Fiche de physique - chimie
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Sujet brevet 2016 Physique Chimie Amérique du Nord

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CORRECTION WASHINGTON 2016
PHYSIQUE CHIMIE
BREVET DES COLLEGES

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exercice PREMIERE PARTIE : POIDS D'UNE EOLIENNE ET TRANSPORT DES PALES

1. Sur le document 1, on peut lire : (Poids total de 375 tonnes ». Cette affirmation est incorrecte.
Pour être en accord avec l'unité de mesure « tonne », indiquer le nom de la grandeur à écrire à la place du mot « poids ».
A la place du mot « Poids » on écrit le mot « Masse »

2. Compléter le tableau suivant :
Grandeur Nom de l'unité Symbole de l'unité
Poids Newton N


3. Déterminer le poids total de l'éolienne.
Donnée : intensité de la pesanteur sur Terre g=10 N /kg

Le poids total de l'éolienne est :
P = m.g Avec m est la masse en Kg et g est l'intensité de la pesanteur en N/Kg
P = 375 * 1000 * 10 = 3 750 000 N

4.1. Ecrire en toutes lettres le nom de l'unité de mesure de l'énergie cinétique dans le système international.
L'unité de mesure de l'énergie cinétique dans le système international est le Joule (J).

4.2. Préciser à quelles grandeurs physiques correspondent les notations « m » et « v ».
m est la masse du solide en mouvement. Elle s'exprime en Kg
V est la vitesse du solide en mouvement. Elle s'exprime en mètre/seconde (m/s)

5. Dans un premier temps, le véhicule se déplace à une vitesse égale à 25kg/h. Puis dans une seconde partie du trajet, il peut adopter la vitesse maximale autorisée, qui est égale à 50 km/h. Indiquer si la proposition est vraie ou fausse.
Faux : la distance de freinage dépend de la vitesse. Elle est plus longue quand la vitesse est plus grande.
Vraie : dans la première partie du trajet, l'énergie cinétique est 4 fois plus faible que dans la seconde
Faux : dans la deuxième partie du trajet, l'énergie cinétique est 4 fois plus grande que dans la première.
Justification : soit E1 est l'énergie à V1 = 25 Km/h ; soit E2 est l'énergie à V2 = 50 km/h

E_1 = \frac{1}{2}mV_1^2 \text{ et } E2 = \frac{1}{2}mV^2_2

Or V_2 = 2* V_1

Donc, E_2 = \frac{1}{2}mV_2^2=\frac{1}{2}m(2*V_1)^2=\frac{1}{2}m*4*V^2_2=4*E_1
E_2=4*E_1



exercice DEUXIEME PARTIE : DES EOLIENNES EN MER

1. Le document 2 présente deux arguments en faveur de l'éolien marin, l'un est de nature scientifique, l'autre est de nature non scientifique. Relever ces deux arguments et les écrire dans le tableau ci-dessous.
Argument de nature scientifique en faveur de l'éolien marin Le vent est beaucoup plus fort
Argument de nature non scientifique en faveur de l'éolien marin L'esthétique et le voisinage


2. En utilisant les documents 2 et 3, indiquer les matériaux qui ne peuvent pas être utilisés dans la composition des pales. Justifier le choix.
Les matériaux qui ne peuvent pas être utilisé dans la composition des pales sont :
Le Fer : Puisqu'il est lourd et très sensible à l'humidité (rouille facilement)
Le Bois : puisque sa résistance à l'humidité est limitée

3. En utilisant les documents 2 et 3, indiquer le matériau qui est le plus approprié pour entrer dans la constitution d'une éolienne marine. Justifier le choix.
Le matériau le plus approprié pour entrer dans la constitution d'une éolienne marine doit avoir à la fois des très bonnes propriétés de légèreté et de résistance et qu'il soit insensible à la corrosion.

D'après les documents 2 et 3, le matériau le plus approprié est :
Matériaux composites : léger et imputrescible.

Pour pouvoir utiliser l'Aluminium, il faut qu'il soit sous forme de tôles fines (pour qu'il soit léger). Or, sous forme des tôles fines, il devient moins résistant, ce qui limite son utilisation.

4. Les matériaux composites cités dans le document 3 sont des matériaux élaborés à partir d'espèces chimiques n'existant pas dans la nature.
Préciser l'intérêt de créer des espèces chimiques n'existant pas dans la nature.
Intérêt de créer des espèces chimiques n'existant pas dans la nature :
L'intérêt est de pouvoir créer des molécules plus actives et des matériaux plus performants afin d'améliorer notre confort. Comme par exemple, les pales des éoliennes marines qui sont fabriquées à partir de matériaux composites (n'existant pas dans la nature) et qui allient des qualités de résistance, de légèreté et de résistance à la corrosion. Ce qui permet de fabriquer des pales plus longues et résistantes et ainsi produire plus d'électricité.

