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BACCALAURÉAT GÉNÉRAL BLANC
BAC BLANC MARS 2015 - LYCÉE SAINTE URSULE-LOUISE DE BETTIGNIES
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PHYSIQUE – CHIMIE
Série S
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DURÉE DE L’ÉPREUVE : 3 h 30 min – COEFFICIENT 3
Ce sujet comporte deux exercices communs que tous les candidats doivent traiter et un
exercice qui dépend de votre spécialité
L’USAGE DE LA CALCULATRICE EST AUTORISÉE
VOUS UTILISEREZ UNE COPIE PAR EXERCICE
Les élèves ne suivant pas l’enseignement de spécialité de Sciences Physiques traitent les exercices :
EXERCICE I sur 6 points : Du lait au yaourt.
EXERCICE II sur 9 points : Le rugby, sport de contact et d’évitement.
EXERCICE III sur 5 points : Cuisson d’une viande sous vide.
Les élèves suivant l’enseignement de spécialité de Sciences Physiques traitent les exercices :
EXERCICE I sur 6 points : Du lait au yaourt.
EXERCICE II sur 9 points : Le rugby, sport de contact et d’évitement.
EXERCICE IV sur 5 points.
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Exercice I : Du lait au yaourt. (6 points).
Le lait est un produit biologique fragile. L’homme a su exploiter la tendance qu’ont ses composants à se séparer afin de le conserver.
Pour faire du beurre, on recueille la matière grasse mais pour obtenir du fromage ou du yaourt, on attend que les protéines du lait
coagulent.
L’acide lactique est l’un des composants essentiels du lait.
Données :
-
Formule semi-développée de l’acide lactique :
Masse molaire de l’acide lactique : M = 90 g.mol-1
pKa (acide lactique/ion lactate) = 3,9
La phénolphtaléine est un indicateur coloré ; couple acide/base de pKa = 8,2 dont la forme acide est incolore et la forme
basique rose.
1. L’ACIDE LACTIQUE
1.1. Recopier la formule de l’acide lactique, entourer les groupes caractéristiques et justifier son nom dans la nomenclature
officielle : acide 2-hydroxypropanoïque.
1.2. L’un des carbones de cette molécule possède 4 substituants différents. On dit qu’il est asymétrique. On le note avec un
astérisque *
1.2.1. Identifier ce carbone asymétrique et noter le sur la formule de l’acide lactique que vous recopierez.
1.2.2. Dessiner avec la représentation de cram autour de ce carbone asymétrique, les deux stéréoisomères de l’acide lactique qui
ont pour propriété d’être images l’un de l’autre dans un miroir plan (comme vos deux mains mises l’une en face de l’autre) mais
non superposables (comme vos deux mains que vous posez l’une sur l’autre).
1.3. En solution aqueuse, l’acide lactique que l’on notera HA a des propriétés acidobasiques. Sa base conjuguée est l’ion lactate.
1.3.1. Le pH d’une solution d’acide lactique de concentration molaire c égale à 1,5 mmol.L-1 est égal à 3,4.
L’acide lactique est-il un acide fort ou faible ? Justifier votre réponse.
1.3.2. Le pH d’un lait frais se situe autour de 6,5.
Quelle est l’espèce prédominante du couple acide lactique/ion lactate ? Justifier la réponse.
2. Du lait frais …
Document 1 : Acidité du lait
Un lait frais n’est que très légèrement acide mais cette acidité peut se développer assez vite pour des raisons diverses :
- le lactose présent en quantité notable (50 g.L-1 environ) se transforme en acide lactique sous l’action des bactéries ;
- d’autres acides tels que l’acide oléique se forment à partir des corps gras présents dans le lait.
- le dioxyde de carbone dissous contribue également à l’acidité d’un lait.
L’industrie laitière vérifie l’état de conservation d’un lait en mesurant son acidité totale en « équivalent d’acide lactique »
exprimée en degré Dornic* (°D).
Un lait frais doit avoir, selon les normes en vigueur, une acidité inférieure à 18°D.
* Un degré Dornic noté 1°D correspond à 0,1 g d’acide lactique par litre de lait.
