BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE SESSION 2016sciences-physiques-et-chimiques-de- ?· A.2.1 Le submersible…

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    BACCALAURAT TECHNOLOGIQUE

    SESSION 2016

    Srie STI2D Toutes spcialits

    Srie STL Spcialit sciences physiques et chimiques en laboratoire

    PHYSIQUE CHIMIE

    DURE : 3 HEURES

    COEFFICIENT : 4

    CALCULATRICE AUTORISE

    Lemploi de toutes les calculatrices programmables, alphanumriques ou cran graphique est autoris condition que leur fonctionnement soit autonome et quelles ne soient pas connectables un rseau.

    Ce sujet comporte 15 pages numrotes de la page 1/15 la page 15/15.

    Avant de composer, assurez-vous que lexemplaire qui vous a t remis est bien complet.

    Les pages 14/15 et 15/15 o figurent les documents rponses sont numroter et rendre avec la copie mme non compltes.

    Lors des applications numriques, les rsultats seront donns avec un nombre de chiffres significatifs cohrent avec ceux de lnonc et une attention particulire sera porte aux units utilises.

    La clart des raisonnements et la qualit de la rdaction interviendront dans lapprciation des copies.

    Les parties du sujet sont indpendantes et peuvent tre traites sparment dans lordre choisi par le candidat.

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    PRSENTATION DU SUBMERSIBLE LE NAUTILE

    Les documents du sujet sont issus des sites suivants :

    http://wwz.ifremer.fr/grands_fonds/Les-moyens/Les-engins

    https://fr.wikipedia.org/wiki/Nautile_(sous-marin_de_poche)

    Le Nautile est un sous-marin habit, conu par l'Ifremer, pour lobservation et lintervention jusqu 6 000 mtres de profondeur. Il rend accessible 97 % de la superficie des fonds marins.

    Caractristiques techniques :

    Profondeur d'intervention : 6 000 m

    Masse (pour une plonge 6 000 m) : 19 500 kg

    quipage : 3 personnes

    Rglage d'assiette par transfert de mercure : 10 Propulsion principale : 1 propulseur axial orientable

    Autonomie (travail sur le fond) 6 000 m : 5 h

    Tlmanipulation :

    1 bras de prhension 4 degrs de libert (+ ouverture et fermeture de la pince) 1 bras de manipulation 6 degrs de libert (+ ouverture et fermeture de la pince)

    PARTIE A PLONGE ET EXPLORATION

    PARTIE B STOCKAGE DE LNERGIE

    PARTIE C PROTECTION DES BIENS ET DES PERSONNES

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    PARTIE A PLONGE ET EXPLORATION

    Cette partie fait appel aux documents D1 D8 pages 10 et 11.

    A.1 L'habitacle qui accueille lquipage est une sphre. Un panneau cylindrique de 45 centimtres de diamtre permet dy accder, par lintermdiaire dun sas. Sachant que plus de 97 % de la surface des ocans est moins de 6 000 mtres de profondeur, les concepteurs retiennent cette rfrence. Par scurit toutefois, la sphre a t conue pour rsister une pression relative pouvant aller jusqu Pmax = 900 bar.

    A.1.1 Le manomtre extrieur du Nautile indique une pression absolue P0 = 1,00 bar avant limmersion. Lors de la plonge, le manomtre indique une pression absolue P1 = 600 bar. Quelles auraient t les indications du manomtre sil avait mesur les pressions relatives ? Justifier votre rponse.

    A.1.2 laide des documents page 10 et en appliquant le principe fondamental de lhydrostatique (loi de la statique des fluides), indiquer si le Nautile se trouve sous le seuil des 6,00 km lors de la mesure P1 = 600 bar.

    A.1.3 Une pression est le quotient dune force par une surface. Calculer la force pressante, Fmax, en mganewton (MN), qui sapplique sur le sas de la sphre la pression maximale.

    A.1.4 Calculer la masse, mmax, en tonne (t), appliquer sur le sas si un test de scurit devait tre fait lair libre.

    A.2 Le Nautile se stabilise une profondeur constante lors de la plonge. Le poids, , du

    submersible est compens par la pousse dArchimde :

    + =

    Le Nautile navigue vitesse constante v = 2,00 nud. La force motrice, , a une intensit F = 300 daN.

    A.2.1 Le submersible est soumis une force de frottements, , de la part de leau de mer. Lintensit f est-elle gale, infrieure ou suprieure lintensit F ?

    Tracer le vecteur, , sur le document rponse DR1 page 14.

    A.2.2 La sphre offre, pour une pression donne, le meilleur rapport masse/volume disponible, suivie de l'ellipsode, puis du cylindre. Mais le choix ne repose pas que sur cet unique critre. En matire d'hydrodynamisme, l'ordre est diffrent : ellipsode, cylindre, sphre. [] Le choix s'est finalement port sur une sphre [], elle-mme enchsse dans une coque ellipsodale. [] Cette coque extrieure bien profile aide donner notre sous-marin un faible coefficient de trane (Cx) suivant l'axe horizontal []. (source : http://wwz.ifremer.fr)

    laide des documents page 10, pour une surface frontale valant S = 14 m, calculer le coefficient de traine, CX, du Nautile si f = 300 daN.

