).

5. Masse de l'eau : un litre d'eau a une masse d'environ 1 kg, donc 300 L d'eau ont une masse d'environ 300 kg.
Masse totale : $m=70+300=370$ kg.
Poids : $P=m\times g=370\times 10=3700$ N.
Le poids de l'aquarium rempli d'eau est d'environ 3 700 N. (Avec $g=9,8$ N/kg, on obtiendrait environ 3 630 N.)

1. Diagramme complété : énergie électrique → résistance ou thermoplongeur → énergie thermique (chaleur). Une résistance chauffante convertit l'énergie électrique reçue en énergie thermique cédée à l'eau (effet Joule).

2. Dans le système international, l'énergie s'exprime en joules (J).

3.1. Liaisons à tracer :

• « ∼ » → Tension alternative sinusoïdale (lien déjà représenté) ;
• 300 W → Puissance nominale ;
• 50 Hz → Fréquence ;
• 230 V → Valeur efficace de la tension d'alimentation.

3.2. Une tension alternative est une tension qui change de signe au cours du temps : elle est alternativement positive et négative (elle varie de façon périodique, et ici sinusoïdale).

3.3. Case à cocher : « à l'aide d'un voltmètre en mode alternatif » (position AC ou « ∼ »). Une tension se mesure avec un voltmètre, branché en dérivation ; l'ampèremètre mesure une intensité.

4. D'après le document n° 5, la puissance du thermoplongeur est $P=300$ W et il fonctionne $t=10$ h par jour.
$E=P\times t=300\times 10=3000$ Wh, soit 3 kWh.
En joules (unité du système international) : $t=10\times 3600=36000$ s, donc $E=300\times 36000=10800000$ J, soit $1,08\times {10}^7$ J.
Le thermoplongeur consomme chaque jour 3 kWh, c'est-à-dire 10 800 000 J.

5. Il faut connaître l'intensité du courant qui traverse le thermoplongeur. D'après le document n° 5, $P=300$ W et $U=230$ V. Avec la relation $P=U\times I$ :
$I={\displaystyle \frac{P}{U}}={\displaystyle \frac{300}{230}}\approx 1,3$ A.
D'après le document n° 6, la plus petite intensité maximale admise est 10 A (rallonge n° 1). Comme $1,3$ A < 10 A, l'intensité du courant reste inférieure à l'intensité maximale de chaque rallonge. Toutes les rallonges sont donc utilisables pour alimenter le thermoplongeur.