Document 2 : Protocole de titrage d’un lait
On verse 10,0 mL de lait dans un erlenmeyer et on ajoute quelques gouttes de phénolphtaléine.
On procède au titrage de l’échantillon de lait par une solution d’hydroxyde de sodium (Na +(aq) + HO–(aq)) de
concentration molaire 0,11 mol.L-1 appelée soude « Dornic ».
Un lait est dosé en suivant ce protocole.
L’équation de la réaction chimique support de titrage est : HA(aq) + HO–(aq)  A–(aq) + H2O(l)
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2.1. La persistance d’une coloration rose est observée pour un volume de solution titrante versée de 1,4 mL.
À quoi correspond ce changement de couleur ?
2.2. En exploitant le résultat du titrage, déterminer si le lait analysé est frais selon la norme en vigueur. La démarche
suivie pour expliciter sera explicitée.
3. … vers le yaourt
Les documents utiles à la résolution sont rassemblés en fin d’exercice.
À l’aide de ces documents, déterminer la température la plus favorable à la formation du yaourt ainsi que la durée au bout de
laquelle la consistance est celle attendue d’un yaourt.
Une analyse organisée et détaillée de chaque document est demandée.
Document 3 : Fabrication d’un yaourt
Le lait pasteurisé est ensemencé avec des bactéries (lactobacillus bulgaricus et streptococcus thermophilus) et mis en pots.
Ces bactéries vont alors se multiplier et transformer le lactose du lait en acide lactique. La consistance du yaourt est atteinte
au bout de quelques heures. Les yaourts sont ensuite refroidis à 4°C ; le froid bloque l’activité des bactéries mais ne les tue
pas : au moment de la vente, le yaourt doit contenir au moins 10 millions de bactéries par gramme !
D’après les sites www.espace-sciences.org et www.decouverte-industries-alimentairescom
Document 4 : Acidité et température
Afin d’optimiser la fabrication d’un yaourt dans un atelier de production, un laboratoire de recherche mesure, à différentes
températures, l’évolution dans le temps de l’acidité de différents échantillons d’un lait préalablement ensemencé avec des
bactéries.
Les valeurs obtenues sont reportées dans les tableaux ci-dessous.
Pour une température 1 = 2°C :
Durée
(min)
Acidité
(°D)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
19
19
19
19
19
19
20
20
20
20
20
21
21
Pour une température 2 = 25°C :
Durée
(min)
Acidité
(°D)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
19
19
19
19
19
20
20
20
20
20
21
21
21
Pour une température 3 = 45°C :
Durée
(min)
Acidité
(°D)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
19
19
19
20
20
20
27
34
45
55
64
70
78
Pour une température 4 = 80°C
Durée
(min)
Acidité
(°D)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
19
19
19
19
19
19
19
19
19
19
19
19
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Document 5 : Précipitation de la caséine
Le point isoélectrique d’une protéine est la valeur du pH pour lequel la somme des charges électriques présentes sur les
différents groupes caractéristiques de la protéine s’annule. La protéine est alors dénaturée.
Le point isoélectrique de la principale protéine du lait, la caséine, vaut 4,6.
Pour un pH < 4,6 la caséine change de conformation, se déplie et, en solution, précipite. On observe sa coagulation responsable
de la texture du yaourt.
Document 6 : Évolution du pH lors de la fabrication du yaourt dans un atelier de production industrielle
Le graphe suivant donne l’évolution au cours du temps du pH d’un lait ensemencé.
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Exercice II : Le rugby, sport de contact et d’évitement. (9 points).
Le rugby est un sport d’équipe qui s’est développé dans les pays anglo-saxons à la fin du XIXème siècle.
Pour simplifier l’étude, les joueurs et le ballon seront supposés ponctuels.
Les parties 1 et 2 sont indépendantes.
1.
Le rugby, sport de contact
Document 1 : le plaquage
Il y a « plaquage » lorsqu’un joueur porteur du ballon, sur ses pieds dans le champ de jeu, est simultanément tenu par un ou
plusieurs adversaires, qu’il est mis au sol et/ou que le ballon touche le sol. Ce joueur est appelé « joueur plaqué ».
