Préparateur en chimie et sciences physiques,autour de l'iode, concours ATRF Nantes 2022

Exercice VIII : Utilisation d’une lampe quartz-iode au laboratoire
A - La source quartz-iode
Dans une lampe quartz-iode, on porte à incandescence un filament de tungstène contenu dans une ampoule en quartz contenant du diiode gazeux à basse pression. L’intérêt de ces lampes est, qu’à haute température, le gaz présent dans l’ampoule régénère partiellement le filament ce qui augmente sa durée de vie.
1.1 Donner la relation entre la puissance électrique, l’intensité du courant électrique et la tension aux bornes d’un dipôle. On précisera les unités de ces trois grandeurs.
Puissance ( watt) = tension (volt) x intensité (ampère).
P=U I.
1.2 En déduire l’intensité du courant électrique nécessaire pour que la lampe fonctionne de manière optimale.
P = 75 W ; U = 12 V ; I = P / U = 75 /12 =6,25 A.
1.3 Dans les schémas ci-dessous, sélectionner l’alimentation à utiliser pour la source blanche présentée ci-dessus.

Un enseignant souhaite tracer le spectre de cette source pour la montrer à des élèves en classe.
1.4 La source étant puissante, il est nécessaire d’ajouter un filtre anticalorique : quel est son rôle ?
Il réfléchit les infrarouge et laisse passer le visible et le proche UV.
1.5 Proposer deux dispositifs, utilisés en lycée, qui permettent de montrer le spectre d’une lumière.
Spectroscope à prisme ou à réseau.
1.6 Dans les images ci-dessous, préciser celui qui correspond au spectre que l’on peut obtenir en prenant une source quartz-iode (considérée comme une source blanche à incandescence).

B - Utilisation d’une source quartz-iode
Pour une séance introductive sur les relations de conjugaison, un enseignant vous demande de lui préparer le matériel suivant : source blanche avec son alimentation, objet type « F », lentille de focale +5 dioptries, écran.
2.1 Calculer la distance focale de la lentille demandée.
1 / 5 = 0,20 m.
2.2 Dans une boite rangée au laboratoire, vous trouvez plusieurs lentilles sans aucune indication. Décrire un protocole permettant de déterminer rapidement les distances focales des lentilles utilisées.
Faire l'image nette sur la table du tube néon situé au plafond. La distance lentille -table donne la distance focale de la lentille convergente.
C - Autres sources utilisables en lycée.
3.1 Quelle est la particularité principale d’un laser ?
Lumière pratiquement monochromatique.
Il existe plusieurs types de laser couramment utilisés : He-Ne (émettant à 632,8 nm), diode laser (les plus courants émettent à 650 nm, rouge, et à 532 nm, vert).
3.2 Les laser sont classés selon leur dangerosité : quelles classes sont autorisées en lycée ?
Classe 1 et classe 2.
3.3 Vous devez mettre en place une manipulation au bureau comportant notamment un laser, des objets métalliques, des lentilles. Quelles précautions prenez-vous ?
Il ne faut pas diriger le faisceau laser en direction des yeux.
Exercice IX : Diode laser
Les diodes laser sont souvent utilisées pour les manipulations élèves notamment pour leur facilité d’utilisation et leur faible coût. Bien qu’on puisse les alimenter directement à l’aide de deux ou trois piles de 1,5 V montées en série, il est plus avantageux d’utiliser un montage avec régulateur de tension pour prolonger sa durée de vie dont l’objectif est d’obtenir en sortie une tension fixe même si la tension d’entrée varie.

Schématiser le montage en série de 3 piles.

