Nathan Physique Chim I e 2 ND [PDF]

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 1. Extraction et séparation d’espèces chimiques.

Chapitre 1 Extraction et séparation d’espèces chimiques Manuel pages 12 à 27

Choix pédagogiques. Les activités de ce chapitre ont pour objectif d’illustrer les points suivants du programme: - comprendre le rôle de la chimie de synthèse (activité 1) ; - élaborer et mettre en œuvre un protocole d’extraction à partir d’informations sur les propriétés physiques des espèces chimiques recherchées (activité 2) ; - utiliser une ampoule à décanter (activité 3), un dispositif de filtration, un appareil de chauffage dans les conditions de sécurité (activité 4). Toutes les caractéristiques physiques du programme ne sont pas introduites dans ce chapitre : seules la solubilité, la masse volumique et la densité sont présentées. Les autres (chromatographie sur couche mince, températures de changement d’état) seront abordées dans le chapitre suivant.

Double page d’ouverture

Thermomètre de Galilée Cette photo permet d’observer que les capsules montent ou descendent en fonction des variations de température (la coloration est purement esthétique). L’objectif de la question est d’introduire le terme de densité caractéristique d’une espèce chimique, et de montrer que cette densité dépend de la température. Le liquide incolore contenu dans le cylindre a une densité qui varie considérablement avec les changements de température. Une fois les ampoules scellées, leur densité est ajustée avec une plaque en métal indiquant la température. La température est à lire sur la capsule inférieure du groupe de capsules situées en haut du thermomètre. À ce stade, les élèves n’ont pas de notion sur la poussée d’Archimède, mais cette notion peut par exemple être abordée en évoquant la plus ou moins grande flottabilité des corps dans la mer ou dans les lacs non salés. Pavot L’objectif de cette photo est de faire discuter les élèves sur les vertus médicinales de certaines plantes. La question doit amener les élèves à dire que la plante n’est pas ingérée directement, mais que l’on effectue préalablement une extraction. Remarque : le pavot contient de la papavérine qui a une activité antispasmodique.

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Pharmacie traditionnelle en Iran La description de la photo doit permettre aux élèves d’évoquer la préparation des médicaments. Les préparations demandées par les clients sont réalisées en mélangeant plusieurs substances provenant des différents flacons. L’objectif de la question est de faire la différence entre un corps pur et un mélange et d’en donner une définition. Cette notion a déjà été vue au collège (en 5e). Pour aider les élèves, le professeur peut en plus leur fournir quelques notices de médicaments.

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Découvrir et réfléchir Activité documentaire 1 : La nature inspire les hommes Commentaire. Cette activité permet de prolonger la discussion engagée grâce à la troisième photographie de la page d’accueil. Elle invite aussi à une recherche documentaire. Réponses 1. Exploiter le document a.

Produit naturel  Lapis-lazuli  Reine-des-prés  Gousses de vanille  Cachalot

Espèce chimique II Lazurite III Acide salicylique IV Vanilline I Ambre

Produit fabriqué bb Parchemin cc Synthol aa Glace dd Parfum

b. Ces produits étaient prélevés dans la nature à des fins thérapeutiques (reine-des-prés), culinaires (gousses de vanille) ou esthétiques (cachalot, lapis-lazuli).

2. Interpréter a. La reine-des-prés était broyée et mélangée à un liquide (extraction). b. Le chimiste a isolé et identifié l’espèce chimique qui permettait de soulager le malade. Il l’a ensuite copiée et parfois améliorée (synthèse).

3. Conclure Chapitre 1. Extraction et séparation d’espèces chimiques © Nathan 2010

Les deux verbes qui résument cette activité sont extraire et synthétiser.

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 1. Extraction et séparation d’espèces chimiques. Activité expérimentale 2 : Caractéristique physique Commentaires. Pour des raisons de sécurité, les deux liquides mis à la disposition des élèves sont l’eau et l’éthanol. La verrerie disponible doit faire intervenir de faibles volumes.

Réponses 1. Formuler des hypothèses Les élèves devraient d’abord identifier l’eau car, d’après les données, les deux autres liquides manipulés pendant la séance ont une odeur caractéristique. Ensuite, seule la donnée de la masse volumique permet de différencier l’éthanol du dichlorométhane. Ils doivent proposer un protocole pour déterminer une masse volumique (ce qui nécessite de connaître la définition de la masse volumique). Il est important que l’élève rédige son protocole. Protocole - Mettre l’éprouvette graduée sur la balance et réaliser la tare. - Introduire dans l’éprouvette un volume V du liquide choisi. - Noter la masse m correspondante.

2. Expérimenter pour conclure

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a. Étapes de l’expérience à réaliser : - choisir la verrerie adéquate pour prélever un volume donné ; - utiliser une balance, réaliser une tare ; - faire un calcul avec le bon nombre de chiffres significatifs ; - identifier le liquide. b. Les élèves peuvent s’interroger sur le choix du volume initial et sur la précision de la mesure.

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 1. Extraction et séparation d’espèces chimiques. Activité expérimentale 3 : Extraction du diiode Commentaire. Selon le temps dont on dispose pour réaliser cette activité expérimentale, on peut réaliser ou non les deux premières manipulations : ajout d’eau dans deux tubes à essais, l’un contenant de l’éthanol, l’autre du cyclohexane.

Liste du matériel : tube à essais, pipettes, ampoule à décanter, bécher, éprouvette graduée. Liste des solutions : eau, éthanol, cyclohexane, solution de diiode. Réponses 1. Observer avant d’expérimenter Dans le premier tube à essais, on observe une phase, dans le second on observe deux phases.

2. Interpréter a. L’eau est miscible avec l’éthanol et n’est pas miscible avec le cyclohexane. b. Le liquide dont la densité est la plus grande constitue la phase inférieure : l’eau a une densité plus grande que le cyclohexane, elle est donc dans la partie inférieure du tube à essais. Pour confirmer ce résultat, on ajoute de l’eau et on regarde quelle phase augmente de volume.

3. Interpréter Avant agitation, la phase inférieure est orange, elle contient l’eau et le diiode (elle est qualifiée d’aqueuse). La phase supérieure est incolore, elle contient le cyclohexane (elle est qualifiée d’organique). (La position respective des deux phases a été vue à la question 2.). Après agitation, la phase inférieure est orange claire, voire incolore, elle contient de l’eau et un peu de diiode. La phase supérieure est rose, elle contient le cyclohexane et le diiode.

Un solvant extracteur ne doit pas être miscible avec le solvant initial, et l’espèce à extraire doit être plus soluble dans le solvant extracteur que dans le solvant initial.

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4. Conclure

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 1. Extraction et séparation d’espèces chimiques. Activité expérimentale 4 : Extraction d’un acide gras Donné es supplémentaires : la trimyristine est soluble à chaud dans l’acétone et insoluble à froid. L’identification de la trimyristine peut être faite dans un TP ultérieur ; la température de fusion est 56-57 °C.

Liste du matériel : élévateur, chauffe-ballon, ballon, réfrigérant à eau, balance, verre de montre, éprouvette graduée, système de filtration, système pour évaporer le solvant, cristallisoir. Liste des solides et solutions : noix de muscade, dichlorométhane, acétone. 1. Comprendre un protocole a. L’expérimentateur doit manipuler avec une blouse, des gants, des lunettes et sous la hotte. b. On chauffe pour favoriser et accélérer l’extraction. c. « Porter le mélange à reflux pendant 10 min. » d. La trimyristine est plus soluble dans le dichlorométhane que dans l’eau. e. « Filtrer la solution encore chaude dans un erlenmeyer. » f. Après évaporation du dichlorométhane, on obtient la trimyristine.

2. Conclure

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Le produit initial est solide. On utilise, pour extraire la trimyristine, un liquide, le dichlorométhane : c’est donc une extraction solide-liquide.

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Exercices Exercices d’application  5 minutes chrono ! 1. Mots manquants a. corps pur ; mélange b. naturelle ; synthétique c. masse volumique d. filtration e. ampoule à décanter 2. QCM a. Fabriquée par l’homme. b. Un mélange. m c. . V d. 1,0 × 104 kg. e. La densité n’a pas d’unité. f. Constitue la phase inférieure. g. Être moins soluble dans le solvant initial que dans le solvant extracteur.

