Fiche de physique - chimie
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Sujet corrigé Physique Chimie Bac STI2D STL SPCL métropole

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CORRECTION BAC METROPOLE 2016
PHYSIQUE CHIMIE
STI2D / STL SPCL

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PARTIE A : OBJECTIFS DE LA MISSION ATV 5 ET PREPARATIFS DU LANCEMENT

A.1. Objectifs de la mission ATV 5

A.1.1. Quatre objectifs de la mission ATV 5 :
Ravitailler la station spatiale internationale (ISS) et son équipage permanent, en nourriture, en eau, en oxygène et en carburants.
Transporter également de nouveaux équipements de recherche pour les astronautes
Relever régulièrement l'altitude de la station qui diminue continuellement en raison de la traînée atmosphérique.
Manoeuvrer la station afin d'éviter qu'elle n'entre en collision avec des météorites ou des débris flottant dans l'espace.

A.1.2. La cause de la baisse d'altitude de l'ISS au cours du temps est la trainée atmosphérique (Annexe A1).

A.1.3. La durée approximative de la mission est d'environ 6 mois (Annexe A1).

A.1.4. La mission a duré 6 mois = 6*30.5 = 183 jours.
A l'aide de la droite (Annexe 2), on déduit, qu'au bout de 183 jours, la station est à l'altitude z = 381,75 km et donc la perte en altitude est égale à 400 - 381,75 = 18,25 km.

A.2. Préparatifs du lancement de l'ATV par Ariane 5

A.2.1. Inspection du système d'arrosage de la table de lancement
A.2.1.a. Le débit volumique est donné par :

D_V=\frac{V_R}{t}
=> V_R=D_V*t = 30 * 50 = 1500 m3 d'eau

A.2.1.b. Le débit volumique d'une bouche est égal au débit total d'eau divisé par le nombre de bouche.

Ainsi, D_{V1}=\frac{30m^3.s^{-1}}{68}\approx 0,44m^3.s^{-1}

A.2.1.c.

Le débit volumique est égal à la multiplication de la vitesse (m/s) par la section (m2).
Ainsi, D_{V1}=V * S
=> V = \frac{D_{V1}}{S}=\frac{0,44}{126.10^{-4}}\approx 35m.s^{-1}

A.2.1.d

En appliquant le principe de l'hydrostatique entre A et B, on obtient :
P_B-P_A = \rho *g*(h_A-h_B)
=>(h_A-h_B) = (P_B-P_A)/ \rho *g = \frac{(9-1).10^5}{1000.9,81}=81,55m

Ensuite, pour trouver la hauteur minimale, il faudra ajouter le 8,5 m
Donc, la hauteur minimale \approx 90m.

A.2.2. Remplissage des réservoirs du moteur principal de la fusée

A.2.2.a. Voir document réponse DR1

A.2.2.b. Les deux ergols existent sous forme liquide dans ces conditions de température et de pression.

PARTIE B : LANCEMENT DE L'ATV 5 PAR ARIANE 5

B.1. Étude du fonctionnement du moteur Vulcain lors du lancement

B.1.1. Voir document réponse DR2

B.1.2. B.1.2.a 2H2 + O2 fleche 2H2O

B.1.2.b. D'après l'équation de la réaction :
n(H_2O) = 2*n(O_2) =2*4,7.10^6 =  9,4.10^6 moles d'eau.

B.1.2.c. On sait que n=m/M
=> m=n*M
=> m(H_2O) = n(H_2O)* M(H_2O) = 9,4.10^6 * 18 = 169,2. 10^6 g = 169,2. 10^3 kg\approx 170 tonnes

B.1.2.d
Dans l'annexe B1: Dm = 320 kg/s
Or Dm = m(Propergols) /t

=> t = \frac{m}{Dm}=\frac{170.10^3kg}{320kg.s^{-1}}=531,25s=8,854 min

Donc, la durée de fonctionnement du moteur est d'environ 8,85 min.

