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Asie • Juin 2017
physique-chimie • 25 points
Sécurité dans l’habitat
Pour prévenir les intoxications domestiques, l’État encourage l’installation de détecteurs dans les habitations.
1. détection de fumée
Les détecteurs de fumée à principe optique (document 1) sont très utilisés. Un signal d’alarme s’enclenche lorsque la photodiode présente dans la chambre optique reçoit de la lumière. Une photodiode est un composant électrique ayant la capacité de détecter une lumière et de la convertir en courant électrique.
document 1 Schéma en coupe et principe de fonctionnement d’un détecteur de fumée à principe optique
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En l’absence de fumée |
En présence de fumée |
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1. Chambre optique 2. Photodiode 3. Diode électroluminescente (LED) |
4. Cache opaque 5. Rayon de lumière 6. Particules de fumée |
▶ 1. Nommer la source primaire de lumière contenue dans un détecteur de fumée optique.
▶ 2. Expliquer pourquoi la photodiode détecte de la lumière en présence de fumée.
2. détection de monoxyde de carbone
Les chaudières à gaz des habitations fonctionnent grâce à la combustion du gaz de ville, composé essentiellement de méthane de formule chimique CH4. Au cours de leur fonctionnement, ces chaudières peuvent s’encrasser. Cela provoque une combustion incomplète du méthane. Des fumées et des gaz nocifs sont alors produits, notamment le monoxyde de carbone. Ce gaz transparent, inodore et toxique est responsable chaque année d’une centaine de décès en France.
▶ 1. Parmi les propositions suivantes, entourer celle qui modélise la transformation chimique à l’origine de la formation de monoxyde de carbone dans une chaudière à gaz :
Proposition 1 : CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
Proposition 2 : 2 C + O2 → 2 CO
Proposition 3 : 2 CH4 + 3 O2 → 4 H2O + 2 CO
▶ 2. Pour prévenir le risque d’intoxication au monoxyde de carbone, on peut utiliser un détecteur spécifique. Il comporte un disque recouvert d’un gel. En présence de monoxyde de carbone, le gel s’assombrit et limite alors le passage de la lumière. L’alarme s’enclenche du fait de la diminution de l’éclairement.
On souhaite modéliser le fonctionnement d’un tel détecteur, en réalisant un dispositif expérimental. Trois montages expérimentaux différents sont proposés :
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Montage no 1 |
Montage no 2 |
Montage no 3 |
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L’alarme s’active lorsque le « circuit de contrôle » C détecte une diminution importante de l’intensité électrique dans le circuit.
Choisir parmi les trois montages expérimentaux celui qui correspond le mieux au fonctionnement d’un détecteur à monoxyde de carbone à disque.
Argumenter la réponse en exploitant les documents 2, 3 et 4.
document 2 Symbole des composants
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Lampe |
Photodiode |
Thermistance |
Photorésistance |
Disque recouvert de gel |
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document 3 Évolution de la résistance de la thermistance en fonction de la température
document 4 Évolution de la résistance d’une photorésistance en fonction de l’éclairement
Les clés du sujet
Comprendre les documents
Le document 1 permet d’expliquer le fonctionnement d’un détecteur de fumée par l’intermédiaire de deux schémas. Il faut bien l’étudier.
Le document 2 présente les symboles de quelques composants électroniques vus en classe.
Le document 3 permet de comprendre le fonctionnement de la thermistance et le document 4 celui de la photorésistance, grâce aux graphiques.
Attention ! Les introductions des questions contiennent beaucoup d’informations qu’il faut utiliser en plus des documents.
Répondre aux questions
Partie 1
▶ 2. Utilise les deux schémas du document 1 et soigne la rédaction.
Partie 2
▶ 1. Fais attention à la formulation de la question.
▶ 4. Relie les informations des documents 2, 3 et 4 et regarde les montages proposés. On te demande d’argumenter ta réponse : explique comment fonctionne le montage choisi.
Corrigé
1. Détection de fumée
▶ 1. La source primaire de lumière dans le détecteur de fumée est la LED.
▶ 2. D’après les schémas du document 1, lorsqu’il n’y a pas de fumée, la lumière émise par la LED se propage en ligne droite et, à cause du cache opaque, elle n’atteint pas la photodiode. Or en présence de la fumée, les particules dévient la lumière de la LED vers la photodiode qui la détecte et la convertit en courant électrique pour déclencher l’alarme.
2. Détection de monoxyde de carbone
info +
Utilise l’introduction du document 1 pour donner une réponse complète.
▶ 1. La transformation chimique à l’origine de la formation de CO à partir de la combustion de CH4 est la proposition 3 :
2 CH4 + 3 O2 → 4 H2O + 2 CO.
conseil
Souligne dans l’énoncé de la question tout ce qui est important : avant et après les montages.
▶ 2. C’est le montage 3 qui correspond le mieux au fonctionnement du détecteur de CO. En effet le processus s’effectue en quatre étapes :
lorsque le monoxyde de carbone apparaît, il assombrit le gel du disque placé devant la lampe ;
la luminosité diminue ;
d’après le graphique du document 4, lorsque l’éclairement diminue, la résistance de la photorésistance augmente ;
d’après la loi d’Ohm (U = R × I), si R augmente, l’intensité I du courant diminue dans le circuit de contrôle C et l’alarme s’active.