Espèces chimiques, corps purs et mélanges (§1 du cours) 3. Un corps pur est constitué d’une espèce chimique. Corps purs : vitamine C ; dioxygène ; fer. Un mélange est constitué d’au moins deux espèces chimiques. Mélanges : eau minérale ; jus d’orange ; air ; acier. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------4. Corrigé dans le manuel. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------5. a. La crème est constituée de plusieurs espèces chimiques : c’est un mélange. b. Exemples d’espèces chimiques présentes dans la crème : eau ; alcool cétylique ; alcool stéarylique. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------Caractéristiques physiques d’une espèce chimique (§2 du cours) 6. On peut dissoudre au maximum 700 g de glucose dans un litre de solution. On peut dissoudre au maximum 700 × 2 = 1 400 g de glucose dans deux litres de solution. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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 Mobiliser ses connaissances

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 1. Extraction et séparation d’espèces chimiques. 7. Corrigé dans le manuel. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------!espèce 8. a. La densité d a pour expression : despèce = , d n’a pas d’unité, donc les deux masses !eau volumiques doivent avoir la même unité . La masse volumique de l’espèce sera donc exprimée en kg.L-1. b. dtol =

0,87 = 0,87 . 1,0

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------9. a. Si les deux liquides sont non miscibles, on observe deux phases. b. deau > dcyclohexane , donc la phase aqueuse est la phase inférieure. c. On ajoute un des liquides et on observe quelle est la phase dont le volume augmente. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

10. a. b. Le premier pictogramme indique que le produit est toxique : il faut le manipuler avec des gants et des lunettes, sous la hotte. Le deuxième pictogramme signale que le produit est inflammable : il doit être manipulé loin de toute source de chaleur. Enfin, le troisième pictogramme indique que le produit est dangereux pour l’environnement : il ne faut pas le jeter dans l’évier. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------11. On peut utiliser l’éther pour extraire l’acide benzoïque car cette espèce est plus soluble dans l’éther que dans l’eau. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------12. Corrigé dans le manuel. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------13. a. On agite l’ampoule à décanter pour extraire l’espèce chimique du solvant initial. b. On laisse reposer après agitation pour que les phases se séparent. c. On retire le bouchon pour éviter tout risque d’explosion de l’ampoule, et pour que le liquide puisse couler. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Utiliser ses compétences 14. a. Une espèce naturelle est issue de la nature. Exemple : l’acide salicylique. b. Une espèce synthétique est produite par l’homme. Exemples : l’acide salicylique ; l’acide acétylsalicylique. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------15. ρéthanol = 0,79 × 103 g · L-1 = 0,79 g · mL-1 = 0,79 g · cm-3. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------16. a. ρdichloro = ddichloro × ρeau = 1,33 × 1,0 = 1,33 kg · L-1. b. macide = ρacide × Vacide = 1,05 × 1 000 = 1,05 × 103 g = 1,05 kg. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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Extraction et séparation (§3 du cours)

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 1. Extraction et séparation d’espèces chimiques. 17.

19. a. Le diiode est plus soluble dans le cyclohexane que dans l’eau. C’est donc dans la phase organique que se trouve le diiode. b.

Exercices d’entraînement 20. a. Le benzaldéhyde est à la fois une espèce naturelle (extraite des noyaux de fruits comme l’abricot) et une espèce synthétique. b. Le benzaldéhyde peut être extrait grâce à l’éthanol, à l’acétone ou à l’éther car il est plus soluble dans ces solvants que dans l’eau. c. Il faut utiliser l’éther, seul solvant non miscible avec l’eau.

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 1. Extraction et séparation d’espèces chimiques. d.

d. Recueillir la phase organique inférieure. Faire évaporer le dichlorméthane. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------22. a. Le limonène est caractérisé par sa formule brute : c’est donc un corps pur. b. C’est une extraction solide-liquide. c. On utilise le cyclohexane comme solvant extracteur car le limonène est plus soluble dans le cyclohexane que dans l’autre solvant proposé. d. La macération. e. La filtration. f.

Chapitre 1. Extraction et séparation d’espèces chimiques © Nathan 2010

e. Éliminer la phase aqueuse. Recueillir la phase organique. Faire évaporer l’éther. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------21. a. On utilise le dichlorométhane pour extraire la caféine, car la caféine est plus soluble dans le dichlorométhane que dans l’eau. b. La densité du dichlorométhane est supérieure à celle de l’eau. c.

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 1. Extraction et séparation d’espèces chimiques. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------23. a. C’est une extraction liquide-liquide. b. L’agitation. c. On laisse reposer : le milieu décante. d. Lorsqu’on ajoute de l’acétone, le volume de la phase supérieure augmente, donc la phase organique constitue la phase supérieure : la densité de l’acétone est donc plus faible que celle de l’eau sucrée. e.

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f. Le sirop contient au moins deux colorants. g. Le colorant bleu est plus soluble dans l’acétone que dans l’eau sucrée. L’autre (les autres) colorant(s) est (sont) plus soluble(s) dans l’eau sucrée que dans l’acétone. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 2. Principe actif, formulation, identification.

Chapitre 2 Principe actif, formulation, identification Manuel pages 28 à 43

Choix pédagogiques. Ce chapitre s’inscrit dans le thème de la santé. Les élèves vont apprendre à lire une notice de médicament et à analyser la formulation (principe actif et excipients). Afin de compléter les techniques d’identification des espèces chimiques grâce à des paramètres physiques (chapitre précédent), la chromatographie sur couche mince est introduite ici. Les températures de changement de phase sont introduites comme des caractéristiques physiques permettant l’identification des espèces chimiques. Les deux premières activités reprennent des notions du programme sur les médicaments. En particulier, l’activité 2 permet de mettre en œuvre une démarche expérimentale pour montrer l’interaction d’une espèce avec le milieu dans lequel elle se trouve. L’activité 3 reprend les notions abordées dans le chapitre 1, en laissant plus d’autonomie aux élèves grâce à une démarche d’investigation. L’activité 4 permet aux élèves de découvrir la chromatographie sur couche mince.

Les experts : Manhattan Ces photos, extraites d’une série américaine connue des élèves, ont été choisies pour les interpeller. Dans cette série, les inspecteurs de la police scientifique résolvent des enquêtes grâce à des techniques très sophistiquées, mais utilisent parfois des méthodes d’analyse très simples, que les élèves peuvent eux-mêmes reproduire, comme ici la chromatographie sur couche mince. Enfermé contre sa volonté dans une pièce hautement sécurisée, l’inspecteur Danny Messer découvre des traces de nicotine et en conclut que le tueur est un fumeur. Inscription noire sur tissu blanc Cette expérience est très simple à réaliser à la maison. Il faut toutefois tester plusieurs encres noires. Ici, des stylos plume à encre noire non rechargeables ont été utilisés pour écrire sur le tissu. On a ensuite effectué une chromatographie sur tissu, en utilisant de l’alcool de pharmacie pour séparer les différents constituants de l’encre. L’observation des photos permet de dire que les feutres noirs sont différents car les couleurs obtenues après séparation sont différentes pour le mot « Sirius » et pour les deux lignes courbes tracées au-dessus et en dessous du mot.

Chapitre 2. Principe actif, formulation, identification © Nathan 2010

Double page d’ouverture

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 2. Principe actif, formulation, identification.

Chapitre 2. Principe actif, formulation, identification © Nathan 2010

Médicaments contre les douleurs et la fièvre Cette photo de rayonnages dans une pharmacie doit inciter les élèves à s’interroger sur les différents principes actifs disponibles pour traiter un symptôme et sur les différentes formulations des médicaments. Plusieurs réponses sont possibles. Un débat peut permettre de faire ressortir les notions de principe actif, de formulation, d’excipients, les problèmes d’incompatibilité de médicaments pour certains patients, les problèmes éventuels de l’automédication, l’intérêt de lire les notices de médicaments, …

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 2. Principe actif, formulation, identification.

Découvrir et réfléchir Activité documentaire 1 : Un symptôme, plusieurs médicaments Commentaire. Cette activité est faite pour sensibiliser les élèves à la lecture de notices de médicaments. On a choisi ici de centrer l’activité sur un cas particulier, celui de la grossesse.

2. Exercer son esprit critique a. Il faut signaler toute allergie, tout régime spécial au médecin avant prescription. Attention à l’automédication. Bien mettre en avant le fait qu’un médicament est une substance active. b. Certains médicaments peuvent être utilisés par une femme enceinte dans les mêmes conditions que toute autre personne, mais d’autres lui sont totalement interdits, comme le montrent les notices présentées dans l’activité. Ici, seul le paracétamol peut être utilisé par une femme enceinte. Une femme enceinte doit toujours consulter un médecin avant de prendre un médicament. 3. Conclure Il faut toujours lire la notice d’un médicament et signaler à son médecin, avant prescription, toute allergie et contre-indication éventuelles.

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Réponses 1. Observer les documents a. Les médicaments présentés ici sont tous les trois des antalgiques, c’est-à-dire des médicaments qui atténuent les douleurs et la fièvre. Ils sont différents car : - leur principe actif diffère. Aspégic® : dérivé d’aspirine ; paracétamol et Advil® : ibuprofène ; - le paracétamol Mylan est un générique, alors que les deux autres médicaments sont de marque ; - le dosage des médicaments n’est pas le même ; - la forme n’est pas la même (poudre à dissoudre pour l’Aspégic®, comprimés effervescents pour le paracétamol Mylan et comprimés non effervescents pour l’Advil®). b. Fournir deux notices de médicaments aux élèves et observer que l’on retrouve toujours les mêmes rubriques, en particulier : composition, posologie, mise en garde, etc. (Les notices sont sur le site compagnon.)