5. Comme tous les métaux, l'aluminium et le fer sont conducteurs du courant électrique.

À l'échelle microscopique, indiquer le nom des particules qui permettent d'expliquer la conduction du courant dans un métal.

A l'échelle microscopique, les particules qui permettent d'expliquer la conduction du courant dans un métal est : les électrons.

6. L'eau de mer contient plusieurs espèces chimiques sous forme ionique. Grâce à un test simple, on peut mettre en évidence l'un des ions contenu dans l'eau de mer :

Dans un tube à essai contenant de l'eau de mer incolore, on ajoute quelques gouttes d'une solution aqueuse de nitrate d'argent. on observe l'apparition d'un précipité blanc qui noircit à la lumière.

Schématiser le test réalisé.
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6.2. Citer l'ion mis en évidence grâce à ce test et préciser sa formule chimique.
Nom de l'ion : Ion Chlorure
Formule chimique : Cl-

6.3. Emma se demande si la corrosion provoquée par l'eau de mer est due à l'acidité de l'eau de mer ou à une autre cause.

Elle dépose une goutte d'eau de mer, incolore, sur un morceau de papier pH. Celui-ci prend une teinte verte.

Répondre à la question que se pose Emma. Justifier la réponse.

D'après le document 5, une teinte verte correspond à un pH de 7 à 9 en fonction si la teinte est claire ou foncée. Eau de mer Précipité blanc Nitrate d'argent Après quelques minutes Le précipité noircit à la lumière

Or, à pH = 7, la solution est neutre et à pH > 7, la solution commence à être basique. Donc, l'eau de mer n'est pas acide. Ainsi, la corrosion n'est pas due à l'acidité de l'eau de mer.



exercice TROISIEME PARTIE : PRODUCTION ELECTRIQUE DE L'EOLIENNE

1.
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2.1. Source d'énergie renouvelable :
Est une source d'énergie qui se constitue ou se reconstitue plus rapidement qu'elle n'est utilisée. Et donc elle est considérée inépuisable à l'échelle de temps humaine. Par exemple : le soleil.

2.2. Les sources d'énergie non-renouvelable sont les sources qui s'épuisent avec le temps comme par exemple les sources d'énergie fossile (le Pétrole).

3.1. Le numéro de l'oscillogramme qui correspond à la tension produite par l'éolienne est : 1.
C'est une tension électrique alternative sinusoïdale.

3.2. La fréquence d'un signal est définie par : f = \frac{1}{T}
Avec f : la fréquence en Hertz (Hz) et T la période en seconde (s).
A partir de l'oscillogramme 1, on détermine la période T :
On constate que : 2*T = 40 divisions => T = 20 divisions
Sachant que chaque division = 2 ms
Ainsi, T = 20 * 2 = 40 ms = 0.04 s

Donc, La fréquence f = \frac{1}{0,04}=25Hz

3.3. Sur l'oscillogramme 3 on constate que la tension correspond à 10 divisions.
Sachant que chaque division correspond à 100 V, on en déduit que la tension = 100*10 = 1000 V.

4.1. On sait que E = P * t Avec E est l'énergie en kWh, P est la puissance en kW et t le temps en h.

Calculons tout d'abord le temps (une année) en heures : t = 365*24 = 8760 h.
Convertir la puissance en kW : P = 5 MW = 5000 kW

Calculons l'énergie E : E = 5000 * 8760 = 43800000 kWh
Sachant que 1 million = 1000000

Donc, pour obtenir l'énergie en millions de kWh, on la divise par 1000000.

On obtient : E = \frac{43800000}{1000000}=43,8 millions de kWh\approx 44 millions de kWh

4.2. Pour produire 44 millions de kWh /an, l'éolienne doit fonctionner à pleine puissance et en continue, ce qui impose une vitesse de vent toujours élevée. Or, réellement, la vitesse du vent est variable, ce qui induit une diminution de la puissance et ainsi de la quantité d'énergie produite.

De plus, une partie de l'énergie est perdue sous forme thermique au niveau de l'alternateur qui transforme l'énergie mécanique en énergie électrique.

Information complémentaire (n'est pas demandée) : les éoliennes de grandes tailles, comme le cas dans cet exemple, ont un rendement électrique de l'ordre de 35 %. Ainsi, en calculant l'énergie réellement produite, en prenant en compte ce rendement, on obtient : E_{réelle produite} = E * 0.35 = 15,4 millions de kWh, ce qui est en accord avec la valeur réellement obtenue.
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