Brevet 2023 Sciences : sujet et corrigé

PREMIÈRE PARTIE : Technologie
Durée 30 min - 25 points

La ruche connectée

La ruche connectée est une ruche traditionnelle, dotée de plusieurs capteurs et alarmes, dont les informations sont communiquées vers l’extérieur : température, pression atmosphérique, hygrométrie de l’air, masse de la ruche, etc… Ces données sont communiquées et mises à disposition de l’apiculteur via son smartphone ou son ordinateur.

Les données transmises et enregistrées permettent à l’apiculteur de suivre la vie et les besoins de ses abeilles, en évitant les déplacements longs et couteux en énergie. Par exemple :

• les informations concernant l’humidité et la température signalent la nécessité de donner à boire aux abeilles ;
• l’information concernant l’ouverture du capot de la ruche signale la visite d’un apiculteur ou une tentative de « braconnage » ;
• l’information concernant le niveau de charge de la batterie signale la bonne alimentation par les panneaux solaires ;
• l’information concernant la masse de la ruche témoigne de la présence de la colonie et de la quantité de miel produit ;
• les informations concernant la pression atmosphérique et l’humidité préviennent d’un changement météorologique sur le site.

Question 1 (5 points) : Analyse de la ruche connectée

Relier dans le tableau ci-après, en traçant 7 traits, chaque fonction technique de l’objet étudié avec sa solution technique associée. (Dans l’exemple déjà tracé, la fonction technique « Doit abriter la colonie d’abeilles » est reliée à sa solution technique « La ruche »)

Questions 2 (8 points) : Étude de la chaîne d’information

Les capteurs de la ruche transmettent par l’intermédiaire du système LoRa One (ondes électromagnétiques) les données vers un serveur internet. Une fois ces données stockées sur le serveur, l’apiculteur pourra les récupérer sur son smartphone en se connectant à Internet partout où il capte du réseau 3G.

Question 2-1 : Entourer, parmi les 3 schémas proposés (A – B – C), celui montrant le flux d’informations des données de la ruche connectée vers le smartphone de l’apiculteur, comme décrit précédemment.

• Schéma A : Flux de la ruche vers l'antenne LoRa, puis vers le serveur, puis du serveur vers l'antenne 3G, puis de l'antenne 3G vers le smartphone.
• Schéma B : Flux de la ruche vers le serveur, puis du serveur vers le smartphone, et du smartphone vers l'antenne 3G.
• Schéma C : Flux bidirectionnels entre tous les éléments.

Question 2-2 : Tracer sur le schéma ci-contre les flèches décrivant le flux d’informations déclenché lorsque l’apiculteur déclare sur l’application de son smartphone qu’il va intervenir et travailler sur sa ruche.
Remarque : cette information est nécessaire dans la gestion des alarmes de la ruche.

Questions 3 (6 points) : Étude du capteur de température

Un capteur mesurant la température est implanté à l’intérieur de la ruche. Sur la carte électronique un composant (du type DS18B20) participe à la transmission 3 fois par jour (à minuit, 8:00 et 16:00) du relevé de cette température de la ruche. L’information est transmise sous la forme d’un mot binaire représentant (la date - l’heure - la température). Une partie de ce mot binaire est communiquée dans le tableau ci-après.

Question 3-1 : Recopier sur les pointillés, à partir du tableau ci-dessus :

• la partie du mot binaire transmis par le capteur le 03/05/2023 à 16h00 ;
• sa température associée.

Mot binaire : ...... ...... ...... Température : ......${}^{\circ }\text{C}$

Question 3-2 : Compléter le chronogramme de la trame du signal (envoyée le 04/05/2023 à 08:00 par la ruche connectée) correspondant à la partie du mot binaire 0001 0101 1110, comme tracé ci-dessous.
(Un graphique avec des axes Tension (+5V / 0V) et Temps est fourni, les quatre premiers bits 0, 0, 0, 1 sont déjà tracés).

Questions 4 (6 points) : Étude de la programmation de l’alarme

La ruche est équipée d’un système d’alarme permettant de prévenir l’apiculteur dès que le capot de la ruche est en position ouverte.

Question 4-1 : Compléter les 3 parties vierges de l’organigramme ci-après en choisissant parmi les évènements (E1 à E4) et les actions (A1 à A4) proposés. Celui-ci décrit la programmation de l’alarme du capot.

Énoncé de l’algorithme : Si « ouverture du capot » et si « apiculteur ne visite pas la ruche » alors « Envoyer un message d’alarme à l’apiculteur ».

(L'organigramme commence par DEBUT, suivi d'un premier losange de test (non -> boucle, oui -> suite), puis d'un second losange de test (non -> action, oui -> FIN), et se termine par FIN).

Question 4-2 : Choisir en les entourant clairement, le (ou les) bon(s) programme(s) parmi les 4 solutions proposées (A, B, C et D), après lecture attentive de l’extrait du cahier des charges.

Extrait du cahier des charges de l’alarme
Cette alarme prévient l’apiculteur, si un voleur dérobe le miel par ouverture du capot supérieur ou si la ruche vient à se renverser (vent violent, percution avec des animaux) provoquant alors l’ouverture du capot.