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 2. Principe actif, formulation, identification. Activité expérimentale 2 : Que deviennent les médicaments absorbés ? Commentaire. Cette activité permet de montrer qu’une même espèce chimique peut se comporter différemment selon le milieu dans lequel elle se trouve et selon sa mise en forme. Comme cette activité porte sur les médicaments, elle peut être le point de départ d’une discussion plus approfondie en lien avec la SVT sur les cibles que doivent atteindre les médicaments dans le corps et le parcours des molécules actives pour obtenir l’action thérapeutique désirée. Réponses 1. Observer

Solubles ? pH initial pH final Autres observations

Eau du robinet A B oui oui 6-7 6-7 5 8-9 Léger trouble

Solution acide Huile A B A oui oui non × 1-2 1-2 × 1-2 2 Dégagement Trouble ; gazeux reste du solide

B non × × Trouble ; reste du solide

Solubles ?

pH initial pH final Autres observations

Eau du robinet Solution acide Huile ® ® Aspégic Aspirine Aspégic Aspirine Aspégic® Aspirine pure pure pure oui partiellement Oui mais non non partiellement plus lente × × 6-7 6-7 1-2 1-2 × × 5 3-4 1-2 1-2 Reste du Trouble ; Reste du solide ; reste du solide ; solution solide solution transparente transparente

2. Exploiter les résultats a. Dans l’estomac, le pH est faible (environ 2). Le bicarbonate de sodium est soluble, alors que l’Aspégic® reste en partie sous forme solide.

Chapitre 2. Principe actif, formulation, identification © Nathan 2010

Remarque importante. Si la manipulation est faite non pas avec de l’Aspégic® mais avec de l’acide acétylsalicylique pur, les observations changent car l’Aspégic® est une formulation de l’ion acétylsalicylate. Si on réalise les manipulations avec le principe actif pur et une formulation, on peut discuter du rôle de la formulation sur la mise en solution des principes actifs. Par exemple, dans le tableau ci-dessous, on compare l’Aspégic® avec l’aspirine pure.

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 2. Principe actif, formulation, identification. b. L’aspirine pourra passer dans la circulation sanguine. En effet, elle pourra traverser la barrière lipoprotéinique des cellules de la paroi de l’estomac car elle est soluble dans l’huile, composé gras qui a des propriétés de solvant similaires à la barrière des cellules.

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3. Conclure a. Les deux médicaments se comportent différemment selon le milieu dans lequel ils se trouvent. Certaines espèces chimiques sont solubles dans l’eau (hydrosolubles) et d’autres sont solubles dans l’huile (liposolubles). Ces médicaments sont tous les deux solubles en solution aqueuse, mais pas dans l’huile. La substance active de l’Aspégic® est un dérivé hydrosoluble de l’aspirine. En revanche, l’aspirine est liposoluble. On peut discuter de la formulation des médicaments. Le bicarbonate de sodium fait augmenter le pH (c’est une base), alors que l’Aspégic® fait diminuer le pH (c’est un acide). b. La mise en solution du bicarbonate de sodium permet de faire remonter le pH de la solution. Or, lors d’un ulcère, le pH de l’estomac est très bas. L’absorption de bicarbonate de sodium va permettre d’augmenter le pH de l’estomac pour qu’il retrouve une valeur « normale ».

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 2. Principe actif, formulation, identification. Activité expérimentale 3 : Comment identifier différentes espèces ?

Réponses 1. Formuler des hypothèses a. Les élèves peuvent choisir de classer les échantillons à identifier de différentes façons : - selon leur aspect (composés colorés ou non ; 1re ligne du tableau) ; - selon leur état (solide ou liquide). Les élèves qui choisissent le deuxième classement ont analysé la dernière ligne du tableau. Ils doivent se poser des questions sur la définition de Tf (la température de fusion). Qu’est-ce que la fusion ? Ils peuvent aussi se dire que comme l’eau est liquide (préciser la température et la pression) et que l’on n’indique pas la température de fusion de l’eau, tous les composés pour lesquels on ne fournit pas de température de fusion sont des solutions. b. À ce stade, les élèves ont dû identifier l’éosine, solution colorée rouge, et le permanganate de potassium, solide violet. Il reste deux solides blancs de températures de fusion différentes et deux solutions incolores. Ils doivent alors se poser la question suivante : qu’est-ce qui différencie le sérum physiologique et l’alcool à 70° de l’eau et de l’éthanol ? Les élèves peuvent demander les étiquettes. Ils doivent arriver à la conclusion suivante : la densité des deux solutions (sérum physiologique et alcool à 70°) est différente. Il faut alors rédiger un protocole de mesure de densité pour différencier sérum physiologique et éthanol par pesée d’un volume identique de solution. c. Ensuite, il faut rédiger un protocole pour déterminer la température de fusion de l’aspirine et du bicarbonate de sodium. Deux protocoles sont possibles : - avec un banc Köfler (sans mesure d’étalonnage, juste de façon qualitative en montrant que la mesure peut être quantitative) ; - en essayant de faire fondre les solides (à placer dans de la verrerie en mesurant la température). Attention toutefois à ne pas mettre d’espèces chimiques directement sur la plaque chauffante de l’agitateur magnétique chauffant ou dans le chauffe-ballon. Ne pas essayer d’atteindre la température de fusion du bicarbonate de sodium. 2. Expérimenter pour conclure a. b. L’éosine et le permanganate de potassium ont été identifiés en observant les échantillons. Le sérum physiologique et l’alcool à 70° sont différenciés par la mesure de la densité de la solution, et l’aspirine et le bicarbonate en notant lequel des deux fond à la température la plus basse. c. La confrontation des résultats permet de mettre en commun les démarches de chaque groupe et de montrer que l’on peut arriver au même résultat en n’ayant pas forcément fait la même démarche (même classement initial, même mise en œuvre pour la température de fusion).

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Commentaires. Cette activité est présentée comme une démarche d’investigation. Elle permet aux élèves de consolider les connaissances et compétences acquises lors du chapitre précédent. L’élève doit analyser le tableau de données afin de proposer une démarche expérimentale pour répondre aux questions.

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 2. Principe actif, formulation, identification. Activité expérimentale 4 : Identification de principes actifs

Objectifs. Réaliser une chromatographie sur couche mince en suivant le protocole de la fiche méthode 9 page 332. Identifier un principe actif inconnu grâce à cette technique par comparaison avec des espèces chimiques pures. 1. Observer Pour chaque dépôt, on observe une seule tache après élution. 2. Exploiter A 1 0,8

B 1 0,9

C 1 0,8

3. Conclure a. Après révélation, on ne voit qu’une tache pour les solutions A et B. On peut donc penser que les composés de référence utilisés sont des espèces chimiques pures. b. En comparant les hauteurs des taches ou les rapports frontaux, on identifie le principe actif contenu dans le médicament Pabasun® : l’acide paraaminobenzoïque. c. D’après la notice, le médicament est un mélange. Citer deux excipients à lire sur la notice, par exemple : amidon de maïs anhydre et stéarate de magnésium. d. On n’observe pas les excipients sur le chromatogramme : soit ils n’ont pas été déposés sur la plaque de chromatographie, soit ils sont en trop faible quantité pour être détectés. Certains excipients ne sont pas solubles dans l’éthanol. En effet, la solution C obtenue est trouble : il reste du solide (des excipients) en suspension.

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Dépôt Nombre de taches Rf pour chaque tache

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 2. Principe actif, formulation, identification.

Exercices Exercices d’application  5 minutes chrono ! 1. Mots manquants a. active ; excipients b. excipients ; formulation c. générique ; principe actif d. séparer ; identifier e. fixe ; éluant f. d’ébullition 2. QCM a. Moins cher. b. Un principe actif. c. Séparer les espèces chimiques du mélange. d. Plus haute que le niveau de l’éluant dans la cuve. e. N’a pas d’unité. f. De l’état solide à l’état liquide.

 Mobiliser ses connaissances

3. Corrigé dans le manuel. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------4. En remplacement du princeps Augmentin®, le pharmacien peut proposer le médicament générique suivant : Amoxicilline-acide clavulanique Ratio®, car ce générique contient les mêmes principes actifs que le princeps prescrit. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------5. Pour trouver le principe actif d’un médicament, il faut lire la notice. La substance active de l’Advil® est l’ibuprofène, celle de l’Aspégic® est l’aspirine et celle de l’Efferalgan® est le paracétamol. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------6. Sur cette photo, on voit des gélules, des comprimés effervescents, des suppositoires, un sirop, un tube de pommade, un sachet effervescent et une ampoule. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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Médicament (§1 du cours)

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 2. Principe actif, formulation, identification. Identification d’espèces chimiques (§2 du cours) 7.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------8. Corrigé dans le manuel. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------9. Corrigé dans le manuel. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------10. a. La mesure de température de fusion est réalisée grâce à un banc Köfler. b. La température de fusion mesurée est proche de la température de fusion donnée dans l’énoncé. On peut considérer que l’on est dans l’erreur de mesure. Le but du TP est atteint : le composé extrait de la noix de muscade est bien la trimyristine. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

11. a. Le principe actif du collyre est le bromure de céthexonium. Les excipients sont le chlorure de sodium et l’eau. b. Le sigle q.s.p. signifie « quantité suffisante pour ». ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------12. a. Pour l’extrait de pépins de pamplemousse E, on obtient trois taches distinctes après révélation du chromatogramme. C’est donc un mélange. b. La naringine est une espèce chimique pure, pour laquelle on obtient une seule tache. Pour l’extrait de pépins, on observe une tache de même rapport frontal. L’extrait E contient donc de la naringine. c. Le rapport frontal Rf = d / dE est égal à 0,75. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------13. a. La température d'ébullition est la température de transition de l'état liquide à l'état gazeux. À 25 °C, le propane et le butane sont gazeux car leur température d'ébullition est plus petite que 25 °C. À –10 °C, le propane est gazeux car sa température d'ébullition est plus petite que –10 °C. À –10 °C, le butane est liquide car sa température d'ébullition est plus grande que –10 °C. b. Pour le camping, il faut utiliser un brûleur émettant un gaz inflammable. Par temps très froid, sa température doit être comprise entre –42 °C et 0 °C, il ne faut donc pas utiliser le butane car il est liquide à cette température.