B.2. Étude du décollage et de la phase d'ascension verticale de la fusée

B.2.1. P = m*g = 774.10^3*9,81 = 7592940 N \approx 7593 kN.

B.2.2. Voir document réponse DR3

B.2.3. D'après la 2ème loi de Newton : \sum \vec{m}=m_{fusée}*\vec{a}
=> \overrightarrow{F_N}+\vec{P}=m_{fusée}*\vec{a}

Projection sur l'axe de l'altitude z, on obtient :
F_N-P=m_{fusée}*a

a=\frac{F_N-P}{m_{fusée}}=\frac{(13000-7593).10^3}{774.10^3}\approx 7m.s^{-2}

B.2.4. D'après l'annexe B1, la durée de l'ascension est de deltamajt = 18-5 = 13 s.
au moment de décollage : Vi et Zi sont nulles.

On sait que : z=\frac{1}{2}a\Delta t^2+v_i\Delta t+z_i=\frac{1}{2}a\Delta t^2=\frac{1}{2}*7*13^2=591,5m

B.2.5. On sait que le travail = force * déplacement * cos theta
Or ici, le déplacement est l'altitude pendant l'ascension = 591,5 m et theta= 0°
D'après Annexe B1, F_{vulc} = 1100 kN = 1100000 N

Ainsi, Wvulc=Fvulc * altitude=1100000*591,5=6,5.108J

B.2.6. D'après Annexe B1, le rendement de ce moteur est r = 40% = 0,4

Donc, E_{th}=\frac{W_{vulc}}{0,4}=\frac{6,5.10^2}{0,4}=16,25.10^8J

B.3. Traitement de l'eau polluée

B.3.1. La solution est de nature acide

B.3.2. La solution est acide et donc a un pH faible
Ainsi,
il faudra augmenter son pH
diminuer la concentration en ion H3O+
Les techniciens vont ajouter une solution basique comme la soude pour neutraliser la solution acide.

B.3.3. L'équation de la réaction de neutralisation est :
H3O+ + HO- fleche 2H2O

PARTIE C : LES EQUIPEMENTS DE L'ATV 5 ET SON VOL AUTONOME JUSQU'A L'ISS

C.1. Production et stockage de l'énergie nécessaire au fonctionnement du système de guidage de l'ATV

C.1.1. Voir document réponse DR4

C.1.2. C.1.2.a.
la puissance reçue par les panneaux est :
Pa = éclairement* S(panneaux) = 1370 * 33.6 = 46032 W

la puissance qu'ils fournissent est :
Pu = Pa*rendement = 46032 * 17% = 7825 W

La puissance reçue par les batteries est : Pbat= Pu - Psg = 7825 - 900 = 6925 W environegal 6,9kW

C.1.2.b. On sait que P = I*U
=> I = P/U = Psg / U = 900 / 57,6 = 15,6 A.

C.1.2.c. Q = I*t = 15,6*31*60 = 29016 C

C.1.2.d. On détermine Q en A.h : Q = 15,6*0,52 = 8,1 A.h
Et donc, oui les batteries vont permettre de faire fonctionner correctement le système de guidage.

C.1.3. Voir document réponse DR5.

C.2. Mise en oeuvre du système optique lors de la phase d'approche et d'amarrage de l'ATV à la station spatiale

C.2.1.

C.2.1.a.
On sait que l'énergie est définie par :
E = \frac{hc}{\lambda}
=> \lambda = \frac{hc}{E}

Et donc, \lambda_1 = \frac{hc}{E_1}=\frac{6.62.10^{-34}.3.10^8}{1.99.10^{-22}}\approx 10^{-3}m

De même, \lambda_2=\frac{hc}{E_2}=\frac{6.62.10^{-34}.3.10^8}{2,48.10^{-19}}=8.10^{-7}m

C.2.1.b. D'après Annexe C2, les ondes sont des Infrarouges.

C.2.2. Les ondes ultrasons sont des ondes mécaniques et donc elles ne se propagent pas dans le vide. Ainsi, on ne pourra pas utiliser l'ultrason à l'approche de la station.
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