1.2 Aurait-on pu inverser le sens de la diode dans le montage ? Justifier la réponse.
Non, si on inverse le sens de la diode, elle devient non passante.
1.3 Donner le nom du composant noté C1 ainsi que son unité.
Condensateur ; la capacité d'un condensateur s'exprime en farad.
1.4 Le composant RV1 est un potentiomètre dont on peut faire varier la résistance. Dans un laboratoire de lycée, citer un autre dispositif permettant de faire varier simplement la résistance.
Rhéostat.
1.5 Dans un catalogue fournisseurs, pour le composant R1, on trouve les indications suivantes : 10 Ω - 1/4 W. Donner la signification de ces indications.
résiqtance électrique :10 ohms
Puiisance maximale admissible 1 /4 watt.
On peut montrer qu’avec ce montage, l’intensité du courant électrique qui parcourt la diode est liée à la résistance totale R=R1+RV1 selon la relation I=1,25 / R.
1.6 Rappeler la loi d’Ohm en définissant les noms et les unités des grandeurs utilisées.
U = R I
U : tension en volt ; I intensité en ampère. R résistance en ohm.
1.7 Donner la plage de l’intensité électrique possible avec ce montage (qui correspond à une résistance du potentiomètre RV1=0 et RV1=47 Ω).
R1+RV1 varie de 10 à 57 ohms.
I varie de 1,25 /10 = 0,125 A=125 mA à 1,25 /57 =0,022 A= 22 mA.
1.8 La diode laser, dont on donne une partie des caractéristiques techniques en Annexe I, est-elle utilisable avec le montage proposé ? On justifiera la réponse.
L'intensité du courant traversant la diode doit être comprise entre 35 et 45 mA.
Cette diode n'est pas utilisable dans le montage proposé.

Exercice X : Les ultrasons dans le domaine médical
Les ultrasons sont omniprésents dans le milieu médical car ils permettent de sonder le corps humain et d’en obtenir une image : l’avantage, par rapport à la méthode étudiée à l’Exercice VII :, est qu’elle n’implique aucune radiation. Un professeur souhaite montrer à ses élèves le principe de ce dispositif.
A - Les ultrasons dans l’air L’émetteur est alimenté en 12V continu. Dans un premier temps, on le règle sur « continu ».
1.1 Indiquer sur le schéma ci-dessous les bornes de branchement à utiliser pour alimenter l’émetteur.

On branche la sortie de l’émetteur sur un oscilloscope : une copie de l’écran est donnée .
1.2 Préciser la signification de l’indication « 10,0 µs/ » situé en haut à gauche de l’écran ?
1 carreau (ou une division) horizontal correspond à 10 µs.
1.3 Donner la sensibilité verticale de la voie 1. 1 V /div

1.4 Déduire de la copie d’écran les informations suivantes :
Période du signal : T = 25 µs ; tension maximale 2,0 V.
La notice de l’émetteur indique que l’émetteur dispose d’un générateur à 40 kHz.
1.5 À quelle grandeur physique correspond le terme « 40 kHz » ? Fréquence = 40 kHz.
1.6 À partir de la question 1.4, vérifier que la valeur mesurée est compatible avec la notice.
T = 1 /f = 1 /(40 10³) =2,5 10^-5 s = 25 µs.
1.7 Dans la liste des noms ci-dessous, entourer ceux qui caractérisent le signal obtenu :
Alternatif Continu Périodique Sinusoïdal.

Dans un second temps, on règle l’émetteur sur « salves ». On place en face de l’émetteur un récepteur à une distance d : on visualise le signal sur la voie 2 de l’oscilloscope.
1.8 L’Annexe K présente la copie d’écran de l’oscilloscope pour une distance d = 48 cm. En justifiant votre réponse, vérifier que le temps mis par le signal pour aller de l’émetteur au récepteur vaut Δt = 1,4 ms.

1.9 Donner la relation liant la vitesse (v) des ultrasons, la distance (d) entre la source et le récepteur, et le temps (t) mis par le signal pour atteindre le récepteur.
d = v Dt.
1.10 En déduire la vitesse des ultrasons, en m.s^-1 , dans les conditions de l’expérience.
v = 0,48 / (1,4 10^-3)=343 m/s.
1.11 Proposer une amélioration du protocole pour obtenir cette vitesse avec une meilleur précision.
Eloigner l'émetteur du récepteur ( augmenter d).

La vitesse du son dépend de la température selon la relation v = (g RsT)^½⋅ où v est la vitesse des ultrasons (en m.s^-1 ), g le coefficient de Laplace (sans unité), Rs la constante spécifique des gaz parfaits (en USI, Unité du Système International) et T la température (en USI).
1.12 Quelle aurait été la vitesse de propagation des ultrasons si la manipulation précédente avait été effectuée à 40 °C ? Données : coefficient de Laplace : 1,4 ; Rs = 287,1 USI
v = (1,4 x 287,1 x(273+40))^½ =355 m/s.