Exercice type Brevet de Physique-Chimie

La fédération internationale de tennis de table a fait le choix en 2014 de changer la composition de la balle initialement en celluloïd. Celui-ci étant inflammable, il a été remplacé pour des raisons de sécurité par l'Acrylonitrile-Butadiène-Styrène (ABS).

Données

- Intensité du champ de pesanteur : \( g = 9\mbox{,}8\:\text{m}\mathord{\cdot}\text{s}^{-2} \)
- Masse de la balle : \( m = 2\mbox{,}7\:\text{g} \)

Extrait de la classification périodique des éléments :

Quelques pictogrammes de sécurité

1. Indiquer quel pictogramme est associé aux balles en celluloïd.

2. Compléter la phrase suivante.

Pour créer des balles en ABS, on réalise une transformation modélisée par l'équation de réaction suivante : acrylonitrile + butadiène + styrène \( \longrightarrow \) ABS

3. Compléter la phrase suivante qui indique le nom et le nombre des atomes présents dans la molécule d'acrylonitrile de formule chimique \( C_{3}H_{3}N \).
On écrira les nombres en toutes lettres.

La molécule d'acrylonitrile possède atome(s) de de symbole C, atome(s) d' de symbole H et atome(s) d'azote de symbole .

Essais restants : 2

4. a. Donner le nombre de protons que possède l'atome d'azote.

b. Donner le nombre d'électrons que possède l'atome de carbone.

Un échange de tennis de table commence par le service d'un joueur. Il lance alors la balle verticalement puis la frappe lors de sa descente.

Chronophotographie de la balle dans la phase de descente.

5. Caractériser le mouvement de la balle lors de la phase de descente avec deux mots choisis dans la liste suivante :

Curviligne
Rectiligne
Accéléré
Décéléré
Circulaire
Uniforme

L'énergie potentielle de position \( E_{pp} \) d'un objet de masse \( m \) est définie par l'expression : \[ E_{pp} = m × g × h \] Avec \( E_{pp} \) l'énergie potentielle de position en joule (J), \( h \) l'altitude de la balle en mètre (m) par rapport au point d'impact de la balle avec la raquette, \( m \) la valeur de la masse en kilogramme (kg) et \( g \) l'intensité de pesanteur en newton par kilogramme (N/kg).

6. Calculer l'énergie potentielle de position \( E_{pp1} \) de la balle au début de la descente (position 1), pour une altitude \( h \) de valeur égale à \( 0\mbox{,}2\:\text{m} \) par rapport au point d'impact de la balle avec la raquette (position 5 sur la chronophotographie).
On donnera la réponse arrondie au dix-millième de joule, suivie de l'unité qui convient.

7. a. Indiquer la relation qui permet de calculer la valeur de l'énergie cinétique \( E_{c} \) d'un objet parmi les trois relations proposées ci-dessous.

\(E_{c} = \dfrac{1}{2} \times m^{2} \times v\)

\(E_{c} = \dfrac{1}{2} \times m^{2} \times v^{2}\)

\(E_{c} = \dfrac{1}{2} \times m \times v^{2}\)

b. Nommer la grandeur \( m \).

c. Quelle est son unité pour que l'énergie cinétique soit en joules ?
On donnera le symbole de l'unité.

d. Nommer la grandeur \( v \).

e. Quelle est son unité pour que l'énergie cinétique soit en joules ?
On donnera le symbole de l'unité.

En position 1 la vitesse de la balle est nulle et en position 5 elle est maximale et notée \( v_{max} \). Comme les frottements sont négligés lors de la descente de la balle, on peut donc admettre que l'énergie mécanique \( E_{m} \) est conservée.

8. a. Parmi les expressions suivantes, laquelle correspond à l'énergie mécanique dans la position 1 ?

\(m \times g \times h\)

\(m \times g \times h + \dfrac{1}{2} \times m \times v_{max}^{2}\)

\(\dfrac{1}{2} \times m \times v_{max}^{2}\)

\(0\)

b. Parmi les expressions suivantes, laquelle correspond à l'énergie mécanique dans la position 5 ?

\(\dfrac{1}{2} \times m \times v_{max}^{2}\)

\(0\)

\(m \times g \times h\)

\(m \times g \times h + \dfrac{1}{2} \times m \times v_{max}^{2}\)

c. En déduire l'expression de la vitesse maximale \( v_{max} \) de la balle au moment de l'impact avec la raquette (position 5 sur la chronophotographie).
On donnera directement l'expression.

d. Calculer \( v_{max} \).
On donnera la réponse arrondie au centième en mètres par seconde, suivie de l'unité qui convient.