Sujet du brevet 2017 de sciences — Asie (Série générale)

Partie I – Détection de fumée

Question 1. Une source primaire de lumière produit elle-même la lumière qu'elle émet. Dans le détecteur de fumée optique, c'est la diode électroluminescente (LED), repère 3 du document 1, qui est la source primaire de lumière. La photodiode, elle, ne produit pas de lumière : elle la reçoit.

Question 2. En l'absence de fumée (document 1, schéma de gauche), la lumière émise par la LED se propage en ligne droite vers le haut ; le cache opaque (repère 4) empêche les rayons d'atteindre directement la photodiode (repère 2), qui ne reçoit donc aucune lumière. En présence de fumée (schéma de droite), les rayons de lumière rencontrent les particules de fumée (repère 6) : ces particules diffusent la lumière, c'est-à-dire la renvoient dans d'autres directions. Une partie de cette lumière déviée part vers la photodiode et l'atteint. La photodiode reçoit alors de la lumière, la convertit en courant électrique et le signal d'alarme se déclenche.

Partie II – Détection de monoxyde de carbone

Question 3. Il faut une équation dont les réactifs sont le méthane $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$ (le combustible de la chaudière) et le dioxygène ${\mathrm{O}}_2$, et dont un des produits est le monoxyde de carbone $\mathrm{C}\mathrm{O}$.

• La proposition 1 ne produit pas de $\mathrm{C}\mathrm{O}$ mais du dioxyde de carbone $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ : c'est la combustion complète du méthane.
• La proposition 2 a pour réactif du carbone $C$, et non du méthane.
• La proposition 3 a bien pour réactifs le méthane et le dioxygène, et produit du monoxyde de carbone (combustion incomplète).

On recopie donc la proposition 3 : $2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4+3{\mathrm{O}}_2\to 4{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+2\mathrm{C}\mathrm{O}$.
Vérification de la conservation des atomes : carbone 2 = 2 ; hydrogène $2\times 4=8$ et $4\times 2=8$ ; oxygène $3\times 2=6$ et $4+2=6$. L'équation est bien équilibrée.

Question 4. Le détecteur réel fonctionne ainsi : le gel du disque s'assombrit en présence de monoxyde de carbone, il laisse passer moins de lumière, et c'est cette diminution de l'éclairement qui doit provoquer une diminution importante de l'intensité détectée par le circuit de contrôle C.

• Montage n° 1 : d'après le document 2, le capteur est une thermistance. Le document 3 montre que sa résistance dépend de la température (environ 245 Ω à 2 °C, 30 Ω à 60 °C), pas de l'éclairement : l'assombrissement du gel ne la ferait pas réagir. Ce montage ne convient pas.
• Montage n° 2 : le capteur est une photodiode, mais il n'y a pas de disque recouvert de gel entre la lampe et le capteur (le symbole en forme d'ellipse est absent). Ce montage ne peut donc pas détecter l'assombrissement du gel : il ne modélise pas le détecteur à disque.
• Montage n° 3 : on y trouve la lampe (source de lumière), le disque recouvert de gel sous la lampe et une photorésistance. D'après le document 4, la résistance d'une photorésistance augmente quand l'éclairement diminue : environ 500 Ω vers 2 400 lux, 1 400 Ω vers 400 lux et 5 000 Ω vers 200 lux. Quand le gel s'assombrit, la photorésistance reçoit moins de lumière, sa résistance augmente fortement, donc l'intensité du courant dans le circuit diminue fortement : le circuit de contrôle C déclenche l'alarme.

Le montage n° 3 est celui qui correspond le mieux au fonctionnement du détecteur de monoxyde de carbone à disque.

Question 1 (annexe). Tableau complété à partir du document 1 (les deux valeurs lues sur le graphique sont des estimations) :

La ligne « 1750 / 180 » correspond à la plus haute barre du graphique, celle des nématodes ; la ligne « 10 / 10 » correspond aux gastéropodes, dont les deux barres sont égales à 10 individus sur l'axe de la macrofaune.

Question 2. D'après le document 1, la population des nématodes est celle qui diminue le plus dans le sol pollué : elle passe de 1 750 individus dans le sol témoin à 180 dans le sol pollué pour 550 cm³ de sol, soit une baisse de $1750-180=1570$ individus. En pourcentage, la baisse est de ${\displaystyle \frac{1570}{1750}}\times 100\approx 90$ % : il reste à peine un nématode sur dix. À titre de comparaison, les acariens passent d'environ 780 à 400 (baisse d'environ 380 individus, soit environ 50 %), les gastéropodes et les macro-arthropodes ne diminuent pas du tout. Les collemboles baissent eux aussi d'environ 90 % (de 200 à 20 environ), mais leur effectif perd seulement 180 individus. Le document 3 confirme la diminution des collemboles et des nématodes. Ce sont donc les nématodes qui subissent la plus forte diminution, en nombre d'individus et parmi les plus fortes en proportion.

Question 3. On cherche pourquoi la litière s'accumule en couche anormalement épaisse à la surface du sol pollué au plomb.

Je vois dans le document 2 que la dégradation de la litière se fait en deux étapes : les animaux du sol doivent d'abord la fragmenter finement, puis les micro-organismes (champignons, bactéries) terminent sa dégradation. Je vois dans le document 3 que, dans le sol pollué, le nombre de certains animaux de la mésofaune qui fragmentent la litière (collemboles, nématodes) diminue, que les débris ne sont plus fragmentés aussi finement que dans un sol non pollué, et que les micro-organismes, bien que toujours vivants, voient leur action de dégradation ralentie.

Je sais que la litière, faite de débris végétaux et animaux, est normalement décomposée progressivement par les êtres vivants du sol, ce qui l'empêche de s'accumuler.

J'en conclus que la pollution au plomb perturbe les deux étapes de la décomposition : la fragmentation est moins efficace car les animaux fragmenteurs sont beaucoup moins nombreux, et les micro-organismes, qui reçoivent des débris moins finement fragmentés et sont eux-mêmes ralentis, dégradent moins vite la matière. La litière est donc dégradée plus lentement qu'elle ne se forme : elle s'accumule et forme une couche anormalement épaisse à la surface du sol pollué.