Sujet de brevet de physique chimie proposé en 2010 pour la série collège.
L’énoncé a été simplifié pour ne garder que l’essentiel (la page de garde et les espaces destinés aux réponses des candidats ont été enlevés). Cette épreuve dure 45 minutes et compte coefficient 1. La note est sur 20 et 2 points sont réservés à l’orthographe et la présentation.
Le sujet est suivi d’une correction

SUR LE CHANTIER

Partie Chimie : (6,5 points)

Les quatre métaux les plus couramment utilisés sur un chantier, pendant la construction d’un bâtiment, sont le cuivre, le fer, le zinc, et l’aluminium.
Afin de mieux connaître ces métaux, un bureau d’étude dispose de quatre cylindres A, B, C et D de même volume (Figure 1).
Il dispose également d’un tableau de données donnant la masse des cylindres et la température de fusion des métaux qui les constituent (Figure 2).

1. Les quatre cylindres (A, B, C, D) ont été mélangés.

1.1. Indiquer la nature du métal dont est constitué le cylindre C. Expliquer la réponse.

1.2. On approche un aimant de chacun des cylindres. Seul le cylindre D est attiré par l’aimant. Indiquer la nature du métal dont est constitué le cylindre D.

1.3. Sachant que la masse du cylindre B est plus petite que celle du cylindre A, et en utilisant les données de la figure 2, compléter le tableau suivant.

2. On étudie l’action d’un décapant acide, utilisé sur un chantier, sur un morceau de fer.

3. On plonge un clou en fer dans un tube à essais contenant du décapant. On observe un dégagement gazeux. On présente alors une flamme à l’entrée du tube et une détonation se produit.

3.1. Donner le nom et la formule chimique du gaz mis en évidence.

3.2. Légender le schéma ci-dessous :

Partie Électricité : (6,5 points)

Sur un chantier, la grue gère le va-et-vient des matériaux de construction. Elle est équipée d’un système d’éclairage afin que le chantier puisse fonctionner de nuit. Celui-ci possède la fiche signalétique suivante :

1. Donner la valeur de la tension nominale de ce projecteur.

2. Indiquer si ce projecteur fonctionne sous une tension continue ou alternative. Expliquer la réponse.

3. Donner la valeur de la fréquence de la tension qui alimente ce projecteur.

4. Indiquer la relation qui permet de calculer la fréquence f en fonction de la période T en précisant les unités de chaque grandeur.

5. Vérifier que la période de la tension d’alimentation vaut 20 ms.

6. Rechercher, sur la fiche signalétique, la valeur de la puissance nominale de ce projecteur.

7. Parmi les relations ci-dessous, entourer celle qui permet de calculer l’énergie électrique E consommée par le projecteur en fonction de sa puissance P et de la durée t de fonctionnement.

8. Afin de vérifier l’état du projecteur, on le fait fonctionner pendant 5 secondes. Calculer l’énergie consommée par le projecteur en précisant le nom de l’unité du résultat.

9. Citer un dispositif de protection des installations électriques en cas de surintensité.

Partie Mécanique : (5 points)

Un objet de masse m = 500 kg est suspendu à la grue comme représenté sur la figure ci-dessous :

1. La Terre exerce, sur cet objet, une action à distance appelée le poids de l’objet. 1.1. Donner le nom de l’appareil qui permet de mesurer le poids d’un objet

1.2. Écrire la relation qui permet de calculer le poids P d’un objet à partir de sa masse m et de l’intensité de la pesanteur g en précisant les unités de chaque grandeur.

1.3. Calculer le poids de l’objet suspendu à la grue. On prend g ~ 10 N/kg.

2. L’objet suspendu se décroche brusquement et tombe.

2.1. Préciser comment varie l’énergie de position de l’objet lors de la chute. Expliquer la réponse.

2.2. Préciser comment varie l’énergie cinétique de l’objet pendant la chute. Expliquer la réponse.

2.3. On donne la relation permettant de calculer l’énergie cinétique EC d’un mobile connaissant sa masse m et sa vitesse v :

Calculer l’énergie cinétique de l’objet lorsqu’il arrive au sol sachant que sa vitesse, au moment de l’impact, vaut 15 m/s.

CORRECTION

Partie Chimie

1.1. Le cylindre C est constitué de cuivre car seul ce métal possède une couleur orange.

1.2. Le cylindre D est constitué de fer car seul ce dernier peut être attiré par un aimant.

1.3. L’aluminium étant moins dense que le zinc alors si le cylindre B est plus léger que le cylindre A on peut en déduire que le cylindre B est constitué d’aluminium tandis que le cylindre A est constitué de zinc.

2.1 L’appareil qui permet de mesurer le pH d’une solution est le pH-mètre

2.2 La solution décapante a un pH de 2 car il est indiqué sur l’étiquette du produit que ce dernier est acide or toutes les solutions acides ont un pH inférieur à 7.

3.1. Le gaz mis en évidence est du dihydrogène de formule H2.

3.2

Partie électricité

1. La tension nominale est de 230 V ( elle repérée sur l’étiquette grâce à son unité qui est le Volt de symbole V )

2. Ce projecteur fonctionne avec une tension alternative. Le symbole en forme de vague est propre aux valeurs alternatives et il y a aussi l’indication d’une fréquence de fonctionnement.

3. La fréquence de fonctionnement est repérée grâce à son unité ( le hertz de symbole Hz ) et vaut 50 Hz

4. f = 1 : T où la fréquence f s’exprime en hertz et la période T en seconde.

5. Il suffit d’utiliser la formule f = 1:T
avec T = 20 ms
soit T = 0,02 s
1 : 0,02 = 50
donc une fréquence de 50 Hz correspond bien à une période de 20 ms

6. La puissance est s’exprime en watt de symbole W, elle vaut donc 2000 W

7. La bonne relation est E = P x t

8. On utilise la formule précédente:
E = P x t
E = 2000 x 5
E = 10000 W

9. Pour protéger une installation électrique on peut utiliser un disjoncteur ou des fusibles.

Partie mécanique

Un objet de masse m = 500 kg est suspendu à la grue comme représenté sur la figure ci-dessous :

1.1. Le poids d’un objet peut être mesuré grâce à un dynamomètre

1.2. P = m x g où le poids P s’exprime en newton, la masse m en kilogramme et l’intensité de la pesanteur g en newton par kilogramme

1.3. P = m x g
P = 500 x 10
P = 5000 N.

2.1. L’énergie de position diminue car sont altitude diminue

2.2, L’énergie cinétique augmente car sa vitesse augmente au cours de la chute

2.3.Ec = 0,5 x m x v2
Ec = 0,5 x 500 x 152
Ec = 0,5 x 500 x 225
Ec = 56250 J