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 Utiliser ses compétences

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 2. Principe actif, formulation, identification.

14. a. Ce médicament contient trois substances actives : le paracétamol, l’acide ascorbique (ou vitamine C) et le maléate de phéniramine. b. Un excipient à effet notoire est l’aspartame. Il y a certainement d’autres excipients nécessaires à la formulation. Il faut aller chercher les informations sur la notice à l’intérieur de la boîte. c. La formulation présentée ici est une poudre sous forme de granulés en sachet. d. Ce médicament est préconisé pour les rhumes, rhinites, rhinopharyngites et les états grippaux chez l’adulte. e. Les personnes qui ne tolèrent pas la phénylalanine (provenant de l’aspartame) ne doivent pas prendre ce médicament. De plus, ce médicament abaisse la vigilance : il est donc recommandé de ne pas conduire lorsque l’on prend ce médicament. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------15. a. Les deux médicaments sont des génériques. Le Paracétamol Ge® 500 mg contient comme substance active du paracétamol et l’ibuprofène Biogaran® 400 mg de l’ibuprofène. La masse indiquée correspond à la masse de principe actif présent dans un comprimé. b. Le premier sigle signifie que la prise de ce médicament abaisse la vigilance et peut entraîner une somnolence. Il est donc recommandé de ne pas conduire lorsque l’on prend ce médicament. Le deuxième sigle signifie que ce médicament ne peut être délivré que sur prescription médicale. c. Patricia ne peut donc pas prendre ce médicament sans l’avis de son médecin. d. Ce médicament n’aurait pas dû se trouver dans sa pharmacie car elle ne doit pas le prendre en automédication (voir c.). Les médicaments non utilisés doivent être rapportés à la pharmacie afin d’être correctement détruits. --------------------------------------------------------------------------------------------------------

Chapitre 2. Principe actif, formulation, identification © Nathan 2010

Exercices d’entraînement

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 2. Principe actif, formulation, identification.

b. L’échantillon B ne présente qu’une seule tache. Il est possible que ce soit une espèce chimique pure. L’échantillon A présente deux taches distinctes, c’est forcément un mélange. c. On peut calculer le rapport frontal Rf = d / dE pour chaque tache : - échantillon A, tache 1, Rf = 3,0 / 8,0 = 0,4 ; - échantillon A, tache 2, Rf = 4,0 / 8,0 = 0,5 ; - échantillon B, Rf = 5,0 / 8,0 = 0,6. Le menthol, dans les conditions de l’expérience, possède un rapport frontal égal à 0,5. Seul l’échantillon A peut contenir du menthol, car le rapport frontal de la tache 2 de cet échantillon est égal à 0,5. -------------------------------------------------------------------------------------------------------17. a Les échantillons B et C conduisent à une seule tache après révélation du chromatogramme. On peut penser que ce sont des espèces chimiques pures. La synthèse de l’acétate de linalyle à partir de linalol est donc satisfaisante. b. Dans l’huile essentielle de lavande (échantillon A), il y a au moins 4 espèces chimiques différentes, car on observe 4 taches distinctes sur le chromatogramme révélé. c. Le front de l’éluant est situé à dE = (3/2) × 4,9 = 7,3 cm de la ligne de dépôt. La tache pour le linalol est située à dB = (3/2) × 1,7 = 2,5 cm. La tache pour l’acétate de linalyle est située à dC = (3/2) × 3,3 = 4,9 cm. Le rapport frontal pour le linalol est Rf = dB / dE = 2,5 / 7,3 = 0,34. Le rapport frontal pour l’acétate de linalyle est Rf = dC / dE = 4,9 / 7,3 = 3 / 4,4 = 0,67. d. L’huile essentielle de lavande contient probablement le linalol et l’acétate de linalyle (comparaison de la hauteur des taches).

Chapitre 2. Principe actif, formulation, identification © Nathan 2010

16. a. On note C l’échantillon de menthol sur le schéma ci-dessous.

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques.

Chapitre 3 Synthèse d’espèces chimiques Manuel pages 44 à 57

Choix pédagogiques. Ce chapitre s’inscrit dans la continuité du programme de troisième. En effet, au collège, les élèves ont appris à suivre un protocole et à manipuler avec de la verrerie spécifique. La première activité porte sur les objectifs d’une synthèse chimique ; les deux autres activités présentent aux élèves les différentes techniques expérimentales (montage à reflux, filtration sous pression réduite).

Double page d’ouverture

Matériel de chimie du XVIII e siècle Cette gravure montre du matériel de chimie utilisé au XVIIIe siècle. Ce matériel a été utilisé pendant plusieurs siècles, puis amélioré par des générations de chimistes. Il est important de rappeler que les sciences se sont construites progressivement. La question posée invite à comparer cet ancien matériel, celui dont les chimistes disposent aujourd’hui et celui que les élèves manipulent au lycée. L’acide salicylique Cette dernière photographie a pour dessein de faire réfléchir les élèves sur le dernier objectif de la synthèse chimique : proposer de nouvelles espèces chimiques qui correspondent mieux à nos besoins.

Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques. © Nathan 2010

L’indigo et les jeans Cette première photographie et la question posée permettent de s’interroger sur la nécessité de synthétiser des espèces chimiques qui sont pourtant disponibles dans la nature. L’exemple des jeans n’est pas anodin, puisque presque tout le monde en porte. Le débat peut ainsi s’étendre sur la place de la chimie dans notre vie quotidienne (on peut par exemple lire le texte de M. Lattès, disponible à l’adresse http://www.societechimiquedefrance.fr/IMG/pdf/A_Lattes.pdf). Ce document permet également d’aborder l’histoire de la chimie, la synthèse de l’indigo ayant été réalisée pour la première fois par Baeyer en 1865, donc dans les toutes premières décennies de l’essor de la chimie organique.

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques.

Découvrir et réfléchir Activité documentaire 1 : La synthèse chimique au secours de la nature ! Commentaires. Réflexion sur les objectifs d’une synthèse chimique ; exemples de médicaments anticancéreux. Réponses 1. Comprendre le texte a. La demande en taxol était forte car cette espèce chimique permet de détruire les cellules cancéreuses. Cependant, pour extraire cette espèce de l’if du Pacifique, il fallait une grande quantité d’arbustes centenaires. Les chercheurs ont été conduits à travailler sur la synthèse du taxol pour obtenir une quantité de taxol qui ne soit pas limitée par la quantité d’ifs disponibles. b. D’après les documents 1 et 2, on peut dresser le tableau suivant. Origine Efficacité Impact sur l’environnement Coût

Docetaxel Teva® synthèse ++

Taxotère® synthèse ++

Taxol nature +

faible

faible

Faible

Même prix que le taxol

+++ 8,5 fois plus élevé que le générique

+ intermédiaire

3. Conclure La synthèse d’une espèce chimique répond à trois objectifs : - rendre le traitement plus efficace : les chimistes innovent en synthétisant des molécules proches des molécules naturelles et qui se révèlent plus efficaces ; - rendre le traitement plus abordable : l’extraction d’espèces chimiques naturelles est onéreuse ; la synthèse est plus économique ; - préserver l’environnement : devant la demande mondiale, l’extraction d’espèces chimiques naturelles serait une catastrophe écologique si ces espèces n’étaient pas synthétisées.

Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques. © Nathan 2010

2. Rechercher Les exemples sont nombreux. On peut citer l’acide salicylique, le camphre, le menthol, l’eucalyptol (d’origine végétale), les vaccins, l’insuline (d’origine animale).

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques. Activité expérimentale 2 : D’un parfum vers l’aspirine Commentaire : synthèse avec utilisation d’un montage à reflux et identification par C.C.M. L’accent est mis sur les mesures de sécurité. Liste du matériel et des solutions

Réponses 1. Observer a.

Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques. © Nathan 2010

Transformation Ballon monocol de 100 mL Chauffe-ballon ou cristallisoir et agitateur magnétique chauffant Grains de pierre ponce ou turbulent (barreau aimanté) Réfrigérant à eau Support élévateur Pinces et potence Éprouvette de 25 mL Pipette graduée de 10 mL munie d’une poire à pipeter Salicylate de méthyle (2,0 mL par binôme) Solution d’hydroxyde de sodium à 6 mol.L-1 (20 mL par binôme) Traitement Bécher de 250 mL Papier pH, baguette de verre, soucoupe Entonnoir büchner, fiole à vide, papier filtre, potence, pince Bain d’eau froide et glace Acide sulfurique à 2 mol.L-1 (70 mL) Eau distillée glacée Identification Cuve à C.C.M., plaque de C.C.M. Éluant : chloroforme / éthanol en proportions 10/1 Références : solution d’acide salicylique dans l’éthanol ; solution de salicylate de méthyle dans l’éthanol

3

Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques. b. Les gouttes issues de la condensation des vapeurs dans le réfrigérant sont constituées du mélange réactionnel. c. Le ballon contient une solution incolore, le bécher un solide blanc qui a cristallisé par refroidissement. d. En TP de chimie, il faut manipuler avec blouse et lunettes. Comme les solutions d’hydroxyde de sodium et d’acide sulfurique sont très concentrées et corrosives, il faut porter des gants pour les manipuler. Il ne faut pas laisser le flacon d’éluant près d’une source de chaleur. 2. Interpréter et conclure a.

Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques. © Nathan 2010

b. L’acide salicylique commercial et l’acide salicylique synthétisé éluent de la même manière. On a donc bien synthétisé de l’acide salicylique.

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques. Activité expérimentale 3 : De l’huile au savon Commentaires : autre exemple de synthèse. Utilisation d’un montage de chauffage à reflux et d’un dispositif de filtration sous pression réduite.

Liste du matériel et des solutions

Réponses 1. Observer a.

Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques. © Nathan 2010

Transformation Ballon monocol de 100 mL Chauffe-ballon ou cristallisoir et agitateur magnétique chauffant Grains de pierre ponce ou turbulent (barreau aimanté) Réfrigérant à eau Support élévateur Pinces et potence Éprouvette de 25 mL Spatule Huile alimentaire (20 mL par binôme) Solution d’hydroxyde de sodium à 8 mol.L-1 (20 mL par binôme) Éthanol à 95 % (20 mL par binôme) Chlorure de tétrabutylammonium (une spatulée par binôme) Traitement Bécher de 250 mL Solution saturée de chlorure de sodium (50 mL par binôme) Entonnoir büchner, fiole à vide, papier filtre, potence, pince Eau distillée Identification Deux erlenmeyers de 100 mL Huile alimentaire (10 mL) par binôme Éprouvette de 10 mL Eau

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques. b. Les gouttes issues de la condensation des vapeurs dans le réfrigérant sont constituées d’éthanol. c. La solution d’hydroxyde de sodium est très concentrée et corrosive ; c’est pourquoi il est indispensable de porter des gants lors de son ajout dans le ballon. Il faut ensuite enlever les gants lorsque le chauffe-ballon est allumé.

Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques. © Nathan 2010

2. Interpréter et conclure a. L’huile et l’eau ne sont pas miscibles ; on observe une émulsion puis deux phases bien distinctes lorsque la décantation est terminée. Dans l’autre erlenmeyer, une mousse abondante est formée lorsque le mélange (eau + espèce synthétisée) est agité. L’espèce formée n’est donc pas contenue dans l’huile ; ce pouvoir moussant est caractéristique des savons. b. Non, car le lavage de l’espèce obtenue n’est pas suffisant.

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques.

Exercices Exercices d’application  5 minutes chrono ! 1. Mots manquants a. synthèse b. économiques ; environnement c. reflux ; perte ; matière d. transformation ; traitement ; identification 2. QCM a. Accélérer la transformation. b. Peut être identique à une espèce chimique naturelle. c. Un support élévateur. d. Au réfrigérant. e. Une ampoule à décanter. f. Une chromatographie sur couche mince. g. Abaisser le support élévateur.

 Mobiliser ses connaissances

3. a. On appelle synthèse la préparation d’une espèce chimique à partir d’autres espèces chimiques. b. Oui (le nylon par exemple). ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------4. a. Des espèces chimiques naturelles sont synthétisées pour des raisons économiques et écologiques. b. Il est nécessaire de synthétiser des espèces chimiques qui n’existent pas dans la nature pour améliorer les propriétés d’une espèce chimique naturelle, ou pour obtenir des espèces chimiques qui ne se trouvent pas dans la nature et aux propriétés bien particulières. c. Les trois rôles de la synthèse chimique sont : - modifier ou inventer des espèces chimiques selon les besoins ; - rendre moins coûteuses les espèces chimiques naturelles ; - préserver l’environnement. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------5. Corrigé dans le manuel. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques. © Nathan 2010

Rôles de la chimie de synthèse (§1 du cours)

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques. Étapes d’une synthèse (§2 du cours) 6. Les trois étapes d’une synthèse chimique sont : transformation, traitement, identification. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------7.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------8. Corrigé dans le manuel. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------9. C’est tout à fait normal car les vapeurs qui montent dans le réfrigérant y sont condensées ; le liquide ainsi obtenu retombe dans le ballon. C’est ce qu’on appelle le « reflux ». ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------10. Le montage aa est un montage à reflux correctement dessiné, car il est le seul à comporter tous les éléments du montage (le réfrigérant manque sur le schéma cc ; le support élévateur manque sur le schéma bb), et le seul à avoir un sens de circulation d’eau (de bas en haut) correct. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

11. Le traitement de l’écorce d’un saule permet d’obtenir 2,3 kg d’aspirine. Pour répondre à la demande mondiale, il faudrait abattre 4 560/2,3 = 2 280 saules par heure. À ce rythme, si l’aspirine n’était pas synthétisée, il n’y aurait plus de saules disponibles. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------12. Corrigé dans le manuel. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------13. 1. En 1960. 2. a. 17 × 106 / 130000 = 131. b. 11 millions. c. On peut qualifier cette évolution de vertigineuse, d’exponentielle. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques. © Nathan 2010

 Utiliser ses compétences

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques. 14. 1.

2. Les taches issues des dépôts A (aspirine commercial) et C (acide salicylique commercial) ne sont pas situées à la même hauteur ; l’éluant utilisé permet donc d’identifier le produit obtenu. Il n’y a qu’une seule tache après élution du produit synthétisé ; on en conclut que ce produit est pur. Cette tache se trouve à la même hauteur que celle de l’aspirine commerciale ; on en conclut que le produit synthétisé est bien de l’aspirine. La synthèse a donc conduit à l’espèce chimique voulue.

Exercices d’entraînement

b. C’est au niveau des grains de pierre ponce que l’ébullition démarre. Grâce à la pierre ponce, le milieu réactionnel est agité et chauffé de façon homogène, ce qui évite des points chauds.

Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques. © Nathan 2010

15. L’aspartame ne modifie pas la glycémie, contrairement au saccharose. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------16. 1. a.

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques. 2. a.

b. Les lavages de la phase organique permettent d’extraire l’anhydride acétique. 3. a. Non, car l’huile essentielle de lavande contient plusieurs espèces chimiques. b. Oui, car en comparant les différentes taches, on conclut qu’il n’y a pas de linalol mais bien de l’acétate de linalyle dans la phase organique. c. Le linalol et l’acétate de linalyle (taches à la même hauteur) sont présents dans l’huile essentielle de lavande. -------------------------------------------------------------------------------------------------------17. 1. Les deux étapes de cette synthèse sont : - transformation avec un chauffage à reflux (décrite dans les deux premiers points) ; - traitement. 2. a. Avant d’être versé dans le ballon, le paraaminophénol est à l’état solide (température inférieure à 187 °C). b. Le paracétamol est peu soluble dans l’eau glacée. 3. 13,2 / 13,8 = 96 %.

18. 1. Transformation : ff ; gg et cc. Traitement : dd ; ee et aa. Identification : bb. 2.

Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques. © Nathan 2010

Pour aller plus loin

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques.

Chapitre 3. Synthèse d’espèces chimiques. © Nathan 2010

3. a. Deux filtrations sont nécessaires. b. C’est le filtrat de la première filtration qui est intéressant car le solide est constitué de dioxyde de manganèse et pas d’acide benzoïque. 4. On a déposé 4 échantillons sur le chromatogramme, pour comparer ce qui a été synthétisé (dépôt 2) au réactif (dépôt 1), à l’espèce chimique commerciale (dépôt 3) et à l’extrait naturel de benjoin (dépôt 4). Comme deux taches sont révélées pour le dépôt 2, le solide synthétisé n’est pas pur. Comme l’un de ses constituants a élué à la même vitesse que l’acide benzoïque, on en conclut que le solide synthétisé contient cet acide. -------------------------------------------------------------------------------------------------------19. - Liste du matériel nécessaire : support élévateur, chauffe-ballon, ballon de 100 mL, réfrigérant à eau, potence et pinces, éprouvette de 25 mL, éprouvette de 10 mL, balance, spatule, sabot ou coupelle, ampoule à décanter sur son anneau, entonnoir, bécher de 100 mL, erlenmeyer de 100 mL avec bouchon. - Liste des solutions et solides nécessaires : acide éthanoïque, 3-méthylbutan-1-ol, acide sulfurique, grains de pierre ponce, éther diéthylique. - Protocole :  Transformation : dans un ballon, introduire 22 g de 3-méthylbutan-1-ol. Y ajouter 14 mL d’acide éthanoïque et 1 mL d’acide sulfurique puis quelques grains de pierre ponce. Munir le ballon d’un réfrigérant à eau. Le placer dans un chauffe-ballon posé sur un support élévateur. Sécuriser le montage au reflux à l’aide de pinces. Porter le mélange réactionnel à ébullition.  Traitement : arrêter le chauffage et laisser refroidir le contenu du ballon à température ambiante. Le transvaser dans une ampoule à décanter. Procéder à l’extraction de l’espèce synthétisée grâce à de l’éther diéthylique. Séparer les deux phases et garder la phase organique dans l’ampoule à décanter.  Identification : par son aspect (couleur, odeur), par la mesure de sa densité.