D’après http://www.francerugby.fr/
Un joueur A de masse mA = 115 kg et animé d’une vitesse vA = 5,0 m.s1est plaqué par un joueur B de masse mB = 110 kg et de
vitesse négligeable.
1.1.
1.2.
2.
Dans quel référentiel les vitesses sont-elles définies ?
On suppose que l’ensemble des deux joueurs est un système isolé.
Exprimer, en appliquant la conservation de la quantité de mouvement, la vitesse des deux joueurs liés après l’impact
puis calculer sa valeur
Le rugby, sport d’évitement.
Document 2 : La chandelle
Au rugby, une « chandelle » désigne un coup de pied permettant d’envoyer le ballon en hauteur par-dessus la ligne de défense
adverse. L’objectif pour l’auteur de cette action est d’être au point de chute pour récupérer le ballon derrière le rideau défensif.
D’après http://www.francerugby.fr/
On se place dans le référentiel terrestre supposé galiléen.
Le champ de pesanteur terrestre est considéré uniforme, de valeur g = 9,81 N.kg1.
On négligera toutes les actions dues à l’air.
Le joueur A est animé d’un mouvement rectiligne uniforme de vecteur vitesse ⃗⃗⃗
𝑉1 .
Afin d’éviter un plaquage, il réalise une chandelle au-dessus de son adversaire.
On définit un repère (O, 𝑖, 𝑗) : origine : position initiale du ballon ; vecteur unitaire 𝑖, de même direction et de même sens
que ⃗⃗⃗
𝑉1 ; vecteur unitaire 𝑗 vertical et vers le haut.
À l’instant t = 0 s, le vecteur vitesse du ballon fait un angle α égal à 60° avec l’axe Ox et sa valeur est v0 = 10,0 m.s1.
Le graphique ci-dessous représente la trajectoire du ballon dans le repère choisi.
y
O

x
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2.1.
Étude du mouvement du ballon.
2.1.1.
2.1.2.
Établir les coordonnées ax et ay du vecteur accélération du point M représentant le ballon.
Montrer que les équations horaires du mouvement du point M sont :
x(t) = (v0 . cosα).t et
2.1.3.
y(t) = –
1 2
.g.t + (v0 . sinα).t
2
En déduire l’équation de la trajectoire du point M :
𝑦(𝑥) = −
2.1.4.
2.2.
Le tableau de l’ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE rassemble les représentations graphiques de l’évolution dans
le temps des grandeurs x, y, vx et vy, coordonnées des vecteurs position et vitesse du point M.
Dans le tableau de l’ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE, écrire sous chaque courbe l’expression de la grandeur
qui lui correspond (équation horaire) et justifier.
Une « chandelle » réussie.
2.2.1.
2.2.2.
3.
𝑔
∙ 𝑥 2 + 𝑡𝑎𝑛𝛼 ∙ 𝑥
2(𝑣0 ∙ 𝑐𝑜𝑠𝛼)2
Déterminer par le calcul le temps dont dispose le joueur pour récupérer le ballon avant que celui-ci ne touche le
sol.
Vérifier la valeur obtenue en faisant clairement apparaître la réponse sur l’un des graphes du tableau de
l’ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE.
Déterminer de deux manières différentes la valeur de la vitesse v1 du joueur pour que la chandelle soit réussie.
Le rugby, un sport plein d’énergie.
Dans le cadre de l’étude de la tentative de chandelle vue précédemment, les énergies associées au ballon varient au
cours du temps.
On considère que le ballon n’est soumis qu’à son poids,
3.1.
Calculer les valeurs des énergies cinétiques, potentielles de pesanteur et mécaniques du ballon aux dates t = 0 s, t =
0,9 s et t = 1,8 s.
On considérera que la vitesse initiale v0 du ballon dans ce cas est égale à v0 = 8,63 m.s-1.
La masse du ballon de rugby est égale à mB = 0,500 kg.
Le champ de pesanteur terrestre est considéré uniforme, de valeur g = 9,81 N.kg1.
Après avoir détaillé vos calculs, compléter le tableau suivant que vous rendrez avec votre copie.
Energie
Cinétique
EK = …………………..
Potentielle
Epp = …………………..
