PHYSIQUE-CHIMIE
Mouvements et interactions
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Nouvelle-Calédonie • Décembre 2018
physique-chimie • 25 points
La sécurité routière
La clarté et la qualité de la rédaction scientifique seront prises en compte dans la notation. Toutes les initiatives, même non abouties, seront valorisées lors de la correction.
Au 31 décembre 2017, le bilan annuel définitif est de 42 accidents mortels. 55 personnes ont trouvé la mort sur les routes de Nouvelle-Calédonie. Bien souvent une vitesse excessive et une conduite sous l’emprise de l’alcool (et/ou du cannabis) sont responsables de la majorité des accidents.
Le sujet porte sur l’analyse du mouvement d’une voiture, des énergies mises en jeu et de la combustion dans le moteur.
1. Étude du mouvement d’une voiture
La chronophotographie est une technique photographique qui consiste à prendre une succession de photographies, puis à les superposer, afin de bien observer les différentes phases du mouvement d’un objet. On s’intéresse ici au cas d’une voiture.
document 1 Chronophotographie du mouvement de la voiture
L’intervalle de temps entre deux images de la voiture est égal à 0,25 s.
document 2
d : distance parcourue en mètres (m) ;
t : durée du parcours en secondes (s) ;
v : vitesse exprimée en mètres par seconde (m/s).
▶ 1. Cocher la proposition qui caractérise la nature du mouvement de la voiture dans la phase 1 (voir document 1) :
☐ uniforme
☐ accéléré
☐ ralenti
▶ 2. Indiquer comment évolue la vitesse de la voiture lors de la phase 2 (voir document 1). Justifier votre réponse.
▶ 3. Montrer, par un calcul, que la valeur de la vitesse de la voiture lors de la phase 1 est égale à 20 m/s.
2. Étude des énergies
Tout objet en mouvement possède une énergie qui dépend de sa vitesse (l’énergie cinétique) et une énergie qui dépend de sa hauteur (l’énergie potentielle). L’énergie cinétique est à l’origine des déformations lors d’un choc entre deux voitures. Plus l’énergie cinétique est élevée, plus le choc sera violent.
document 3 Carte grise de la voiture
document 4 Relation permettant de calculer l’énergie cinétique
Ec : énergie cinétique (en J) ;
m : masse (en kg) ;
v : vitesse (en m/s).
document 5 Graphique représentant la hauteur de chute d’un objet de masse 2 300 kilogrammes en fonction de son énergie cinétique acquise au moment du contact
▶ 4. Montrer que l’énergie cinétique de la voiture vaut 460 000 J, sachant qu’elle roule à 72 km/h (soit 20 m/s) et que la masse du véhicule est égale à la masse totale autorisée inscrite sur la carte grise.
▶ 5. Pour bien comprendre la violence d’un choc lors d’un accident, on peut le comparer à celui d’une voiture chutant de plusieurs étages. Déterminer, à l’aide du graphique du document 5, de quelle hauteur doit chuter la voiture afin d’avoir un choc identique à celui de cette voiture percutant un obstacle à 72 km/h.
3. Étude de la combustion dans le moteur
Le carburant utilisé est principalement composé d’heptane dont la formule chimique est C7H16. L’équation modélisant la combustion de l’heptane en présence de dioxygène est :
C7H16 + 11 O2 → 7 CO2 + 8 H2O
La combustion de l’heptane contribue à l’augmentation de l’effet de serre qui est un phénomène naturel d’autorégulation de la température à la surface de la Terre.
document 6 Répartition de la contribution à l’effet de serre des différents gaz présents dans l’atmosphère
▶ 6. Donner les noms des quatre molécules présentes dans l’équation modélisant la combustion de l’heptane.
▶ 7. Expliquer en quoi le fonctionnement d’une voiture contribue à l’augmentation de l’effet de serre.
Les clés du sujet
Comprendre les documents
Le document 1 est une chronophotographie : des images ont été prises toutes les 0,25 s. Ce document permet de décomposer le mouvement du véhicule.
Le document 2 et le document 4 rappellent les formules données en classe. Les unités sont précisées, ce qui aide à convertir en cas de besoin.
Le document 3 présente une carte grise, comme une carte d’identité de la voiture. Attention ce document donne beaucoup d’informations qui ne sont pas toutes utiles pour cet exercice.
Le document 5 est un graphique simple. Il permet de repérer les hauteurs de chute en fonction des énergies cinétiques acquises par l’objet qui tombe.
Le document 6 est un diagramme qui nous rappelle les noms des gaz qui contribuent le plus à l’effet de serre.
Répondre aux questions
▶ 2. Utilise la chronophotographie et ses propriétés.
▶ 5. L’énergie est donnée, il s’agit de lire le graphique.
▶ 6. Relis les informations données dans le diagramme à l’équation-bilan de la combustion de l’heptane pour répondre à cette question.
Corrigé
1. Étude du mouvement d’une voiture
remarque
Les points sont alignés et équidistants.
▶ 1. Le mouvement de la voiture est uniforme.
▶ 2. On constate sur la chronophotographie que la distance entre les points diminue de plus en plus pendant les intervalles du temps identiques. On conclut alors que la vitesse diminue lors de la phase 2 du mouvement.
▶ 3. La distance parcourue lors de la phase 1 est d = 15 m et la durée du parcours est :
attention !
Il y a 3 intervalles de temps entre 4 photos d’une chronophotographie.
t = 3 × 0,25 = 0,75 s.
La vitesse est donnée par :
= 20 m/s.
2. Étude des énergies
▶ 4. La masse totale de la voiture est donnée dans sa carte grise : m = 2 300 kg et sa vitesse est v = 20 m/s. L’énergie cinétique de la voiture est donnée par :
= × m × v2 = × 2 300 × (20)2 = 460 000 J.
▶ 5. On cherche sur le graphique la hauteur H correspondant à Ec = 460 000 J. On peut voir que :
H = 21 m.
Une voiture qui percute un obstacle à 72 km/h reçoit donc un choc identique à celui de la même voiture qui tombe de 21 m de hauteur.
3. Étude de la combustion dans le moteur
▶ 6. Les molécules présentes dans la combustion de l’heptane sont : l’heptane, le dioxygène, l’eau et le dioxyde de carbone.
▶ 7. Lorsqu’une voiture fonctionne, elle consomme du carburant de type heptane. La consommation des hydrocarbures de ce type libère du dioxyde de carbone et de la vapeur d’eau, espèces chimiques contribuant à 26 % pour la première et à 60 % pour la seconde à l’effet de serre. Cet effet augmente donc avec l’utilisation des voitures.
