Mathématiques, mine de sel, bac STI2D Réunion 2023.

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Question 1 Simplifier l’écriture de l’expression suivante :
A(x) = −ln(9) + 2 ln(3x).
A(x) = - ln(32) + ln((3x)2) =ln [(3x / 3)2]= ln(x2) = 2 ln(x).

 Question 2. Le plan complexe est rapporté à un repère orthonormé. Le point M d’affixe zM vérifie les conditions suivantes :
M appartient au cercle de centre O et de rayon 6 ;
 la partie réelle de zM est négative ;
 la partie imaginaire de zM est égale à 3.
1. Soit q la mesure dans [0 ; 2p[ de l’argument du nombre complexe zM. Déterminer sin(q).
Module de zM = 6. ; sin q = 3 /6 =0,5.
 2. À l’aide du demi-cercle trigonométrique ci-dessous, donner la valeur exacte de q. Justifier.

La partie réelle de zM étant négative et  sin q = 0,5 : q = 5 p /6.
3. En déduire l’écriture exponentielle de zM.
zM = 6 exp ( 5p i / 6).

Question 3 Soit 𝑓 la fonction définie sur R par f(x)) = e 0,01x − 2.
On admet que la fonction f est croissante sur R.
1. On cherche à déterminer le plus petit entier naturel N qui vérifie f(N) > 98. Recopier et compléter la ligne 4 de l’algorithme ci-dessous écrit en langage Python afin que celui-ci détermine la valeur de N.
from math import*
def seuil();
n=0; y=-1
while  y <= 98 :
n=n+1
y = exp(0,01*n)-2
return n

 2. Résoudre algébriquement dans R l’inéquation f(x) > 98.
exp(0,01x) -2 > 98 ; exp(0,01 x) > 100 ; 0,01 x > ln(100).
x > ln(100) / 0,01 ; x > 100 ln(100).

 Question 4 On injecte dans la circulation sanguine d’un patient une solution contenant un marqueur afin de réaliser une exploration de la thyroïde. La concentration dans le sang en µg ∙ mL−1 , après injection, est modélisée par la fonction f définie sur [0 ; +∞[ par f(t) = 7,88t2e −0,75t , où t est le temps exprimé en heure. On admet que la fonction f est dérivable sur [0 ; +∞[ et que sa dérivée f  ′ vérifie : f '(t) = t(−5,91t + 15,76)e −0,75t .
1. Dresser le tableau de variations de la fonction f. On ne demande pas la limite en +∞.
t exp(-0,75 ) étant positif, le signe de la dérivée est celui de -5,91 t +15,76.

 2. L’examen doit être effectué lorsque la concentration dans le sang du marqueur est maximale. Justifier que l’examen doit être réalisé entre 2 et 3 heures après l’injection.
Le maximum se situe à t ~2,67, valeur appartenant à [2 ; 3 ].

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Mine de sel.
Mine de sel La mine de sel de Varangéville, située dans la région Grand Est, est la dernière mine en activité en France métropolitaine. À Varangéville, les galeries d’exploitation sont constituées d’un maillage de piliers en sel qui soutiennent et sécurisent le toit de la mine. Chaque puits de la mine est soigneusement protégé des infiltrations d’eau.
Les galeries de la mine de sel se situent à 160 m sous la terre. Pour y accéder, les mineurs utilisent une cage d’ascenseur qui descend dans le puits Saint Jean-Baptiste. Cette cage surmonte un skip (haute boîte en aluminium qui sert au transport du sel). Un deuxième ensemble identique (cage + skip) contrebalance le premier. Lorsqu’un skip arrive à la recette jour chargé de sel, l’autre arrive simultanément à la recette fond. La vitesse du dispositif est adaptée à l’usage qui en est fait. Pour le sel, la vitesse maximale est de 7,0 m /s alors qu’elle n’est que de 4,0 m /s pour les mineurs.
1. Expliquer pourquoi l’arrivée d’eau au niveau des galeries serait un réel danger pour la sécurité de la mine.
Le sel se dissout facilement dans l'eau.
On s’intéresse à la remontée du sel depuis le fond de la mine.
2. Sachant que la capacité du skip est de 1,85 m3 , déterminer la masse de sel gemme que transporte un skip.
Masse volumique du sel : 2,16 kg / L.
m = 2,16 x 1,85 103=3996 kg ~ 4,0 tonnes.
 Pour simplifier, on considère que la masse du skip est négligeable par rapport à la masse du chargement de sel qu’il contient. On négligera également tous les frottements. Par la suite, on considèrera le système {skip + chargement de sel}.
3. Faire l’inventaire des forces qui s’exercent sur le système et les représenter sur un schéma sans souci d’échelle.
Le système est soumis à son poids, verticale vers le bas, valeur mg et à la tension des cables, verticale vers le haut, valeur T.