Mécanique
Em = …………..
t=0s
t = 0,9 s
t = 1,8 s
3.2.
En vous aidant des graphiques fournis en annexe, dessiner sur le graphique ci-dessous que vous rendrez avec votre
copie, l’allure de l’évolution de l’énergie cinétique, de l’énergie potentielle de pesanteur et de l’énergie mécanique
au cours du temps, en justifiant vos réponses.
Nom :
Prénom :
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ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE
EXERCICE II : Le rugby, sport de contact et d’évitement.
Tableau rassemblant les représentations graphiques de l’évolution dans le temps des grandeurs x, y, v x et vy.
Équation :
Équation :
Justification :
Justification :
Équation :
Équation :
Justification :
Justification :
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Exercice III : La cuisson des viandes. (Avec mes remerciements à Charles pour sa précieuse aide). 5 points.
La cuisson sous vide permet d’obtenir une cuisson uniforme des aliments (viande ou poisson) grâce à une cuisson à basse
température réalisée dans un bain marie. Ainsi un roastbeef cuit au four sera très cuit aux extrémités et saignant à cœur alors
qu’un cuit sous vide à basse température aura la même cuisson partout.
Ce type de technique évite en particulier les réactions de Maillard qui sont responsables de la coloration des viandes.
Celles-ci peuvent engendrer des problèmes pour notre organisme et donc notre santé.
1.
Les réactions de Maillard.
Ces réactions se décomposent en 4 étapes : La condensation de Maillard, le réarrangement d’Amadori, la dégradation de
strecker et les interactions lipide-protéine. Nous n’étudierons que deux de ces étapes.
Lors de la cuisson d’aliments, les acides aminés interagissent avec les sucres, leur rencontre provoque donc une
réaction chimique qui transforme leurs spécificités naturelles.
1.1. La condensation de Maillard.
1.1.1.
1.1.2.
Recopier sur votre copie la molécule de glucose et entourer les différentes fonctions organiques présentent
et donner leurs noms.
La fonction amine formée dans la glycosamine est-elle primaire, secondaire ou tertiaire ?
1.2. La dégradation de Strecker.
Après le réarrangement d’Amadori que nous n’étudierons pas ici, intervient la réaction de dégradation de strecker
qui est schématisée ci-dessous.
1.2.1.
1.2.2.
Il apparait sur certaines de ces molécules la fonction « ènol ». Entourer l’une de ces fonctions. Justifier.
En comparant la constitution atomique de la première et de la dernière molécule, indiquer quelle molécule
a été éliminée et proposée alors un nom à cette suite de réactions.
1.3. Facteurs influençant les réactions de Maillard.
1.3.1.
Influence de la température.
La coloration de la viande est liée au pourcentage
d’acide aminé bloqué par les réactions de Maillard.
Document 1 : Pourcentage d’acide aminé bloqué
en 10 minutes en fonction de la température
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Document 2 : Températures de cuisson d’un filet de bœuf avec ou sans cuisson sous vide.
Cuisson sous vide
(Mesure en profondeur
et en surface)
Cuisson classique
(Mesure en profondeur)
Cuisson classique
(Mesure en surface)
Saignant
50 °C
A point
53°C
Bien cuit
62°C
55°C
60°
75°C
Supérieure à 80°C
Supérieure à 80°C
Supérieure à 80°C
Analyser les documents ci-dessus et écrire une courte synthèse sur l’influence de la température sur les
réactions de Maillard et de l’intérêt de la cuisson sous vide.
1.3.2.
Influence du pH.
On peut lire sur le site http://biochim-agro.univ-lille1.fr/brunissement/co/ch1_I_b_2.html
« La réaction de Maillard est favorisée à pH basique du fait de la réactivité de l'amine libre sous sa forme
basique et de la valeur de son point isoélectrique dans le cas d'un peptide ».
Le point isoélectrique d’un acide aminé est le pH auquel une molécule est sous forme d'ion mixte neutre.
1
Le pH isoélectrique a pour formule pHi = (𝑝𝐾𝑎1 + 𝑝𝐾𝑎2 ) où 𝑝𝐾𝑎1 et 𝑝𝐾𝑎2 sont les pKa des deux fonctions
2
amines et acides carboxyliques présents dans un acide aminé.
