Brevet 2021 Sciences : sujet et corrigé

EXERCICE : AQUARIOPHILIE

Pour le bien-être des poissons élevés en aquarium, deux paramètres sont importants : l’oxygénation de l’eau et son pH.

Partie 1 - Choisir la pompe à air.

Pour permettre l’oxygénation de l’eau et assurer la survie des poissons, on utilise une pompe à air.
Lors d’une expérience, on mesure les caractéristiques électriques d’une pompe à air. On obtient les résultats suivants, en utilisant les symboles classiques : $U=12\text{ V}$ et $I=0,15\text{ A}$.

Question 1 (3 points) :
Donner la valeur de la tension électrique aux bornes de la pompe.

Question 2 (3 points) :
Parmi les deux montages ci-dessous utilisant un générateur, un voltmètre et un ampèremètre, indiquer, sur la copie, le numéro du montage permettant de mesurer $U$ et $I$. Justifier la réponse.

(Schémas des montages : le Montage 1 présente le voltmètre en dérivation aux bornes de la pompe et l'ampèremètre en série ; le Montage 2 présente l'ampèremètre en dérivation aux bornes de la pompe et le voltmètre en série)

Question 3 (3 points) :
Calculer la puissance de la pompe à air en watts (W) en utilisant la formule :
$$P=U\times I$$

Voici quelques recommandations concernant le choix de la pompe à air en fonction du volume de l’aquarium.

Source : https://www.aquariophilie-pratique.net

Question 4 (3 points) :
Indiquer, à l’aide du document ci-dessus, si la pompe à air étudiée est adaptée à un aquarium de volume 300 L. Justifier la réponse.

Partie 2 - Le contrôle du pH de l’eau

Le pH de l’eau d’un aquarium est un indicateur très important à surveiller.

Question 5 (2 points) :
Nommer un dispositif permettant d’estimer la valeur du pH de l’eau.

Question 6 (5 points) :
Proposer un protocole expérimental permettant d’estimer la valeur du pH de l’eau d’un aquarium. Détailler le matériel utilisé et les étapes de la manipulation. On pourra s’aider de textes ou de schémas.

Le pH de l’eau d’un aquarium est de 7,8.

Question 7 (3 points) :
Préciser si l’eau de l’aquarium est acide ou basique. Justifier la réponse.

Selon l’espèce de poissons, les recommandations de pH ne sont pas les mêmes.

Source : https://www.zooplus.fr

Question 8 (3 points) :
Indiquer quelles espèces de poissons parmi celles citées dans le tableau pourraient vivre dans cet aquarium.

L’ÉOLIENNE

Une éolienne produit de l'électricité grâce à la force du vent, source d'énergie renouvelable et inépuisable.
En haut du mât de l'éolienne, la nacelle s'oriente automatiquement pour être toujours face au vent. Ce changement d’orientation est effectué à l'aide de trois moteurs et d'engrenages. L'hélice, généralement composée de 3 pales, tourne sous l'effet d'un vent d'au moins 10 km/h. La figure 1 présente l’intérieur de la nacelle :

Légende de la Figure 1 :

1. Calculateur
2. Girouette et Anémomètre
3. Moteurs hydraulique d'orientations
4. Pales
5. Axe lent
6. Multiplicateur de vitesse
7. Axe rapide
8. Alternateur
9. Frein de sécurité
10. Vérin d'orientation des pales

Quand les vents dépassent 90 km/h, pour des raisons de sécurité, l'hélice s'arrête automatiquement de tourner. Le dispositif de sécurité est piloté par un programme qui donne l’ordre d’orienter les pales afin qu’elles n’offrent plus de prise au vent.
À l'intérieur de la nacelle, l'hélice entraine un axe. Sa fréquence de rotation étant insuffisante, un multiplicateur l'augmente jusqu'à 1500 tr/min pour faire tourner un alternateur. C'est lui qui produit alors le courant électrique.

Question 1 (6 points) :
Expliquer pourquoi l’énergie électrique produite par une éolienne est considérée comme une énergie renouvelable.

Question 2 (4 points) :
À partir des affirmations indiquées sur le document réponse n°1, identifier les raisons pour lesquelles les éoliennes ne peuvent pas être la seule source de production d’énergie.
(Extrait du document réponse n°1 : Cocher les affirmations exactes parmi : Le vent n’est pas toujours régulier ; Les éoliennes ne peuvent pas être installées partout ; Les éoliennes ne peuvent pas fonctionner la nuit ; L’air de la mer ne permet pas à l’éolienne de fonctionner.)

La figure 2 illustre une représentation simplifiée de l’intérieur de la nacelle. Entre l’axe lent relié aux pales et l’axe rapide relié à l’alternateur, il y a un multiplicateur composé d’engrenages.

• Axe lent : 30 tours/minute
• Axe rapide : 1500 tours/minute

La figure 3 représente l’engrenage constituant le multiplicateur (Pignon 1 sur l'axe d'entrée, Pignon 2 sur l'axe de sortie).

Question 3 (5 points) :
À partir des propositions figurant sur le document réponse n°1 indiquer :
• le sens de rotation du pignon 2 par rapport au pignon 1 (Sens identique ou Sens opposé) ;
• si le pignon 2 tourne plus vite ou moins vite que le pignon 1.

Question 4 (4 points) :
• À partir des valeurs données sur la figure 2, indiquer les fréquences de rotation en entrée et en sortie du multiplicateur (à noter sur le document réponse n°1).
• À l’aide de la formule ci-dessous, calculer la valeur du rapport de multiplication :
$$\text{Rapport de multiplication}=\frac{\text{Freˊquence de rotation de sortie}}{\text{Freˊquence de rotation d’entreˊe}}$$

Pour orienter correctement la nacelle par rapport au vent, un anémomètre et une girouette mesurent la vitesse et l’orientation du vent. Les informations sont transmises à un calculateur. L’éolienne se met en sécurité quand la vitesse du vent dépasse 90 km/h.

Question 5 (6 points) :
Compléter l’algorigramme (Figure 5 sur le document réponse n°2) en vous aidant des indications fournies.
Liste des indications à replacer :

• Autoriser le fonctionnement normal
• Vitesse du vent > 90km/h ?
• Mettre en sécurité l’éolienne