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 4. Signaux périodiques

Chapitre 4 Signaux périodiques Manuel pages 58 à 69

Choix pédagogiques. Avant de s’intéresser aux ondes et à leurs applications dans le domaine de l’imagerie médicale, ce premier chapitre de physique du thème « santé » permet d’aborder l’analyse de signaux donnant les éléments nécessaires pour établir un diagnostic. Une attention particulière est portée sur le caractère périodique ou non du signal étudié, sur la compréhension des notions de période et fréquence d’un signal et leur détermination sur un enregistrement ou un oscillogramme. Ce chapitre introductif donne ainsi l’occasion de réinvestir pleinement les connaissances et savoir-faire de la classe de troisième et de les consolider.

Double page d’ouverture Électrocardiogramme d’une panthère Cette première photographie permet d’identifier le caractère périodique d’un signal sur une durée donnée par la répétition d’un motif élémentaire. Signaux observés au cours d’une opération chirurgicale Il s’agit là d’introduire le terme « fréquence », d’en saisir le sens et l’intérêt en rapport avec une application. L’unité n’est pas le Hertz (Hz) mais le battement par minute, plus adapté à la prise de pouls.

Chapitre 4. Signaux périodiques © Nathan 2010

Oscillogramme et table de mixage Cette troisième photographie, volontairement hors du cadre médical pour ne pas restreindre le champ d’application, permet de faire l’inventaire des grandeurs caractéristiques d’un signal périodique, qui feront l’objet d’une étude plus précise dans ce chapitre.

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 4. Signaux périodiques

Découvrir et réfléchir Activité documentaire 1 : Observer un phénomène périodique Commentaire. Cette première activité traite, sans connaissances et ni savoir-faire préalables, des notions de bases du chapitre au travers d’une application clairement ancrée dans le thème de la santé et de la partie « diagnostic » : signal périodique, période, fréquence. Réponses 1. Analyser les documents a. Au cours d’un pic, la tension varie très rapidement : elle augmente brutalement et diminue tout aussi vite. b.

Distance sur le document 3 0,5 cm 2,5 cm T=

Durée correspondante 0,2 s T

2,5 ! 0,2 = 1,0 s. 0,5

60 = 60 pulsations par minutes. 1,0 c. L’ECG du patient au repos est l’ECG1 car c’est celui du signal de plus petite fréquence, de plus grande période ou encore du plus petit nombre de pics sur la durée totale commune aux deux ECG donnés. b. f =

Chapitre 4. Signaux périodiques © Nathan 2010

2. Interpréter a.

2

Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 4. Signaux périodiques Activité expérimentale 2 : Étude d’un signal périodique Commentaire : utilisation d’un oscilloscope, détermination des caractéristiques d’une tension à partir de son oscillogramme. Réponses 1. Observer a. Le mouvement du spot est rectiligne car la ligne tracée sur l’écran est une droite. b. La vitesse du spot reste constante. 2. Exploiter la mesure D’après la mesure, Δt1 =

!t0

= 0,50 s (ou 0,21s selon l’oscilloscope). 10 La sensibilité horizontale est b = 500 ms/div, d’où Δt1= 0,500 ms. Les valeurs sont donc compatibles. 3. Exploiter l’oscillogramme Il n’est pas nécessaire de régler préalablement le GBF avant la séance. Le professeur peut demander à être appelé juste avant la mesure et en profiter pour affiner le réglage du GBF afin que la mesure soit plus aisée. Un deuxième appel sera nécessaire pour contrôler les valeurs obtenues après calculs. Il est aussi possible de remplacer le GBF par une alimentation de tension alternative d’amplitude 6V par exemple. Les caractéristiques du signal délivré sont alors communes à chaque groupe d’élèves (Umax = 6V et f = 50 Hz), mais l’effet de clignotement de l’image sur l’écran de l’oscilloscope peut paraître désagréable. a. La tension est périodique car elle se répète identique à elle-même à intervalles de temps égaux. Elle est dite sinusoïdale de par sa forme et alternative car elle est successivement positive puis négative. b. Exemple de résultats : sur l’écran, un motif élémentaire occupe 8,0 divisions horizontales. Comme b = 50 µs / div, cela représente 8,0 × 50 µs, soit 4,0 × 102 µs. Donc T = 4,0 × 10– 4 s. 1 T

.

A. N. : f =

1 4,0 ! 10

-4

3 = 2,5 ! 10 Hz = 2,5 kHz .

Pour comparer f à la fréquence fa affichée par le GBF, on peut demander aux élèves de calculer f ! fa l’écart relatif E(%) = " 100 et donner le critère suivant : les valeurs sont compatibles si fa E < 5 %. d. Umax correspond à un nombre nV de divisions sur l’écran égal à 3,0 div. Ainsi, Umax= kV × nV. A.N. : kV = 2,0 V/div, donc Umax= 6,0 V.

Chapitre 4. Signaux périodiques © Nathan 2010

c. f =

3

Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 4. Signaux périodiques

Chapitre 4. Signaux périodiques © Nathan 2010

De même, Umin correspond à un nombre nV de divisions sur l’écran égal à −3,0 div, donc Umin = −6,0V.

4

Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 4. Signaux périodiques

Exercices Exercices d’application  5 minutes chrono ! 1. Mots manquants a. périodique b. identique ; égaux c. période ; plus petite d. fréquence e. hertz ; Hz f. minute 2. QCM a. Subit des variations qui se répètent. b. Troisième courbe. c. Est possible en utilisant l’axe horizontal. d. 20 Hz. e. 2,5 ms.

 Mobiliser ses connaissances Phénomène périodique (§1 du cours)

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------4. Si le motif élémentaire commence en A, il se termine en F ; s’il commence en B, il se termine en E. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------Caractéristiques d’un signal périodique (§2 du cours) 5. a.  : Umin ;  : T ;  : Umax. b. f =

1 T

.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Chapitre 4. Signaux périodiques © Nathan 2010

3. Les feux du phare des Barges s’allument toutes les dix secondes, il s’agit donc d’un phénomène qui se reproduit identique à lui-même à intervalles de temps égaux. L’éclairage du phare est donc périodique.

5

Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 4. Signaux périodiques  Utiliser ses compétences 6. a. 4,0 Hz ; b. 20 Hz ; c. 125 Hz ; d. 25 kHz. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------7. a. 2,0 s ; b. 5,00 × 10–3 s ; c. 1×10–3 s ; d. 2,5 × 10–5 s. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------8. a. 27 kHz ; b. 430 ms ; c. 2,5 MHz. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------9. a. Δt = 20 ms. b. Δt = 4T, ainsi T = 5,0 ms. c. La précision d’une mesure est d’autant plus élevée que la grandeur à mesurer est grande. Mesurer la durée Δt correspondant à plusieurs motifs élémentaires permet donc d’être plus précis et d’augmenter la précision sur la détermination de T. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------10. Distance sur la figure Période correspondante 5 cm 3T 1,0 cm 0,4 s 3 T / 0,4 = 5,0 / 1,0 donc T = 5,0 × 0,4 / 3 = 0,7 s. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------1

1

= 1, 4 Hz. 0,70 b. Cela représente 1,4 pulsation par seconde. c. Par minute (60 secondes), le nombre de pulsations est 60 fois plus élevé : f = 60 × 1,4286 = 86 Hz. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

T

=

12. a. De  à , Umax est modifiée ; de  à , T et donc f =

1 T

sont modifiées.

b. De  à , Umax augmente ; de  à , T augmente et donc f =

1 T

diminue.

c. De  à , Umax et Umin sont restées inchangées, mais T a augmenté, donc f =

1 T

a diminué et

la forme du signal est différente. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------13. Sur l’écran, 4 motifs élémentaires occupent 5 divisions. Donc un motif élémentaire occupe 5 4

= 1,25 div.

T correspond à nH = 1,25 div. T = b × nH avec b = 50 µs/div. A.N. : T = 50 × 1,25 = 63 µs (valeur donnée avec deux chiffres significatifs pour une valeur affichée à la calculatrice de 62,5). L’expression littérale de la fréquence est : f =

1 T

.

Chapitre 4. Signaux périodiques © Nathan 2010

11. a. f =

6

Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 4. Signaux périodiques A.N. : f =

1 62,5 ! 10

-6

4 = 1,6 ! 10 Hz = 16 kHz .

Chapitre 4. Signaux périodiques © Nathan 2010

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 4. Signaux périodiques Exercices d’entraînement 14. On utilise les valeurs des sensibilités avec deux chiffres significatifs. Sur l’écran, deux motifs élémentaires occupent 8 divisions, donc un motif élémentaire occupe 8 un nombre de divisions nH = = 4,0 div. 2 Ainsi, T = b × nH= 0,50 × 4,0 = 2,0 ms. D’où : f =

1 T

=

1 2,0 ! 10

-3

2 = 5,0 ! 10 Hz .

