Brevet 2023 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.

Écholocation chez les grands dauphins

Les grands dauphins sont capables de produire et de capter un signal sonore grâce à différents organes situés dans leur tête.

Le signal sonore est émis par les muscles de l'évent, puis amplifié par le melon. Il se propage dans l'eau et peut être réfléchi par un obstacle tel qu’un banc de poissons. La mâchoire inférieure du dauphin reçoit le signal réfléchi et le transfère à l'oreille interne.

Dans l’oreille interne, des cellules spécifiques, appelées cellules ciliées se déplacent sous l’action du signal sonore. Ce mouvement des cellules ciliées entraîne la création d’un courant électrique transmis au cerveau via le nerf auditif. C’est ainsi que le dauphin peut localiser le banc de poissons, on parle d’écholocation.

Données :

• Domaines de fréquences des signaux sonores pour l’être humain :

  • Infrasons : $<20\text{ Hz}$
  • Sons audibles : entre $20\text{ Hz}$ et $20000\text{ Hz}$
  • Ultrasons : $>20000\text{ Hz}$

• La vitesse du son dans l’océan varie en fonction de la profondeur. Le tableau suivant regroupe quelques valeurs.

Question 1 (2 points) : parmi les propositions suivantes, identifier celles qui sont exactes. (Ne pas recopier les propositions choisies mais indiquer uniquement les lettres correspondantes sur la copie).
a- L'oreille interne du grand dauphin émet des signaux sonores.
b- Le grand dauphin est capable d'émettre des signaux sonores.
c- Le grand dauphin est capable de capter des signaux sonores.
d- Un signal sonore dans l’océan se propage plus vite à $400\text{ m}$ de profondeur qu’à $50\text{ m}$.

Question 2 (3 points) : indiquer si un signal de fréquence $50\text{ kHz}$ émis par un grand dauphin peut être entendu par un plongeur évoluant à proximité. Justifier.

Une conversion d’énergie se produit dans l’oreille interne du grand dauphin.

Question 3 (3 points) : recopier le schéma suivant et compléter les pointillés afin de représenter cette conversion d’énergie dans l’oreille interne du grand dauphin.
.......... $⟶$ [ Oreille interne ] $⟶$ ..........

La courbe suivante indique le seuil de perception sonore d’un grand dauphin en fonction de la fréquence du signal. Le seuil de perception est le niveau sonore minimal, exprimé en décibels (dB), pour qu'un signal soit perçu.

(Graphique : Seuil de perception (dB) en fonction de la Fréquence (Hz) allant de $20\text{ Hz}$ à $200000\text{ Hz}$)

Question 4 (4 points) : indiquer si pour une fréquence inférieure à $20\text{ kHz}$, un grand dauphin perçoit plus facilement les signaux de faible fréquence ou les signaux de haute fréquence. Justifier.

Le sonar d’un navire émet un signal de fréquence $20\text{ kHz}$, dont l’intensité sonore est de $70\text{ dB}$, lorsqu’il parvient à un groupe de grands dauphins.

Question 5 (4 points) : en exploitant le graphique précédent, montrer que ce signal peut perturber le groupe de dauphins.

Question 6 (3 points) : parmi les relations suivantes, recopier celle qui permet de calculer la vitesse d’une onde sonore. Préciser ce que représentent $t$ et $d$.
$$v=\frac{d}{t}$$
$$v=\frac{t}{d}$$
$$v=d\times t$$

Un grand dauphin nageant à $100\text{ m}$ de profondeur émet un signal sonore. Il localise ainsi un banc de poissons évoluant à la même profondeur grâce à un signal reçu $106\text{ ms}$ après l’avoir émis.

Question 7 (6 points) : déterminer la distance séparant le grand dauphin du banc de poissons.

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

Le Chili, une région sismique

Le 16 septembre 2015, un très fort séisme s’est produit au Chili entraînant l’évacuation de plus d’un million de personnes. L’épicentre a été localisé près de Coquimbo.

Document 1 : carte de la répartition des séismes
Document 2 : carte des limites de plaques lithosphériques

Question 1 (6 points) : à partir du document 2 et des connaissances, expliquer pourquoi il existe de nombreux séismes dans la région de Coquimbo.

Le GPS (Géo-Positionnement par Satellite) est un système qui fournit la position d’un récepteur à la surface de la Terre. Ce système peut être utilisé pour suivre le mouvement des plaques au cours du temps.

Document 3 : mouvement des plaques lithosphériques dans la région étudiée.
(Carte montrant la plaque Nazca se déplaçant vers l'Est et la plaque Sud-Américaine se déplaçant vers l'Ouest)

Document 4 : un modèle pour comprendre l’origine d’un séisme
La plaque de polystyrène peut représenter une plaque lithosphérique. Les serre-joints exercent une pression.
1 – On fixe le capteur et le serre-joint.
2 – La plaque se déforme.
3 – La plaque se rompt.
Relié à un ordinateur, le capteur permet de réaliser un enregistrement à l’aide du logiciel Audacity.

Voici l’enregistrement obtenu au cours de la modélisation :
(Graphique montrant l'amplitude des ondes en fonction du temps en secondes, avec une rupture nette vers $0,16\text{ s}$)

Question 2 (9 points) : répondre à la question sur l’annexe page 8/8 (à rendre avec la copie).

Document 5 : schéma de la tectonique des plaques dans la région de Coquimbo
(Schéma montrant l'enfoncement de la lithosphère océanique sous la lithosphère continentale, avec localisation des foyers sismiques le long de la zone de contact)

Question 3 (10 points) : à l’aide de l’ensemble des documents, expliquer l’enchaînement des évènements à l’origine des séismes dans la région de Coquimbo.

ANNEXE (à rendre avec la copie)

Question 2 (9 points) : en utilisant les documents 3 et 4, cocher la bonne réponse pour chaque proposition.

2.1. D’après le document 3, dans la région de Coquimbo, les plaques tectoniques :
☐ s’écartent,
☐ se rapprochent.

2.2. D’après le document 4, les vibrations enregistrées à l’aide du logiciel Audacity sont dues :
☐ à la rupture de la plaque de polystyrène,
☐ à l’installation du serre-joint sur la plaque de polystyrène en début de l’expérience,
☐ à la déformation de la plaque de polystyrène.

2.3. D’après les documents 3 et 4, les forces exercées par le serre-joint représentent dans la réalité :
☐ des contraintes* de convergence (allant l’une vers l’autre) exercées sur la plaque,
☐ des contraintes verticales exercées sur la plaque,
☐ des contraintes de divergence (s’éloignant l’une de l’autre) exercées sur la plaque.

*Contrainte : pression exercée sur…