Brevet 2021 Sciences : sujet et corrigé

PHYSIQUE-CHIMIE – Durée 30 minutes – 25 points

Toute réponse, même incomplète, montrant la démarche de recherche du candidat sera prise en compte dans la notation.

La neige

Trois conditions sont nécessaires à la formation de la neige : l’atmosphère doit être suffisamment humide ; la température doit être suffisamment basse ; des particules solides doivent être présentes dans l’air.

Document 1 : croissance d’un flocon de neige

À l’origine de la croissance d’un flocon de neige se trouve une minuscule gouttelette d’eau d’un rayon d’environ $10\mu m$. La solidification de la gouttelette en un noyau de glace (aussi appelé noyau de condensation) est engendrée par la présence de fines particules solides. Ensuite, les molécules d’eau présentes dans l’atmosphère se fixent à la surface du noyau de condensation. Ainsi, le flocon de neige croît jusqu’à atteindre une taille de l’ordre du millimètre.

Les flocons de neige possèdent six branches car les molécules d’eau dans la glace s’organisent à l’échelle microscopique selon une structure cristalline hexagonale.

• Flocon de neige (Image)
• Structure cristalline hexagonale de la glace (Schéma moléculaire)

Question 1 (4 points) : donner la formule chimique de la molécule d’eau et décrire sa composition.

Question 2 (4 points) : classer par ordre de taille croissante les trois « objets » suivants : flocon de neige ; molécule d’eau ; atome d’oxygène.

Question 3 (3 points) : d’après certaines observations, il semblerait que les précipitations de neige soient plus fréquentes dans les grandes villes que dans les campagnes environnantes. Parmi les propositions suivantes, identifier l’hypothèse qui permettrait d’expliquer cela.
(Ne pas recopier la proposition choisie mais indiquer uniquement la lettre correspondante sur la copie).
A. Les températures sont plus élevées en ville qu’à la campagne.
B. L’air atmosphérique est plus chargé d’humidité à la campagne.
C. L’air atmosphérique des villes est plus pollué, notamment en particules solides.
D. L’air atmosphérique des villes est plus riche en dioxyde de carbone.

Question 4 (14 points) : lorsque les précipitations de neige sont importantes, l’effondrement d’une toiture est possible. Ainsi, le toit de l’abri de bus représenté sur le document 2 n’est pas capable de supporter un poids supérieur à $2000\text{ N}$.
En exploitant le document 2, et en effectuant les calculs nécessaires, indiquer si ce toit d’abri de bus peut résister à une épaisseur de neige fraîche de $50\text{ cm}$.

Données :

• Volume d’un pavé droit = $\text{longueur}\times \text{largeur}\times \text{hauteur}$
• Masse volumique de la neige fraîche : $40{\text{ kg/m}}^3$
• Intensité de la pesanteur sur Terre : $g=10\text{ N/kg}$

Document 2 : dimensions de l’abri de bus

(Schéma montrant un abri de bus avec les dimensions suivantes :)

• Longueur du toit : $3,6\text{ m}$
• Largeur du toit : $1,6\text{ m}$
• Hauteur de l'abri : $2,2\text{ m}$

SCIENCES DE LA VIE ET DE LA TERRE – Durée 30 minutes – 25 points

Madame X ne prend plus de moyen de contraception depuis deux ans mais ne parvient pas à avoir d’enfant. Elle et son conjoint décident de consulter une équipe médicale spécialisée. Les examens montrent que le conjoint de Madame X ne présente pas d’anomalie de fertilité.

Document 1 - Le taux de fertilité féminin selon les tranches d’âges.

La fertilité désigne la capacité pour un individu à se reproduire et obtenir une descendance viable. On parle d’infertilité en cas de difficulté à avoir un enfant. Ce serait peut-être le cas de Madame X qui a 42 ans.

Question 1 (6 points) : en utilisant des données chiffrées significatives, décrire l’évolution du taux de fertilité féminin en fonction de l’âge et déterminer le taux de fertilité de Madame X.

Document 2 - Examen radiographique de l’appareil reproducteur féminin

L’hystérographie est un examen qui permet de visualiser l’utérus et les trompes de Fallope grâce à un produit injecté dans l'utérus via une sonde. Le produit va se diffuser à partir de l’utérus jusqu’aux ovaires, en passant par les trompes.
Lorsque les trompes sont « bouchées », le produit utilisé lors de l’examen n’arrive pas jusqu’aux ovaires. Dans ce cas, les trompes et les ovaires ne sont pas visibles sur l’hystérographie.

Hystérographies d’une femme fertile (à gauche) et de la patiente, madame X (à droite)
(Le cliché de Madame X montre l'utérus mais les trompes et les ovaires ne sont pas visibles)

Question 2 (6 points) : à l'aide du document 3 et de vos connaissances, expliquer l’origine de l’infertilité de Madame X.

Document 3 - Définition : qu'est-ce que la PMA ?

La procréation médicalement assistée (PMA), consiste à manipuler un ovule et/ou un spermatozoïde pour favoriser l’obtention d’une grossesse. Elle permet de résoudre certaines difficultés à concevoir, sans nécessairement traiter la cause de l’infertilité.

L’une des techniques de PMA est l'insémination artificielle qui consiste à introduire artificiellement le sperme du conjoint ou d'un donneur au niveau du col de l'utérus ou dans la cavité utérine de la femme pour aboutir à la fécondation d'un ovule. Une autre technique de PMA est la fécondation in vitro (FIV) qui consiste à recueillir ovules et spermatozoïdes, à procéder à une fécondation artificielle pour ensuite introduire le(s) embryon(s) obtenu(s) dans l'utérus de la femme.

En 2015 en France, $3,1\%$ des enfants sont nés grâce à une PMA, soit une naissance sur 32 environ.

Schéma de deux méthodes de procréation médicalement assistée (PMA)

• Insémination artificielle : Introduction du sperme dans la cavité utérine.
• Fécondation in vitro (FIV) : 1. Stimulation ovarienne, 2. Ponction folliculaire, 3. Mise en fécondation (pipette, spermatozoïde, ovule), 4. Développement embryonnaire, 5. Transfert embryonnaire dans l'utérus.

Question 3 (4 points) : répondre aux questions sur l’annexe 1 page 6 (à rendre avec la copie).

(Contenu de l'ANNEXE 1)
1.1. Lors d’une insémination artificielle, la fécondation, c’est-à-dire la rencontre entre le spermatozoïde et l’ovule a lieu :

• ☐ dans l’utérus,
• ☐ au niveau des trompes, proche de l’ovaire,
• ☐ à l’extérieur de l’organisme féminin.

1.2. Lors d’une Fécondation In Vitro, l’embryon obtenu est ensuite placé :

• ☐ dans l’utérus,
• ☐ dans l’ovaire,
• ☐ dans les trompes.

1.3. Lors d’une Fécondation In Vitro, la fécondation a lieu :

• ☐ dans l’utérus,
• ☐ dans l’ovaire,
• ☐ à l’extérieur de l’organisme féminin.

1.4. En 2015, le pourcentage d’enfants nés en France grâce à la PMA est de :

• ☐ $0,31\%$,
• ☐ $3,1\%$,
• ☐ $31\%$.

Question 4 (9 points) : à l'aide des documents, proposer parmi les deux techniques de PMA, celle qui permettrait à Madame X d’avoir un enfant. Justifier votre raisonnement.