Umax correspond à un nombre de divisions nV sur l’écran égal à 4,0 div. Ainsi, Umax= kV × nV. A.N. : kV = 2,0 V/div, donc Umax= 8,0 V. On peut alors compléter la phrase de l’énoncé : « La tension étudiée a une période de 2 ms, une fréquence de 500 Hz et une tension maximale de 8 V. » -------------------------------------------------------------------------------------------------------15. a. Le son correspond à l’oscillogramme , qui est celui d’un signal qui se reproduit identique à lui-même à intervalles de temps égaux, donc celui d’un signal périodique. b. On utilise les valeurs des sensibilités avec deux chiffres significatifs. 4 motifs élémentaires occupent 9,1 divisions, donc un motif élémentaire occupe un nombre de 9,1 divisions nH = = 2,3 div (2,275 div sans arrondi). 4 Ainsi, T = b × nH= 1,0 × 2,3 = 2,3 ms (2,275 ms sans arrondi). D’où : f =

1 T

=

1 2, 275 ! 10

-3

2 = 4, 4 ! 10 Hz .

c. f est égale à f (La3) = 440Hz. La note jouée au violon est donc le La3. d. Umax correspond à un nombre nV de divisions sur l’écran égal à 2,6 div. Ainsi, Umax= kV × nV.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------16. a. L’ECG du patient 2 est celui du document b car le signal n’est pas périodique (le premier motif élémentaire dure moins longtemps que celui qui suit). b. Distance sur la figure 6,0 cm 1,0 cm Donc T = 3,0 × 0,4 = 1,2 s.

Période correspondante 2T 0,4 s

Chapitre 4. Signaux périodiques © Nathan 2010

A.N. : Umax = 5,2 × 102 mV= 0,52 V.

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60 = 50 . 1,2 d. la fréquence cardiaque est plutôt celle d’un patient au repos (loin de 100 battements par minute ou plus pour un patient qui fait un effort). e. Pendant un effort, la fréquence cardiaque augmente, donc le nombre de périodes (motifs élémentaires) sur une même durée (même longueur d’enregistrement) est plus grand. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------17. a. Voir cours §1 : définition d’un phénomène périodique. b. T1 = T2 ; T1 = 2T3. c. Deux motifs élémentaires occupent 8,0 divisions, donc un motif élémentaire occupe un 8 nombre de divisions nH = = 4,0 div. 2 Ainsi, T1 = b × nH = 4,0 × 0,50 = 2,0 ms. c. Pendant une minute (60 secondes), le nombre de battements cardiaques est : N =

D’où : f1 =

1 T

1

=

1 2,0 ! 10 - 3

= 5,0 ! 10 2 Hz .

U1 max correspond à un nombre nV de divisions sur l’écran égal à 4,0 div. Ainsi, U 1 max= kV × nV. A.N. : U1 max = 8,0 × 102 mV= 0,80 V. d. T1 = T2 = 2,0 ms. f1 = f2 = 5,0 × 102 Hz. 1 2

T1 = 1,0 ms et f3 = 2 f1=1,0 kHz.

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T1 = 2T3 donc T3 =

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 4. Signaux périodiques

Culture scientifique et citoyenne Exercer son esprit critique

Chapitre 4. Signaux périodiques © Nathan 2010

Le nombre moyen de battements cardiaques dans la vie d’un être humain (durée moyenne de 80 ans au rythme de 60 battements par minute) est : N = 60 × 365,25 × 24 × 60 × 80 = 2,5 × 109. Ce nombre diffère de celui des autres mammifères (8 × 108) et progresse d’année en année car l’homme a allongé sa durée de vie en adaptant son mode de vie (nourriture, sédentarisation, …) et en profitant des progrès de la médecine. Contrairement aux autres mammifères, la FCR ne constitue pas un indicateur d’espérance de vie pour l’être humain.

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 5. Ondes et imagerie médicale

Chapitre 5 Ondes et imagerie médicale Manuel pages 70 à 85

Choix pédagogiques. Ce deuxième chapitre du thème « Santé » aborde l’étude des ondes et leur application pour établir un diagnostic médical. Une première partie synthétise les données utiles concernant les ondes employées dans le domaine médical. La deuxième partie présente les phénomènes propres aux ondes (absorption, réfraction, réflexion et réflexion totale) et leur associe une application concrète. La notion d’indice de réfraction et les lois de Snell-Descartes n’apparaissent pas nécessaires à cette présentation et ne sont donc pas traitées ici. Elles feront l’objet d’études dans le chapitre concernant la réfraction et la dispersion.

Double page d’ouverture de chapitre

Échographie d’un python Au travers de l’étude d’une technique courante d’imagerie médicale, l’échographie, appliquée à un patient qui l’est beaucoup moins, cette seconde photographie donne l’occasion de discuter des phénomènes mis en jeu lors d’une échographie, notamment celui de la réflexion des ultrasons, mais aussi de la manière de mesurer une distance qui nous sépare d’un obstacle en utilisant un écho. Cliché de radiographie aux rayons X et ombre Cette dernière photographie met en évidence : - un comportement différent d’un même milieu face aux rayons X et à la lumière, qui font pourtant partie de la même catégorie d’ondes, celle des ondes électromagnétiques ; - une absorption qui diffère selon le milieu traversé (tissus musculaire ou osseux) pour les rayons X.

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Identification par fibroscopie d’une guitare baroque de Stradivarius, datée de 1711 Cette première photographie pose le problème de propagation de la lumière dans une fibre courbe, alors qu’elle se propage a priori en ligne droite (classe de cinquième). Le phénomène de réflexion donne un premier élément d’explication. L’étude plus approfondie menée dans ce chapitre montrera que la réflexion totale permet de minimiser les pertes d’intensité lumineuse.

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Découvrir et réfléchir Activité documentaire 1 : Ondes sonores et ondes électromagnétiques Commentaire. Cette activité introductive permet d’apporter les premières connaissances, essentielles par la suite, concernant les ondes : ondes sonores, ondes électromagnétiques, domaine de fréquence, milieu de propagation et phénomène d’absorption.

2. Exploiter les documents a. Les ondes lumineuses se propagent dans le vide. L’écran lumineux du téléphone « sous vide » reste visible, tout comme le Soleil séparé de la Terre par le vide cosmique. b. Les ondes sonores ne se propagent pas dans le vide. La sonnerie du téléphone « sous vide » est inaudible. c. Les ultraviolets sont des ondes électromagnétiques invisibles. Du fait de leur fréquence, l’œil de l’être humain n’y est pas sensible. d. Le mur d’une chambre est constitué d’un matériau : - opaque aux ondes électromagnétiques lumineuses. Un téléphone portable est invisible derrière un mur ; - plutôt transparent aux ondes sonores. La sonnerie d’un téléphone portable placé derrière un mur est audible ; - plutôt transparent aux ondes électromagnétiques millimétriques qui assurent la communication entre deux téléphones mobiles situés de part et d’autre d’un mur.

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Réponses 1. Comprendre le texte a. L’oreille est sensible aux ondes sonores, les yeux aux ondes (électromagnétiques) lumineuses. b. On entend par là « milieu qui absorbe fortement certaines ondes et pratiquement pas d’autres ». c. Le plâtre d’un mur est un exemple de milieu opaque aux ondes lumineuses et plutôt transparent aux ondes sonores.

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 5. Ondes et imagerie médicale Activité expérimentale 2 : Comprendre le principe de l’échographie Objectifs. Mise en évidence des phénomènes de transmission (le terme « réfraction » n’est pas nécessaire à ce stade) et de réflexion. Détermination de distances par mesure de durée. Application à l’échographie.

Réponses 1. Observer La fréquence reste constante mais la tension maximale diminue. 2. Interpréter Une partie de l’onde est réfléchie aux interfaces air-polystyrène et polystyrène-air, d’où la diminution de la tension observée aux bornes du récepteur qui ne capte plus qu’une fraction de l’onde incidente. D’autre part, le polystyrène peut constituer un milieu qui absorbe les ultrasons.

4. Conclure La première expérience illustre le fait que lorsqu’une onde rencontre un obstacle, une partie de l’onde est transmise en étant atténuée, l’autre partie étant réfléchie. La deuxième expérience montre que la mesure d’une durée permet de déterminer la distance entre la sonde et une interface dans l’organisme, et ainsi de situer cette dernière par rapport à la sonde. L’atténuation de l’onde, constatée lors de la première expérience, explique la limite d’une vingtaine de centimètres pour un sondage de l’organisme par échographie.

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3. Exploiter les résultats Sur l’écran, un motif élémentaire occupe 2,0 divisions horizontales. Comme b = 1 ms / div, cela représente 2,0 ms. Donc Δt = 2,0 ms. L’ultrason parcourt la distance 2d pendant Δt, donc 2d = v × Δt, d’où : v ! "t d= = 340 × 1,0 × 10–3 = 0,34 m = 34 cm (valeur que l’on peut vérifier par mesure à la 2 règle, ce qui donne l’occasion, pour expliquer l’écart entre les deux valeurs obtenues, d’analyser les nombreuses sources d’erreur possibles lors d’une telle mesure).

