Annales du Brevet

Préparation au Brevet - Physique-Chimie 3e

Exercice 1 : Caractériser le mouvement d’un athlète

Un athlète fait du lancer de marteau. Il fait d'abord prendre de la vitesse à son marteau en le faisant tourner deux à trois fois autour de sa tête puis il l'accélère de manière continue en tournant 3 à 4 fois sur lui-même tout en restant dans le cercle avant de le lancer.


Schématisation du mouvement d’un lanceur de marteau pendant son élan.
Le sens de la flèche indique le sens du mouvement.

Qualifier le mouvement de l’athlète en choisissant un ou plusieurs termes parmi les suivants :

Exercice 2 : Brevet 2021 (Centres étrangers) - Épreuves d’un triathlon

Le triathlon est une discipline sportive réunissant trois épreuves : la natation, le cyclisme et la course à pied.

Épreuve de natation

Les concurrents démarrent le triathlon par une épreuve de natation.


Chronophotographie d’une partie du déplacement d’un nageur.
Une chronophotographie est une succession de clichés pris à intervalles de temps égaux.
Le sens de la flèche indique le sens du mouvement.

1. Qualifier le mouvement de l’athlète en choisissant un ou plusieurs qualificatifs parmi les suivants :

Épreuve de cyclisme

À la sortie de l’eau, les concurrents récupèrent leur vélo.
Une athlète souhaite utiliser le vélo le plus léger possible parmi deux modèles à sa disposition.
L’un est en aluminium et l’autre en titane.
Les dimensions des deux modèles sont strictement identiques. Les volumes des tubes constituant les cadres sont les mêmes. Seuls les matériaux utilisés pour les cadres diffèrent.

Données
  • - Masse volumique de l'aluminium : \( 2,7\times 10^{3} \: kg / m^{3} \)
  • - Masse volumique du titane : \( 4,5\:g / cm^{3} \)
2. Quel est le modèle choisi par l'athlète ?
3. Déterminer la masse du cadre du vélo choisi sachant que son volume est de \( 536\:cm^{3} \).
On donnera un résultat arrondi à \( 0,1 \: kg \), suivi de l'unité qui convient.

La pression des pneus est une donnée importante pour augmenter les performances.
Le graphe ci-dessous donne la pression des pneus recommandée en fonction du poids du cycliste.


Données
  • - pour l’intensité de la pesanteur sur Terre, on prendra : \( g_{T} = 10 \: N/kg\)
4. Déterminer la valeur de la pression à appliquer aux pneus du vélo d’une cycliste dont la masse est de \( 55 \: kg\).
On donnera la réponse suivie de l'unité qui convient.

Épreuve de course à pied

Les concurrents terminent le triathlon par une épreuve de course à pied.
Des verres de boisson énergisante à base de glucose sont proposés aux sportifs aux points de ravitaillement.

5. Une molécule de glucose a pour formule chimique \( C_{6}H_{12}O_{6} \). Compléter le tableau suivant décrivant la composition de la molécule de glucose.

Donnée : le tableau périodique des éléments.
{"header_left": ["Nom de l'atome", "Quantit\u00e9 composant la mol\u00e9cule de glucose"], "data": [["Carbone", "Oxyg\u00e8ne", "Hydrog\u00e8ne", "H\u00e9lium"], ["?", "?", "?", "?"]]}
6. Laquelle des réactions suivantes représente correctement la transformation chimique entre le glucose et le dioxygène ?

L’énergie chimique est convertie en énergie cinétique et en énergie thermique.

7. Indiquer par quoi il faut remplacer les lettres A, B et C dans le diagramme suivant :

A : Énergie
B : Énergie
C : Énergie

Essais restants : 2

Pour couvrir ses besoins énergétiques, l’athlète consomme une boisson énergétique.
Durant une heure de course à pied, la dépense énergétique moyenne de l’athlète est d’environ \( 34 \: kJ \) par \( kg \) de masse corporelle.

Une athlète de \( 55 \: kg \) court pendant \( 48 \: min \).

8. Déterminer le nombre de verres de boisson énergisante nécessaires pour couvrir la dépense énergétique sachant qu’un verre de boisson énergisante apporte une énergie d’environ \( 190 \: kJ \) à l’athlète.
On considère que l'athlète boit entièrement chacun des verres, et on donnera le résultat sous forme entière sans préciser l'unité.

Exercice 3 : Brevet 2022 (Polynésie française) - La plongée sous marine

Partie 1 - Des bouteilles d'air comprimé pour respirer

1. Quels sont les deux constituants majoritaires de l'air ?

On modélise la respiration par une transformation chimique : du glucose ( \( C_{6}H_{12}O_{6} \) ) réagit avec du dioxygène \( O_{2} \) et il se forme du dioxyde de carbone ( \( CO_{2} \) ) et de l'eau ( \( H_{2}O \) ).

2. Laquelle des réactions suivantes représente correctement cette transformation ?

Pour faire réagir \( 19,9g \) de glucose, il faut \( 22,1g \) de dioxygène. On obtient alors \( 12,1g \) d'eau et une masse \( m \) de dioxyde de carbone.