4. Calculer le travail du poids du sel lors du transport de la recette fond à la recette jour.
Le travail du poids est négatif en montée : W = - 3996 x9,81 x160= -6,27 106 J.
5. Après avoir estimé la durée du trajet, calculer la puissance moyenne du poids lors de la remontée. Conclure sur la puissance minimale que doit fournir la machine d’extraction.
Durée = distance  / vitesse = 160 / 7,0=22,85 ~ 23 s.
Puissance = |travail du poids| / durée  =6,27 106 / 22,85 ~2,7 105 W = 270 kW.

Dans la mine, les galeries sont creusées à l’aide d’explosif. La paroi à creuser est percée de 42 trous cylindriques. Ces trous sont remplis au total de 190 kg d’explosif. L’explosif utilisé est l’ANFO (ammonium nitrate fuel oil). C’est une poudre constituée d’un mélange de deux espèces chimiques : un oxydant (le nitrate d’ammonium NH4NO3) et un réducteur (le fioul C12H24). Suite à la mise à feu par l’amorce, la détonation est causée par la réaction chimique entre NH4NO3 et le fioul.
Énergie totale massique (énergies thermique et mécanique libérées lors de l’explosion) : 3,8 MJ kg-1 Pression de détonation : 13,6 GPa.
6. Calculer l’énergie libérée par un tir de mine de 42 trous.
3,8 x190=722 MJ.
 L’équation de la réaction ci-dessous présente le modèle idéal d’une transformation qui ne produit que du diazote N2, du dioxyde de carbone et de l’eau (tous les produits étant à l’état gazeux) :
 C12H24(l) + 36 NH4NO3(s) ---> … + … + ...
 7. Recopier, compléter et ajuster l’équation de cette réaction.
 C12H24(l) + 36 NH4NO3(s) --->36 N2 (g)+12CO2 (g)+84H2O(g).
 La fracturation de la roche lors du tir est liée à la très forte augmentation de pression exercée dans chaque trou.
8. À partir de l’équation ci-dessus et des documents précédents, identifier les causes de cette augmentation de pression.
Quantité de matière des gaz : 36 +12 +84 =132 mol.
Le volume des gaz est très important, d'où l'augmentation de la pression.
 Un mélange est dit stœchiométrique si les réactifs sont pris dans les proportions indiquées par l’équation modélisant la transformation.
 9. À partir de la première partie de l’équation de cette réaction, déterminer la masse de NH4NO3 qu’il faut ajouter à 168 g de C12H24 pour obtenir un mélange stœchiométrique.
Données : masses molaires M (C12H24) = 168 g /mol ;  M (NH4NO3) = 80 g/mol .
168 / M (C12H24) =168 / 168 = 1 mol.
Il faut 36 mol de NH4NO3 soit une masse de 36 x80=2,88 103 kg.
 10. En déduire le pourcentage en masse de chaque espèce dans le mélange stœchiométrique.
C12H24 : 0,168 /(0,168 +2,88) x100=5,5 % ; NH4NO3  : 94,5 %.
 Pour être encore plus efficace, le mélange est constitué de 6% de fioul et de 94% de NH4NO3 (pourcentages en masse).
11. En déduire l’espèce ajoutée en excès dans le mélange ANFO. Conclure.
Le fioul est ajouté en excès.
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