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 5. Ondes et imagerie médicale Activité documentaire 3 : Échographie et imagerie médicale Commentaires. L’étude documentaire menée dans cette activité complète l’étude expérimentale précédente. Elle peut être menée en amont, pour préparer la séance de travaux pratiques, ou traitée a posteriori comme illustration et application des savoirs acquis. Réponses 1. Observer a. Les sons se différencient des ultrasons par leur fréquence. b. Plus la fréquence des ultrasons est élevée, plus la résolution de l’image est fine. Utiliser une fréquence élevée améliore la qualité de l’image. c. L’échographie est sans danger pour le patient, contrairement aux rayons X (mutations génétiques, apparitions de cancer, malformations fœtales, …). 2. Exploiter les informations a. En notant d la distance sonde-tissu, l’ultrason parcourt la distance 2d pendant Δt = 52 µs à la vitesse v = 1460 m · s–1 (donnée du texte, ligne 19), donc : "6 v ! "t 52 ! 10 2d = v × Δt, soit d = = 1460 × = 3,8 × 10-2 m = 3,8 cm (valeur compatible 2 2 avec la distance maximale pour un sondage de l’organisme donnée dans le texte ligne 13, d’une vingtaine de centimètres).

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3. Conclure La propriété de l’onde utilisée pour réaliser une échographie est la réflexion qui se produit lorsqu’une onde rencontre une interface séparant deux milieux différents.

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 5. Ondes et imagerie médicale Activité expérimentale 4 : Expérience de réfraction/réflexion totale Commentaires. La présentation des phénomènes de réfraction/réflexion est réalisée sans faire intervenir la notion d’indice de réfraction ni la loi de Snell-Descartes. La réflexion totale est découverte par une observation expérimentale. La description du modèle n’est pas nécessaire pour l’application à la fibroscopie.

Réponses Expérience 1. 1. Observer Après avoir atteint l’interface air-plexiglas, une partie du faisceau repart dans l’air, l’autre partie est transmise dans le plexiglas en étant éventuellement déviée. 2. Interpréter a. b. c.

Expérience 2. 3. Observer a. Pour un angle d’incidence petit, le faisceau est en partie réfléchi, l’autre partie est réfractée. À la différence de l’expérience 1, le faisceau est réfracté en s’écartant de la normale (N). b. Pour un angle d’incidence plus grand, le rayon réfracté peut disparaître, alors que le rayon réfléchi existe pour n’importe quelle valeur de i. c. Situation a. Situation b.

4. Conclure a. Dans la situation b, il y a réflexion totale car il n’y a plus de rayon réfracté. b. L’intensité lumineuse réfléchie est maximale. En évitant la réfraction, on limite les pertes d’intensité lumineuse. Il est ainsi possible, par une succession de réflexion totale, de

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Le rayon est transmis sans être dévié lorsque i = 0°, donc lorsque le rayon incident est perpendiculaire à l’interface.

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transmettre une information lumineuse dans le cœur d’une fibre optique même courbe avec un minimum d’atténuation de l’intensité lumineuse. La fibroscopie utilise ce phénomène et permet d’observer, par vision directe, des zones situées à l’intérieur de l’organisme, de tuyaux, de conduites d’eau, d’instruments de musique,… inaccessibles à l’œil nu.

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Exercices Exercices d’application  5 minutes chrono ! 1. Mots manquants a. onde, identique b. audible c. se propage, ne se propage pas d. électromagnétique e. homogène f. réfraction 2. QCM a. 3 × 102 m · s-1. b. 3 × 108 m · s-1. c. Troisième schéma. d. Premier schéma. e. Un ultrason. f. Une onde électromagnétique.

 Mobiliser ses connaissances

3. Il est impossible d’entendre l’explosion car les ondes sonores ne se propagent pas dans le vide. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------4. a. Le rayonnement infrarouge fait partie des ondes électromagnétiques. b. Les infrarouges se différencient des ultraviolets par leur fréquence, plus faible. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------5. Dans l’air : a. une onde lumineuse est plus rapide qu’une onde sonore ; b. une onde infrarouge est plus rapide qu’une onde ultrasonore ; c. une onde infrarouge est aussi rapide qu’une onde ultraviolette. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------6. Corrigé dans le manuel. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------7. L’eau et l’air sont en général des milieux homogènes. La lumière s’y propage en ligne droite d’après le principe de propagation rectiligne de la lumière. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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Ondes sonores et ondes électromagnétiques (§1 du cours)

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 5. Ondes et imagerie médicale Ondes et imagerie médicale (§2 du cours) 8. Le rayon  subit un phénomène de réflexion (il repart vers son milieu d’origine) et le rayon  un phénomène de réfraction (il est transmis en étant dévié). Remarque : le rayon  subit également un phénomène de réfraction dans l’eau, mais ceci ne concerne pas l’observateur. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------9. À l’interface eau-air au-dessus du rocher, un rayon incident issu du poisson subit une réflexion totale, il repart donc vers le bas, « sort » de l’aquarium après réfraction et pénètre dans l’œil de l’observateur. Celui-ci, recevant la lumière issue du poisson, le perçoit. En fait, ce n’est pas le poisson qu’il perçoit mais son image dans la direction (D) du rayon : l’interface eau-air se comporte comme un miroir. Le caractère « total » de la première réflexion explique la luminosité de l’image observée : les pertes d’intensité sont minimales. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

10. Corrigé dans le manuel. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------11. Lorsque le coup de foudre s’abat à grande distance de Toby et Cocot, les sons de fréquence plus faible, comprise entre 15 Hz et 200 Hz, parcourent de grandes distances et sont perçus par Toby. Cocot ne les perçoit pas car elle n’est pas sensible à des sons associés à ce domaine de fréquence. Les sons de fréquences supérieures à 20 Hz sont davantage atténués et ne peuvent être perçus ni par Toby ni par Cocot. Ainsi, Toby entend le tonnerre alors que Cocot n’entend rien. Le tonnerre n’est perçu par Cocot que lorsque la foudre se rapproche, c’est-à-dire lorsque l’onde sonore de fréquence supérieure à 200 Hz n’est pas trop atténuée. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------12. Sur l’écran, deux motifs élémentaires occupent 10 divisions, donc un motif élémentaire occupe 5 divisions. Ainsi, T = b × nH = 5,00 × 500 = 2,50 × 103 µs = 2,50 ms. D’où f =

1 T

=

1 2,50 ! 10

-3

= 400 Hz .

20 Hz ≤ f ≤ 20 kHz, donc l’onde appartient au domaine audible. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------d 4,5!109 !103 4 13. Δt = = = 1,5 ! 10 s = 4 h 10 min. 8 c 3,00!10 -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

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 Utiliser ses compétences

8

Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 5. Ondes et imagerie médicale 14.

La distance parcourue pendant Δt est d = 2H. d = c × Δt implique 2H = c × Δt. !t 8,87 ! 10"3 Ainsi, H = c × = 3,00 × 108 × = 1,33 × 106 m. 2 2

Exercices d’entraînement

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------17. a.

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15. a. Ondes électromagnétiques. b. La fréquence. c. L’agrafe chirurgicale apparaît blanche sur le cliché et les os sont gris. L’agrafe a absorbé davantage les rayons X qui n’ont pu atteindre la plaque. Or, les rayons X sont d’autant plus absorbés que les atomes sont lourds. L’agrafe est donc bien constituée d’un alliage d’atomes (nickel, titane) plus lourds que ceux composant les os (exemple : calcium). ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------!t 16. a. h = v × . 2 6,0 ! 10"2 b. A et B : h = 1 500 × = 45 m. 2 De même, pour C et D, h = 30 m et pour E et F, h = 38 m (37,5 m sans souci de précision). c.

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Sirius 2de - Livre du professeur Chapitre 5. Ondes et imagerie médicale b. R2 détecte la salve d’ultrason après R1 car il est situé plus loin de l’émetteur E. Il faut plus de temps à chacune des salves pour atteindre R2. c. Le retard sur l’écran est d’une division, donc Δt = b × nH = 2,0 × 1,0 = 2,0 ms. 81 ! 13 d d2 ! d1 d. v = = = = 3,4 × 102 m · s–1. !3 !t "t 2,0 " 10 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------d 18,6 ! 103 18. a. v = = = 341 m · s–1. 54,6 !t b. Pour obtenir une valeur de Δt, et donc une vitesse du son, indépendante de l’influence du vent. d 18,6!103 "5 c. Δt’ = = = 6, 2 ! 10 s = 62 µs . 8 c 3,00!10

b. Le rayon subit un phénomène de réfraction, c'est-à-dire une modification de direction lors du changement de milieu. c. Le chaton réagit comme si la lumière se propageait en ligne droite. Il perçoit l’image du poisson dans la direction (D), mais le poisson se situant en dessous, il échoue dans sa tentative de l’attraper. d. Pour que le rayon soit transmis du poisson jusqu’à l’œil du chaton sans déviation, O doit être à la verticale de P.

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Δt’