TS Devoir surveillé 4 – durée : environ 2 h PHYSIQUE : association

TS
Devoir surveillé 4 – durée : environ 2 h
PHYSIQUE : association de condensateurs (40/70)
Il s’agit de déterminer la capacité équivalente C à l’association parallèle de 2 condensateurs de capacités respectives
C1 et C2.
1/ Rappeler la constitution d’un condensateur.
2/ Citer une application des condensateurs en précisant clairement le rôle du condensateur dans celle-ci.
A/ Détermination de C1
On relie le condensateur déchargé à un générateur de courant constant I0 et on mesure la tension uC à ses bornes
au cours du temps.
3/ Schématiser clairement le montage. Flécher le courant I0 et la tension uC. Placer le multimètre permettant la
mesure de uC en précisant ses bornes.
4/ Montrer que le graphique uC = f(t) est une droite passant par l’origine.
En réglant I0 = 40,0 µA, la tension uC atteint 21,8 V à t = 2,00 min.
5/ En déduire la capacité C1 du 1er condensateur.
B/ Détermination de C2
On décharge rapidement le 2ème condensateur puis on le relie à un générateur idéal de f.é.m. E = 10 V par
l’intermédiaire d’un résisteur de résistance R (mesurée à l’ohmmètre) en utilisant le montage de la figure 1.
6/ Que signifie le sigle f.é.m. ?
7/ Lorsque K est en 2, flécher le courant et les tensions aux bornes des différents dipôles en respectant les
conventions habituelles en électricité.
8/ Indiquer les branchements d’un oscilloscope bicourbe qui permettrait d’observer l’allure de la tension aux bornes
du condensateur et celle de l’intensité du courant dans le circuit lors de la charge.
9/ Etablir l’équation différentielle à laquelle obéit la tension uC aux bornes du condensateur.
Cette équation admet une solution de la forme uC = A(1-exp(-t/τ)).
du
10/ Déterminer l’expression de C puis établir les expressions de A et τ.
dt
On note t1 la date à laquelle la tension aux bornes du condensateur atteint U1 = 4,0 V.
11/ Exprimer τ en fonction de U1, t1 et E puis C2 en fonction de U1, t1, E et R.
12/ Calculer alors C2 sachant que pour R = 6,80 kΩ, on mesure t1 = 1,64 s.
13/ Que vaut la tension aux bornes du résisteur à t1 ? En déduire l’intensité dans le circuit à cette date.
C/ Capacité équivalente
On associe les 2 condensateurs en parallèle.
On relie l’association au générateur de la partie B/ puis on décharge l’association dans un résisteur de résistance R
selon la figure 2.
Sur la figure 3, on donne l’allure de la tension uC aux bornes de l’association lors de la décharge pour différentes
valeurs de R.
14/ Comment varie R de la courbe 1 à la courbe 4 ? Justifier.
15/ Déterminer la constante de temps du circuit pour la courbe 2 (R = 2,20 kΩ) en expliquant rapidement la
méthode employée et compléter le tableau de la figure 4.
16/ Tracer τ = f(R). En déduire la valeur de C, capacité équivalente à l’association de C1 et C2.
17/ Donner alors la loi reliant C1, C2 et C.
18/ Calculer l’énergie maximale emmagasinée par l’association dans cette expérience.
CHIMIE : dosons (30/70)
On étudie une solution (S) d’hypochlorite de sodium, de concentration cB inconnue.
L’ion hypochlorite s’écrit ClO-. C’est une base de Brönsted. Ke = 1,00.10-14 à θ = 25 °C.
On suit par pH-métrie le dosage d’un volume VB = 25,0 mL de la solution (S) par de l’acide chlorhydrique de
concentration cA = 1,00.10-2 mol.L-1. On obtient la courbe de la figure 5.
1/
2/
3/
4/
5/
6/
7/
8/
9/
10/
A partir de quel gaz obtient-on l’acide chlorhydrique ?
Donner la formule de la solution d’hypochlorite de sodium.
Définir une base de Brönsted.
Faire un schéma légendé du montage utilisé pour le dosage. Indiquer notamment le dosant et le dosé.
Ecrire l’équation bilan de la réaction de dosage (supposée totale).
A partir de la courbe de la figure 5, déterminer graphiquement les coordonnées du point équivalent.
En déduire la concentration cB de (S).
Déterminer le pKA du couple auquel appartient l’ion ClO- en expliquant la méthode utilisée.
Vérifier l’hypothèse d’une réaction totale en calculant la constante d’équilibre de la réaction de dosage.
Ecrire l’équation bilan de la réaction entre ClO- et l’eau.
11/ Ecrire la constante d’équilibre K de cette réaction, l’exprimer en fonction de la constante d’acidité du couple dans
lequel intervient ClO- puis en fonction de cB et de [HO-] uniquement.
Juste avant le début du dosage, le pH de la solution est pH = 9,6.
12/ En déduire la concentration en ions hydroxyde
13/ Utiliser la question 11/ pour calculer alors la constante K
14/ Exprimer K en fonction de KA et retrouver la valeur du pKA déterminé graphiquement en 8/
BONUS : Donner le nom de l’étoile la plus proche de la Terre après le Soleil. Comment s’appelle notre galaxie ?
Comment s’appelle le passage de l’état solide à l’état gazeux ? Donner les 4 interactions fondamentales. Donner la
formule de l’ozone.
Figure 1
Figure 2
Figure 3
R (kΩ)
τ (s)
1,00
0,70
4,70
3,20
Figure 4
Figure 5
2,20
6,80
4,73