    Le choix dune forme profile, lors de la conception du Nautile, a-t-il permis damliorer le coefficient de trane ?

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    A.2.3 Le pilote arrte le moteur. On rappelle le principe fondamental de la dynamique :

    + + + = .

    Choisir et recopier sur votre copie la proposition correspondante cette situation :

    Proposition 1 : F diminue f augmente v diminue. Proposition 2 : F augmente f augmente v diminue. Proposition 3 : F est nulle f augmente v diminue. Proposition 4 : F est nulle f diminue v diminue.

    A.3 Le Nautile est larrt pour rcolter un chantillon de roche laide de son bras tlmanipulateur. En extension maximale, le bras peut encore exercer une force F1 = 80,0 daN.

    Le mouvement du bras et la prise dobjet peuvent dclencher une rotation du submersible qui risque de le dstabiliser.

    Il est intressant de disposer d'un moyen simple pour faire varier l'assiette de plus ou moins dix degrs. [] Sur le Nautile, la solution retenue repose sur un circuit [] de mercure, qui sous pression d'huile peut tre dplac rapidement de l'extrme avant l'extrme arrire. Source : http://wwz.ifremer.fr Voir les documents D7 et D8 page 11

    A.3.1 Placer sur le document rponse DR2 page 14 la distance, d1, correspondant au

    bras de levier de la force lorsque le Nautile prlve un chantillon de roche.

    A.3.2 Calculer le moment de force cr par la force, F1, exerce par lchantillon

    rcolt sachant que = et que le bras de levier, d1, vaut 4,00 m.

    A.3.3 Il va falloir compenser le moment de force par un autre moment de force

    pour garder la mme assiette. Le mouvement du mercure assure cette stabilit en

    jouant sur les moments de force qui agissent sur le sous-marin : = .

    Calculer alors le volume, V2, du mercure ncessaire pour garder lassiette nulle,

    sachant que le bras de levier correspondant vaut d2 = 3,00 m. Donner le rsultat final en litres (L).

    A.3.4 laide du document D8 page 11, indiquer linconvnient davoir du mercure bord du Nautile.

    A.3.5 En terrain accident ou pour certaines observations, il est intressant de disposer d'un moyen simple pour faire varier l'assiette de plus ou moins dix degrs. [Une autre option] serait [] de dplacer la batterie principale par vrin vis. (source : http://wwz.ifremer.fr)

    Argumenter, en vous aidant du document D8 page 11, le choix dun circuit de mercure bord du Nautile.

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    PARTIE B STOCKAGE DE LNERGIE

    Cette partie fait appel aux documents D9 D10 page 12.

    B.1 La batterie principale du sous-marin alimente le moteur de propulsion principal, les moteurs verticaux, latraux et les auxiliaires de puissance tels que les stations d'huile et les projecteurs.

    La batterie auxiliaire alimente les quipements et les instruments.

    Enfin, une batterie de secours, situe l'intrieur de la sphre, alimente le tlphone sous-marin et les systmes de scurit.

    Donnes :

    La batterie principale (U1 = 220 V) possde une nergie E1 = 40,0 kW.h. La batterie auxiliaire (U2 = 28 V) possde une nergie E2 = 6,50 kW.h.

    B.1.1 En vous appuyant sur une analyse dimensionnelle, calculer la capacit, Q1, de la batterie principale, en A.h.

    B.1.2 Aprs chaque plonge la batterie principale est recharge avec un courant dintensit I1 = 15,0 A. Calculer la dure de charge t ncessaire avant la prparation de la prochaine mission, en supposant que Q1 = 180 A.h.

    B.1.3 Afin dalimenter la sphre habite, le submersible est galement quip donduleurs (entre : 220 V DC / sortie : 115 V AC ; 60 Hz). Quelle est la fonction dun onduleur ?

    B.1.4 Lautonomie (travail sur le fond 6 000 m) du Nautile est de cinq heures. Supposons que le Nautile reste sa vitesse maximale vmax = 2,00 nud avec une force horizontale de propulsion F = 300 daN.

    Calculer la puissance mcanique + = , fournie par le Nautile lors de cette croisire.

    Calculer lnergie mcanique, Emca (en W.h), dpense.

    B.1.5 Calculer alors le pourcentage dnergie restant dans la batterie principale pour la remonte en surface et assurer la scurit de lquipage.

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    B.2 Le Nautile est quip de batteries en technologie plomb oxyde de plomb :

    Les demi-quations aux lectrodes dune batterie au plomb sont :

    lanode : . = . / + 01.

    la cathode : .2 + 01 + 34/ = . / + 4 2.

    B.2.1 Complter le schma du document rponse DR3 page 15 avec les trois termes suivants :

    Oxyde de plomb (PbO2) Plomb (Pb) Sens des lectrons e- .

    B.2.2 Recopier sur votre copie la (les) bonne(s) affirmation(s) :

    La raction la cathode consomme des ions H+. La raction la cathode produit des ions H+. La raction la cathode va abaisser le pH lintrieur de la batterie. La raction la cathode va augmenter le pH lintrieur de la batterie.

    B.3 D'autres types de batteries combinent d'autres couples que celui plomb oxyde de plomb. Les plus usuelles utilisent les couples oxy