La lysine est un acide aminé particulièrement réactif dans les réactions de Maillard.
Dans le cas de la lysine dont la formule est donnée ci-dessous, il a trois fonctions.
Dans ce cas, le pHi est la moyenne des pKa qui entoure la forme à charge nette égale à zéro.
La formule de la lysine est (a) –OOC – CH – (CH2)4 – NH3+ (r)
NH3+ (b)
Les pKa des différentes fonctions sont pKa = 2,2 (a) ; pKa = 9,0 (b) et pKa = 10,5 (r)
Tracer un diagramme de prédominance en écrivant les différentes formes possibles de la lysine en fonction
du pH du milieu et en déduire la valeur du pHi de la lysine.
2.
L’électrophorèse : une technique de séparation des acides aminés.
On a vu précédemment que la lysine comme d’autres acides aminés étaient bloqués par les réactions de Maillard.
Il est donc important de pouvoir isoler ces acides aminés afin d’étudier leurs comportements.
L'électrophorèse est une méthode de séparation de particules chargées électriquement par migration différentielle
sous l'action d'un champ électrique crée par une tension UPN.
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Principes de la migration électrophorétique : la migration dépend de plusieurs facteurs :
-
Un acide aminé de charge électrique Q, placé dans un champ électrique 𝐸⃗ , est soumis à une force 𝐹 qui l'entraîne vers
l'électrode de signe opposé.
Des forces de frottement 𝑓 , dues à la viscosité du milieu 𝜂, s'opposent à la migration de l’acide aminé, et ce d'autant
plus que l’acide aminé est gros (r = rayon) et que la vitesse de migration (v) est grande.
La charge Q est fonction du pH isoélectrique de la particule et du pH du solvant : on appelle pH isoélectrique d'une
particule (pHi) le pH pour lequel cette particule ne migre pas dans un champ électrique.
1.
2.
3.
4.
5.
3.
Rappeler l’expression qui lie la force électrostatique que subit une particule de charge Q au champ électrique.
Indiquer les unités de chaque grandeur.
Représenter sur le schéma simplifié ci-dessous que vous recopierez, le champ électrique crée au niveau de la
bande sans soucis de grandeur.
Dans le cas d’un acide aminé chargé négativement placé au milieu de la bande, représenter la force électrique qui
s’exerce sur lui.
Donner l’expression du travail de cette force en rappelant les unités de chaque grandeur.
Dans quel sens migrera un acide aminé placé dans un milieu dont le pH est nettement inférieur à son pHi. Justifier
votre réponse.
Les dispositifs de mise sous vide.
Il existe plusieurs sortes de machines sous vide dont la machine à cloche.
La machine à cloche. Le sac est placé sous la cloche, hermétiquement fermé par
la barre à soudure mais pas encore soudé. La machine fait ensuite le vide autour
du sac. Une fois le vide fait, la fermeture hermétique est relâchée afin que l’air
contenu dans le sac en parte. Ensuite, le sac est soudé. Ce type de machine permet
de mettre des liquides sous vide ce que ne peut pas faire la machine à aspiration
d’air car le mécanisme absorberait le liquide et noierait la machine. Cependant
ce type de machine est très cher ce qui en fait un outil utilisé exclusivement par les
professionnels.
1.
2.
3.
Rappeler comment évolue la température d’ébullition d’un liquide lorsque la pression diminue.
Dans le cas de la machine à cloche à température constante, si le vide effectué était très poussé, sous quelle forme
se retrouverait le liquide ?
Il existe une relation liant la pression, la température et le volume. Il s’agit de la relation des gaz parfaits.
Elle s’écrit PV = nRT
Grandeurs physiques
Pression
Volume
Quantité de matière
Température
Energie
unité
Pascal
Mètre cube
mol
Kelvin
Joule
Expression en unité de base
kgm-1s-2
m3
mol
K
kgm2s-2
Déterminer par analyse dimensionnelle utilisant les unités de base, l’unité la plus simple de la constante des gaz
parfaits dont la valeur est R = 8,314 462 S.I.
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