Oui
2e loi de Newton
Mécanique des fluides
Thermodynamique
Sujet Bac Corrigé - Tour Montparnasse - Amérique du Sud 2025 Jour 1 - Ex 1 - Corrigé (Physique-chimie)
1 juin 2025
Terminale spécialité
🏙️ Un smartphone dans l'ascenseur de la tour Montparnasse : à partir de simples mesures de pression, tu remontes jusqu'à la hauteur atteinte, au mouvement de la cabine et aux forces qui s'exercent sur elle. Un exercice long, sur 11 points, qui balaie une grande partie du programme.
- Statique des fluides et gaz parfait : masse volumique de l'air et hauteur de l'ascenseur.
- Python et deuxième loi de Newton : calcul de l'accélération, phases du mouvement, force maximale.
- Énergie : rendement de panneaux photovoltaïques, résistance et flux thermiques d'un vitrage.
Sujet officiel et corrigé détaillé en PDF, question par question, avec les pièges à éviter.
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Cherche d'abord la question sur le sujet, puis compare avec ce qu'il faut écrire sur ta copie.
Q1À l'aide de la figure 1, justifier qualitativement que l'ascenseur monte lors de l'expérience.
Sur la figure 1, la pression mesurée diminue au cours du temps : elle passe d'environ 101300 Pa à environ 99030 Pa.
D'après la loi fondamentale de la statique des fluides, PB−PA=ρg(zA−zB) : si PB<PA, alors zB>zA. La pression de l'air diminue quand l'altitude augmente.
La pression diminue, donc l'altitude du smartphone augmente : l'ascenseur monte.
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Q2Exprimer l'équation d'état d'un gaz parfait, en précisant la signification et les unités des différentes grandeurs.
PV=nRT
- P : pression du gaz, en pascals (Pa) ;
- V : volume occupé par le gaz, en mètres cubes (m3) ;
- n : quantité de matière de gaz, en moles (mol) ;
- R : constante des gaz parfaits, R=8,314 J⋅mol−1⋅K−1 ;
- T : température absolue du gaz, en kelvins (K).
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Q3À l'aide de la question précédente, montrer que la masse volumique de l'air au pied de la tour le jour de l'expérience est ρair=1,184 kg⋅m−3.
Données utiles P1=101302 Pa au pied de la tour (ligne 4 du programme, figure 1) ; M=28,98 g⋅mol−1 ; R=8,314 J⋅mol−1⋅K−1 ; θ=25,0 °C
Par définition, ρair=Vm avec m=nM. L'équation d'état donne Vn=RTP, donc
ρair=VnM=RTP1M
Avec M=28,98×10−3 kg⋅mol−1 et T=25,0+273,15=298,15 K :
ρair=8,314×298,15101302×28,98×10−3
ρair=1,184 kg⋅m−3, valeur attendue.
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Q4Montrer que la hauteur h atteinte par l'ascenseur à la fin de son trajet est h=ρair⋅gP1−P2, avec P1 et P2 les pressions au pied et au sommet.
On applique la loi fondamentale de la statique des fluides à l'air, entre le point A au pied de la tour (zA=0, PA=P1) et le point B atteint en fin de trajet (zB=h, PB=P2) :
P2−P1=ρairg(0−h)=−ρairgh
h=ρair⋅gP1−P2
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Q5Calculer la hauteur h atteinte par l'ascenseur à la fin du trajet. Commenter.
Données utiles P1=101302,07 Pa et P2=99028,04 Pa (ligne 4 du programme) ; ρair=1,184 kg⋅m−3 (Q3) ; g=9,81 m⋅s−2
Indice « Commenter » une valeur : la comparer à une référence du sujet (ici 210 m et 59 étages), chiffrer l'écart, puis conclure sur la cohérence.
h=ρair⋅gP1−P2=1,184×9,81101302,07−99028,04
h=196 m
Commentaire : la tour mesure 210 m pour 59 étages. Si les étages sont de même hauteur, le 56e étage se trouve vers 210×5956≈199 m. La valeur obtenue est cohérente (écart inférieur à 2 %) et bien inférieure à la hauteur totale de la tour.
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Q6Recopier puis compléter la ligne 19 du script Python pour calculer les valeurs de l'accélération.
L'accélération est la variation de la vitesse divisée par la durée correspondante, comme la vitesse à la ligne 15 est la variation d'altitude divisée par la durée.
acalcul=((v[i+1]-v[i])/(t[i+1]-t[i]))
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Q7Indiquer, en justifiant, le nombre de valeurs de l'accélération calculées par le programme.
La liste t contient 86 valeurs. Chaque boucle s'exécute len(...)-1 fois, donc chaque liste calculée compte une valeur de moins que la précédente :
- z : 86−1=85 valeurs ;
- v : 85−1=84 valeurs ;
- a : 84−1=83 valeurs.
Le programme calcule 83 valeurs de l'accélération.
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Q8Décrire le mouvement de l'ascenseur dans le référentiel terrestre lors des quatre phases identifiées sur la figure 2.