• Solution A : si Le capot est ouvert ? alors { si Ce n'est pas l'apiculteur ? alors { Déclencher l'alarme } }
• Solution B : si Le capot est ouvert ? alors { si C'est l'apiculteur pour une visite ? alors { Déclencher l'alarme } }
• Solution C : si Le capot est ouvert ? alors { Déclencher l'alarme } ; si Le vent a basculé la ruche ? alors { Déclencher l'alarme }
• Solution D : si C'est l'apiculteur pour une visite ? alors { si Le capot est ouvert ? alors { Déclencher l'alarme } }

DEUXIÈME PARTIE : Physique-Chimie
Durée 30 min - 25 points

Le dauphin et les plastiques

La Nouvelle-Calédonie abrite une biodiversité remarquable en mammifères marins dans ses eaux. Les dauphins représentent la famille de mammifères marins prédominante avec plus de 10 espèces recensées.
Les dauphins se nourrissent principalement de poissons du lagon. Pour repérer leurs proies, ils utilisent l’écholocalisation, un principe similaire à celui du sonar. Ils émettent des sons puis détectent leurs échos (sons réfléchis par un obstacle).
Pour situer précisément la position du poisson, le dauphin peut émettre un son dont la fréquence est de $50000\text{ Hz}$.

Document 1 : domaine de fréquence des sons
(Schéma montrant : Infrasons < 20 Hz ; Sons audibles par l'Homme entre 20 Hz et 20 000 Hz ; Ultrasons > 20 000 Hz)

Question 1 (4 points) : Indiquer si le son émis par le dauphin pour situer précisément la position du poisson peut être entendu par l’oreille humaine. Justifier la réponse.

Le son produit par le dauphin est réfléchi par le poisson. Le son fait un aller-retour entre le dauphin et le poisson.
La vitesse du son dans l’eau a une valeur de $1500\text{ m/s}$.

Document 2 : relation liant la vitesse v, la distance d et la durée t
$$d=v\times t$$
avec :

• $d$ : distance parcourue exprimée en mètre (m)
• $v$ : vitesse exprimée en mètre par seconde (m/s)
• $t$ : durée exprimée en seconde (s)

Question 2 (6 points) : Calculer la distance qui sépare le dauphin et le poisson lorsque le son met $t=0,2\text{ s}$ pour faire l’aller-retour entre le dauphin et le poisson. Détailler le calcul et préciser l’unité.

À la surface des océans, les déchets en plastique ne cessent de s'accumuler, menaçant de mort les dauphins, qui comme les tortues et les oiseaux, confondent les sacs plastiques avec leurs proies habituelles.
Pour protéger la faune locale, il faut nettoyer les océans en collectant les plastiques qui dérivent à la surface. C’est ce que font certains bateaux comme Ocean Cleanup qui collecte jusqu’à 50 tonnes de déchets par jour.
Seuls les plastiques flottants à la surface de l’eau peuvent être collectés. Pour qu’une substance flotte dans l’océan, il faut que sa masse volumique soit inférieure à celle de l’eau de mer.

Document 3 : la masse volumique
La masse volumique d’un solide ou d’un liquide correspond à sa masse par unité de volume. Pour déterminer la masse volumique d’un liquide, on peut déterminer la masse qui correspond à un litre de ce liquide.

Question 3 (4 points) : Compléter le protocole de l’expérience permettant de déterminer la masse volumique de l’eau de mer en utilisant les termes de la liste suivante :
Plaque chauffante – 1000 – 100 – 10 – éprouvette graduée – lampe – balance électronique – TARE – pipette
Certains termes peuvent être utilisés plusieurs fois, tous les termes ne sont pas à utiliser.

• Placer une ................................................... vide de $100\text{ mL}$ sur une ................................................... allumée
• Appuyer sur la touche ........................ de la ...................................................
• Remplir l’................................................... avec de l’eau de mer jusqu’à la graduation ........................ mL
• Noter la masse des ........................ mL d’eau de mer
• Multiplier la masse par ........................ pour trouver la masse correspondante à $1\text{ L}$ d’eau de mer

Document 4 : masse volumique de quelques matières plastiques

L’eau de mer a une masse volumique de $1,030\text{ kg/L}$ en moyenne.

Question 4 (5 points) : Donner les noms des matières plastiques (abréviations acceptées) qui peuvent être collectées par les bateaux comme Ocean Cleanup à l’aide du document 4. Expliquer le raisonnement.

Pour combattre la pollution plastique, les scientifiques développent des nouvelles matières plastiques appelées « bioplastiques » comme les PHA (polyhydroxyalcanoates).
Les PHA sont fabriqués à partir de ressources renouvelables, ils sont compostables et se dégradent totalement en milieu aquatique en quelques années. Ces bioplastiques représentent une alternative pour la fabrication de nombreux emballages.
En fonction des conditions (pH, taux de dioxygène, activité microbienne…), la dégradation des PHA libère de l’eau, du dioxyde de carbone et du méthane.

Document 5 : extrait du tableau périodique des éléments chimiques
(Extrait montrant : H (Hydrogène, 1), He (Hélium, 2), Li (Lithium, 3), Be (Béryllium, 4), B (Bore, 5), C (Carbone, 6), N (Azote, 7), O (Oxygène, 8), F (Fluor, 9), Ne (Néon, 10), Na (Sodium, 11), Mg (Magnésium, 12), Al (Aluminium, 13), Si (Silicium, 14), P (Phosphore, 15), S (Soufre, 16), Cl (Chlore, 17), Ar (Argon, 18))

La molécule de méthane a pour formule chimique $C{H}_4$.

Question 5 (3 points) : Donner le nom et le nombre de chaque atome présent dans la molécule de méthane.

Question 6 (3 points) : Expliquer quel problème environnemental est posé par la production de dioxyde de carbone et de méthane lors de la dégradation des PHA.