Sujet national, juin 2019

Énoncé

Des cylindres de glace, de formule chimique H2O, appelés « carottes », sont prélevés dans les régions polaires et dans les glaciers des montagnes ; ils contiennent des renseignements précieux pour l'étude du climat.
L'élément oxygène se trouve notamment sous la forme de trois atomes stables nommés oxygène 16, oxygène 17 et oxygène 18. À partir de la proportion d'oxygène 18 par rapport à l'oxygène 16 dans la glace, les chercheurs déterminent la température de l'atmosphère au moment de la formation de la glace.
Document 1
Un modèle de l'atome d'oxygène
Un modèle de l'atome d'oxygène
Document 2
Les fiches d'identité des atomes d'oxygène stables
Les fiches d'identité des atomes d'oxygène stables
1. 
a) 
Légender le document 1, en affectant à chaque numéro un nom parmi les propositions suivantes : noyau, électrons, proton, neutron.
Souvenez-vous des définitions et notions de cours sur les éléments constitutifs de l'atome.
b) 
Quel est le nombre de protons présents dans chacun des 3 atomes d'oxygène ? Justifier vos réponses par une phrase.
Souvenez-vous du lien entre numéro atomique et nombre de protons.
L'analyse des bulles d'air piégées dans la glace permet de déterminer la quantité de dioxyde de carbone CO2 contenu dans l'atmosphère du passé.
Document 3
Évolution du pourcentage en volume de CO2 dans l'air au cours des années
Évolution du pourcentage en volume de CO2 dans l'air au cours des années
2. 
a) 
En utilisant le graphique du document 3, indiquer le pourcentage en volume de dioxyde de carbone présent dans l'air en 1910.
Attention à bien repérer que le « temps » se lit sur l'axe des abscisses.
b) 
En quelle année ce pourcentage a-t-il atteint 0,037 % ?
Attention à bien repérer que le « pourcentage de CO2 » se lit sur l'axe des ordonnées.
c) 
Comparer, en citant des données du graphe, l'évolution du pourcentage de CO2 en volume dans l'air, entre 1810 et 1950 puis entre 1950 et 2010.
Cherchez et relevez les différentes valeurs du pourcentage de CO2 prises aux dates indiquées et faites une comparaison sur les valeurs relevées (rapport de pourcentage obtenu, calcul de l'augmentation sur un temps donné…).
d) 
Quelle valeur pourrait atteindre ce pourcentage en 2020 ? Décrire et critiquer la méthode utilisée.
Vous devez ici proposer une valeur qui serait cohérente quant à l'évolution possible de la courbe.On voit que la fin de la courbe semble être une droite (possibilité de la prolonger…).
Le projet ICE MEMORY est un programme scientifique dont l'objectif est de constituer la première archive glaciaire du monde. Des carottes provenant des glaciers les plus en danger seront conservées à –54 °C dans une cave creusée sous la neige de l'Antarctique.
Document 4
Lieu de prélèvement de carottes glaciaires
Intensité de pesanteur g du lieu
Glacier du mont Illimani (Bolivie). Altitude 6 300 m
g = 9,76 N/kg
Glacier du Col du Dôme (France). Altitude 4 236 m
g = 9,79 N/kg
Base de Vostok (Antarctique). Altitude 3 800 m
g = 9,82 N/kg

3. 
a) 
À la base de Vostok qui se situe en Antarctique, on extrait une carotte de glace de 3 mètres de long, le poids du cylindre de glace est P = 236 N.
Schématiser le cylindre de glace en position verticale et représenter le poids de la glace par un segment fléché en prenant pour échelle 1 cm pour 100 N.
Vous devez ici donner les « caractéristiques » du poids (point d'application, direction, sens et valeur)
et le représenter (segment fléché). N'oubliez pas de faire figurer une échelle pour la représentation.
b) 
Utiliser les données du document 4 et de la question 3a pour calculer la masse du cylindre de glace de Vostok en kilogrammes. Expliquer la démarche suivie et écrire la relation utilisée.
Les essais et les démarches même non aboutis seront pris en compte.
Rappelez-vous que P = m × g. Utilisez la formule pour trouver m en veillant à prendre la bonne valeur de g dans le document 4. N'oubliez pas l'unité à la fin de votre calcul.

Corrigé

1. 
a) Le numéro 1 correspond aux électrons. Le numéro 4 représente le noyau. Le numéro 2 représente les protons. Le numéro 3 représente les neutrons.
b) Le numéro atomique indique le nombre de protons présents dans un noyau, ainsi l'oxygène 16 possède 8 protons, l'oxygène 17 possède 8 protons et l'oxygène 18 possède 8 protons.
2. 
a) Après avoir repéré l'année 1910 sur l'axe des abscisses, on vient lire sur l'axe des ordonnées la valeur du pourcentage correspondant au point de la courbe.
Le pourcentage en volume de dioxyde de carbone dans l'air en 1910 était de 0,030 %.
b) Après avoir reporté sur l'axe des ordonnées la valeur du pourcentage de CO2 dans l'air (0,037 %) et l'avoir projeté sur la courbe, on vient lire en quelle année ce taux a été atteint. Graphiquement, on peut lire que ce pourcentage a été atteint dans les années 2000 environ.
Au contraire, dans la PHASE 2 comme la vitesse augmente le mouvement est accéléré.
c) 
À partir de 1810 et pendant près de 40 ans, le pourcentage en volume de C02 dans l'air n'a pratiquement pas varié, tournant autour de 0,028 %. On peut alors considérer que de 1810 à 1850, il est resté constant.
Puis on remarque que la courbe croît légèrement, les valeurs augmentent de 0,028 % à 0,031 % en 1950. C'est à partir de 1950 que le pourcentage en volume de CO2 dans l'air augmente significativement, passant de 0,031 % à 0,039 % en l'espace de 60 ans, et donc jusqu'en 2010.
Ainsi le pourcentage en volume de CO2 dans l'air a pris 0,003 % de plus en 140 ans (1810 à 1950) alors que l'augmentation a été de 0,008 % de plus en l'espace de seulement 60 ans (1950 à 2010), soit presque le triple en deux fois moins de temps environ.
d) Le pourcentage de dioxyde de carbone présent dans l'air en 2020 devrait être autour des 0,040 % de CO2 dans l'air. En effet, on peut continuer la courbe en réalisant une projection en traçant une droite. Cette méthode est approximative (à main levée) donc peu précise, mais donne une idée de la valeur qu'il atteindra. (De plus il n'est absolument pas sûr que l'évolution sur nos 10 dernières années suivent les tendances des 60 dernières, car on ne tient nullement compte des facteurs extérieurs.)
3. 
a) 
 - illustration 4
Le poids est une force que l'on représente par un segment fléché :
  • qui s'applique au centre de gravité de l'objet ;
  • ayant pour direction la verticale ;
  • de sens vers le bas ;
  • de valeur P = 236 N.
D'après l'échelle imposée (1 cm représente 100 N), la flèche doit alors mesurer 236/100 = 2,36 cm.
b) On sait que P = m × g (avec m masse cylindre glace en kg et g intensité de la pesanteur à Vostok donnée dans le document 4). Donc en transposant :
  • m = P/g ;
  • m = 236 / 9,82 ;
  • m = 24,0 kg.
Le cylindre de glace prélevé à Vostok en Antarctique aura une masse de 24,0 kg.