3. Déterminer la masse \( m \) de dioxyde de carbone produite lors de la combustion de \( 19,9g \) de glucose.

On donnera la réponse suivie de l'unité qui convient.

Partie 2 - La détection des lieux de plongée

Pour connaître la profondeur d’un océan, on peut utiliser un SONAR. Cet appareil émet un signal sonore de fréquence \( 40 kHz \) et il mesure la durée entre l’émission et la réception de ce signal. Un plongeur débutant a pour projet d’explorer les fonds sous-marins à un endroit donné. À l’aide d’un SONAR, il mesure la durée t d’un aller-retour. Il obtient \( t = 0,03s \).
Données
  • - Vitesse des ultrasons dans l’eau \( v = 1500 m/s \)
  • - Vitesse des ultrasons dans l’air \( v = 300 m/s \)

4. Déterminer la profondeur de l'océan à l'endroit mesuré.

On donnera la réponse suivie de l'unité qui convient.

Partie 3 - Les paliers de décompression

Les plongeurs portent des plaquettes de plomb à leur ceinture qui leur permettent de stopper leur remontée à des profondeurs particulières appelées paliers de décompression.
Un plongeur immergé est soumis à deux forces :
  • - le poids du plongeur et de son équipement : force verticale, dirigée vers le bas
  • - la poussée d’Archimède exercée par l’eau sur le plongeur : force verticale, dirigée vers le haut.


5. À l’aide du graphique précédent, déterminer la valeur de la poussée d’Archimède subie par un plongeur de volume total (avec sa bouteille) est égale à \( 85L \).

On donnera la réponse suivie de l'unité qui convient.
Lors d’un palier de décompression, le poids du plongeur et la poussée d’Archimède doivent avoir la même valeur. Pour ajuster la valeur du poids, plusieurs plaquettes de plomb sont ajoutées à la ceinture du plongeur.
Données
  • - Masse du plongeur avec sa bouteille : \( m1 = 83kg \)
  • - Masse d’une plaquette de plomb : \( m2 = 1kg \)
  • - Intensité de la pesanteur : \( g = 10 N/kg \)

6. Déterminer le nombre de plaquettes de plomb que doit porter le plongeur de la question précédente au cours d’un palier de décompression.

Exercice 4 : Choix du matériau le plus léger, calcul de masse et lecture graphique

Un cycliste souhaite utiliser le vélo le plus léger possible parmi deux modèles à sa disposition.
L’un est en fibre de carbone et l’autre en titane.
Les dimensions des deux modèles sont strictement identiques. Les volumes des tubes constituant les cadres sont les mêmes. Seuls les matériaux utilisés pour les cadres diffèrent.

Données
  • - Masse volumique de la fibre de carbone : \( 1,8\:g / cm^{3} \)
  • - Masse volumique du titane : \( 4,5\times 10^{3} \: kg / m^{3} \)
Quel est le modèle choisi par le cycliste ?
Déterminer la masse du cadre du vélo choisi sachant que son volume est de \( 715\:cm^{3} \).
On donnera un résultat arrondi à \( 0,1 \: kg \), suivi de l'unité qui convient.

La pression des pneus est une donnée importante pour augmenter les performances.
Le graphe ci-dessous donne la pression des pneus recommandée en fonction du poids du cycliste.


Données
  • - pour l’intensité de la pesanteur sur Terre, on prendra : \( g_{T} = 10 \: N/kg \)
Déterminer la valeur de la pression à appliquer aux pneus du vélo d’un cycliste dont la masse est de \( 75 \: kg \).
On donnera la réponse suivie de l'unité qui convient.

Exercice 5 : Étude du glucose et consommation énergétique

Lors d'un marathon, des verres de boisson énergisante à base de glucose sont proposés aux coureurs aux points de ravitaillement.

Une molécule de glucose a pour formule chimique \( C_{6}H_{12}O_{6} \). Compléter le tableau suivant décrivant la composition de la molécule de glucose.

Donnée : le tableau périodique des éléments.
{"data": [["Hydrog\u00e8ne", "Oxyg\u00e8ne", "Carbone", "H\u00e9lium"], ["?", "?", "?", "?"]], "header_left": ["Nom de l'atome", "Quantit\u00e9 composant la mol\u00e9cule de glucose"]}
Laquelle des réactions suivantes représente correctement la transformation chimique entre le glucose et le dioxygène ?

L’énergie chimique est convertie en énergie cinétique et en énergie thermique.

Indiquer par quoi il faut remplacer les lettres A, B et C dans le diagramme suivant :

A : Énergie
B : Énergie
C : Énergie

Essais restants : 2

Pour couvrir ses besoins énergétiques, l’athlète consomme une boisson énergétique.
Durant une heure de course à pied, la dépense énergétique moyenne de l’athlète est d’environ \( 44 \: kJ \) par \( kg \) de masse corporelle.

Une athlète de \( 75 \: kg \) court pendant \( 57 \: min \).

Déterminer le nombre de verres de boisson énergisante nécessaires pour couvrir la dépense énergétique sachant qu’un verre de boisson énergisante apporte une énergie d’environ \( 164 \: kJ \) à l’athlète.

On considère que l'athlète boit entièrement chacun des verres, et on donnera le résultat sous forme entière sans préciser l'unité.
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