Le mouvement est vertical, donc rectiligne.
- Phase 1 (jusqu'à 27 s environ) : la vitesse est nulle, l'ascenseur est immobile.
- Phase 2 (de 27 s à 39 s environ) : la vitesse augmente de 0 à environ 4,6 m⋅s−1, le mouvement est rectiligne accéléré vers le haut.
- Phase 3 (de 39 s à 70 s environ) : la vitesse reste voisine de 4,5 m⋅s−1, le mouvement est rectiligne uniforme.
- Phase 4 (de 70 s à 85 s environ) : la vitesse diminue jusqu'à s'annuler, le mouvement est rectiligne ralenti jusqu'à l'arrêt.
Immobile (1), rectiligne accéléré (2), rectiligne uniforme (3), rectiligne ralenti (4).
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Q9Justifier que la courbe d'accélération de la figure 3 est cohérente avec ces quatre phases.
La composante verticale de l'accélération est la dérivée de la vitesse : az=dtdvz.
- Phases 1 et 3 : la vitesse est constante (nulle, puis voisine de 4,5 m⋅s−1), donc az=0. La figure 3 montre bien une accélération qui fluctue autour de zéro.
- Phase 2 : la vitesse augmente, donc az>0. La figure 3 montre un pic positif, jusqu'à environ 0,62 m⋅s−2.
- Phase 4 : la vitesse diminue, donc az<0. La figure 3 montre un pic négatif, jusqu'à environ −0,60 m⋅s−2.
Le signe de az correspond dans chaque phase au sens de variation de la vitesse : les deux courbes sont cohérentes.
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Q10Associer, en justifiant, un schéma à chaque phase du mouvement identifiée sur la figure 2.
Système {ascenseur}, référentiel terrestre supposé galiléen. Deuxième loi de Newton : P+F=ma. La somme des forces a donc le sens de a.
- Phases 1 et 3 : a=0, donc P+F=0 : les deux forces ont la même norme. C'est le schéma A.
- Phase 2 : a est vers le haut, donc F>P. C'est le schéma C.
- Phase 4 : a est vers le bas, donc F<P. C'est le schéma B.
Phases 1 et 3 : schéma A ; phase 2 : schéma C ; phase 4 : schéma B.
Les trois schémas du sujet et les phases associées
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Q11À l'aide de la deuxième loi de Newton et de la figure 3, estimer la valeur maximale de F, l'ascenseur vide pesant 2,0 tonnes et pouvant accueillir 21 personnes.
Données utiles masc=2,0×103 kg ; 21 personnes ; g=9,81 m⋅s−2 ; figure 3 : az,max≈0,62 m⋅s−2
Hypothèse : une personne a une masse moyenne d'environ 75 kg. Ascenseur plein : m=2,0×103+21×75=3,6×103 kg.
Système {ascenseur plein}, référentiel terrestre supposé galiléen. Deuxième loi de Newton : P+F=ma.
En projection sur l'axe Oz orienté vers le haut : −mg+F=maz, donc
F=m(g+az)
F est maximale quand az est maximale, c'est-à-dire en phase 2. Sur la figure 3 : az,max≈0,62 m⋅s−2.
Fmax=(2,0×103+21×75)×(9,81+0,62)
Fmax≈3,7×104 N
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Q12Montrer que la puissance électrique maximale que peut fournir ce panneau photovoltaïque est proche de 360 W, pour une irradiance de 1,0 kW⋅m−2.
Données utiles UPmax=38,4 V ; IPmax=9,38 A
La puissance électrique fournie par le panneau est le produit de la tension à ses bornes par l'intensité du courant qu'il débite :
Peˊlec=UPmax×IPmax=38,4×9,38
Peˊlec=360 W, valeur attendue.
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Q13En déduire que le rendement du panneau est r≈18 %.
Données utiles Peˊlec=360 W (Q12) ; irradiance I=1,0×103 W⋅m−2 ; panneau de 1,980 m par 1,002 m
Surface d'un panneau : Sp=1,980×1,002=1,984 m2.
Puissance rayonnante reçue : Pray=I⋅Sp=1,0×103×1,984=2,0×103 W.
r=PrayPeˊlec=1,0×103×1,980×1,002360
r=0,18, soit r≈18 %, valeur attendue.
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Q14Estimer l'énergie électrique que pourrait fournir en une année l'installation de panneaux sur l'ensemble de la terrasse. Commenter.
Données utiles r=0,18 (Q13) ; énergie rayonnante annuelle : 1300 kW⋅h⋅m−2 ; terrasse : S=1700 m2 ; consommation de la tour : 35,75 GW⋅h par an
Énergie rayonnante reçue en un an par la terrasse entièrement couverte : Eray=1300×1700=2,2×106 kW⋅h.
