La grêle est la chute de morceaux de glace, appelés grêlons. Elle se produit le plus souvent lors d'un orage et se forme par solidification de gouttes d’eau liquide dans un nuage.
Selon la taille et la vitesse des grêlons, la grêle peut causer de graves dommages aux cultures, aux véhicules et aux bâtiments. Elle peut également être dangereuse pour les personnes et les animaux. Certaines études montrent que le réchauffement climatique peut entraîner des orages de grêle plus intenses.

Question 1 (1 point)
Citer deux conséquences possibles que peut présenter un orage de grêle.

Document 1 : Modélisations des trois états physiques de la matière
Les molécules d’eau sont représentées par le symbole .

Question 2 (0,5 point)
Choisir, parmi les modélisations A, B et C du document 1 ci-dessus, celle qui représente un grêlon à l’échelle microscopique en recopiant la lettre correspondante sur la copie.

Le grêlon est constitué de molécules d’eau dont la formule chimique est $\text{H}_2\text{O}$.

Question 3 (1 point)
Donner le nom et le nombre des atomes qui constituent la molécule d’eau.

Question 4 (1 point)
Indiquer, en justifiant la réponse, si la formation de grêlons au sein du nuage à partir des gouttes d’eau est une transformation physique ou une transformation chimique.

Un grêlon chute verticalement, sans vitesse initiale. L’évolution de la vitesse de ce grêlon du début de sa chute jusqu’à l’impact avec le sol est représentée sur le graphique du document 2.

Document 2 : Courbe théorique de l’évolution de la vitesse $v$ du grêlon, lors de sa chute, en fonction du temps $t$

Question 5 (2 points)
Décrire, en justifiant, le mouvement du grêlon durant les 5 premières secondes de sa chute.
La réponse, rédigée en 3 à 4 lignes, devra contenir deux termes de la liste ci-dessous.
Liste des termes proposés : rectiligne / circulaire / accéléré / ralenti / uniforme.
Chaque terme choisi sera expliqué à l'aide d'un vocabulaire rigoureux et précis. La qualité de la rédaction sera valorisée.

Question 6 (1 point)
Nommer la forme d'énergie qui est convertie en énergie cinétique au cours de la chute du grêlon.

Question 7 (1 point)
Recopier, parmi les 3 relations proposées ci-dessous, celle qui permet de calculer l'énergie cinétique $E_c$ d'un objet à partir de sa masse $m$ et de sa vitesse $v$.

Document 3 : Conséquences de la chute d'un grêlon

Le grêlon étudié a une masse $m = 0{,}013 \text{ kg}$.

Question 8 (2,5 points)
Déterminer, à l'aide des documents 2 et 3, ainsi que d'un calcul, deux conséquences de l'impact à vitesse maximale de ce grêlon lors de sa chute. Toute démarche même partielle sera prise en compte.

Un orage de grêle peut entraîner les conséquences suivantes :

• Des graves dommages aux cultures.
• Des dommages aux véhicules et aux bâtiments.
• Des risques de blessures graves ou de danger pour les personnes et les animaux.

La bonne réponse est la modélisation B.

• Justification : À l'échelle microscopique, les mocécules se touchent (disposition compacte) et sont ordonnées.

La molécule d'eau a pour formule chimique $H_{2}O$. Elle est composée de :

• 2 atomes d'hydrogène (indiqués par l'indice 2 après le symbole H).
• 1 atome d'oxygène (indiqué par le symbole O).

La formation de grêlons au sein du nuage à partir des gouttes d'eau est une transformation physique.

• Justification : Les molécules d'eau ne subissent aucune modification chimique, leur formule reste $H_{2}O$ avant et après l'événement. Ce sont les mêmes molécules. Dans le cas d'une transformation chimique, il y aurait eu formation de nouvelles espèces chimiques (produits) et consommation des réactifs.

Durant les 5 premières secondes de sa chute, le mouvement du grêlon est rectiligne et accéléré.

• Justification : Le mouvement est qualifié de rectiligne parce que la trajectoire est une droite. Il est dit accéléré car sa vitesse augmente de façon continue au cours du temps, passant de 0 m/s à environ 25 m/s entre les instants $t = 0$ s et $t = 6$ s.

Au cours de la chute du grêlon, c'est l'énergie potentielle de pesanteur qui est convertie en énergie cinétique.

La bonne formule est la Relation B:

$$E_{c} = \frac{1}{2} \times m \times v^{2}$$

Pour déterminer les conséquences de l'impact à vitesse maximale, procédons par étapes :

1. Lecture de la vitesse maximale : En observant la courbe théorique du document 2, on constate que la vitesse du grêlon se stabilise à partir de $t = 6$ s pour atteindre un palier maximal constant $v = 25$ m/s.
2. Calcul de l'énergie cinétique à l'impact : Le grêlon étudié possède une masse $m = 0,013$ kg. En appliquant la formule de la relation B, on obtient : $$E_{c} = \frac{1}{2} \times 0,013 \times 25^{2}$$ $$E_{c} = 4,1\text{ J}$$
3. Analyse des conséquences (Document 3) : Une énergie cinétique de 4,1 J se situe dans la plage comprise entre 1,75 J et 11,5 J. L'impact à vitesse maximale provoquera donc les deux conséquences suivantes:
   • Les voitures seront endommagées.
   • De graves dommages aux cultures se produiront également (car l'énergie dépasse largement le seuil minimal de 0,23 J).