Énergie électrique produite : Eeˊlec=r×Eray
Eeˊlec=0,18×1300×1700=4,0×105 kW⋅h
Eeˊlec≈4,0×105 kW⋅h=0,40 GW⋅h par an
Commentaire : 35,750,40≈1,1 %. Les panneaux ne couvriraient qu'environ 1 % de la consommation annuelle de la tour : cette mesure seule est très insuffisante.
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Q15Citer les trois modes de transfert thermique.
Les trois modes de transfert thermique sont la conduction, la convection et le rayonnement.
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Q16Calculer la valeur de la résistance thermique de conduction Rc pour une surface de 1,00 m2 de simple vitrage.
Données utiles e=4 mm ; λverre=1,0 W⋅m−1⋅K−1 ; S=1,00 m2
Rc=S×λe=1,00×1,04×10−3
Rc=4×10−3 K⋅W−1
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Q17Calculer la valeur de la résistance thermique globale Rg pour une surface de vitrage de 1,00 m2. Commenter.
Données utiles Ug=5,75 W⋅m−2⋅K−1 ; S=1,00 m2 ; Rc=4×10−3 K⋅W−1 (Q16)
Ug=Rg⋅S1 donc
Rg=Ug⋅S1=5,75×1,001
Rg=0,174 K⋅W−1
Commentaire : RcRg=4×10−30,174≈43. La résistance globale est environ 40 fois plus grande que la résistance de conduction du verre. La conduction dans le verre ne suffit donc pas à décrire le vitrage : les transferts par convection et par rayonnement, au niveau des deux faces de la vitre, apportent l'essentiel de la résistance.
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Q18Déterminer la valeur du flux thermique à travers une surface S=1,00 m2 de fenêtre à simple vitrage pour une température extérieure de 11,3 °C.
Données utiles θint=20,0 °C ; θext=11,3 °C ; Rg=0,174 K⋅W−1 (Q17)
Le flux thermique traverse la vitre de l'intérieur (chaud) vers l'extérieur (froid) :
Φ=Rgθint−θext=0,17420,0−11,3
Φ=50 W
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Q19Estimer la valeur de l'énergie économisée sur une année, en GW⋅h, si on remplace le simple vitrage par du double vitrage, avec les données météorologiques de 2023. Commenter.
Données utiles Ug=5,75 W⋅m−2⋅K−1 ; Ugdouble=1,15 W⋅m−2⋅K−1 ; surface vitrée Sv=40000 m2 ; θint−θext=8,7 K pendant 279 jours ; consommation de la tour : 35,75 GW⋅h par an
Indice Énergie = puissance × durée. Avec la puissance en watts et la durée en heures, le résultat est directement en W⋅h ; puis 1 GW⋅h=109 W⋅h.
Pour un vitrage de surface Sv : Rg=UgSv1, donc le flux perdu est
Φ=Rgθint−θext=UgSv(θint−θext)
Flux économisé en passant au double vitrage :
ΔΦ=(Ug−Ugdouble)Sv(θint−θext)
ΔΦ=(5,75−1,15)×40000×8,7=1,6×106 W
Durée de la période où il faut chauffer : Δt=279×24=6696 h.
Énergie économisée : E=ΔΦ×Δt
E=(5,75−1,15)×40000×8,7×279×24=1,1×1010 W⋅h
E≈11 GW⋅h par an
Commentaire : 35,7511≈0,30. L'économie représente environ 30 % de la consommation annuelle de la tour, soit près de 30 fois la production des panneaux solaires (Q14) : le changement de vitrage est de loin la mesure la plus efficace.
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Tour Montparnasse : un exercice de synthèse sur 11 points
Le premier exercice du sujet de spécialité physique-chimie Amérique du Sud 2025 (jour 1) part d'une expérience simple : un smartphone enregistre la pression de l'air pendant la montée de l'ascenseur de la tour Montparnasse. Ces mesures servent ensuite de fil conducteur à des questions de statique des fluides, de mécanique, d'énergie solaire et de transferts thermiques. Avec 19 questions et 11 points, c'est l'exercice le plus lourd de l'épreuve : il faut y avancer avec méthode.
Pression, gaz parfait et hauteur de l'ascenseur (Q1 à Q5)
La première question demande de justifier que l'ascenseur monte : la pression diminue, de 101 300 Pa environ à 99 030 Pa environ, et la loi fondamentale de la statique des fluides relie cette baisse à une hausse d'altitude. Dire seulement que « la courbe descend » ne suffit pas. Vient ensuite l'équation d'état PV = nRT, avec ses unités du Système international : pascals, mètres cubes, moles et kelvins. Elle permet de montrer que la masse volumique de l'air vaut 1,184 kg·m⁻³, à condition de convertir la masse molaire en kg·mol⁻¹ et la température en kelvins. La hauteur atteinte s'obtient en appliquant la statique des fluides entre le pied et le point d'arrivée : on trouve h = 196 m, valeur cohérente avec une tour de 210 m et 59 étages, puisque le 56e étage se situe vers 199 m.
Traitement Python et description du mouvement (Q6 à Q9)
Le script calcule altitudes, vitesses puis accélérations par différences successives. Il faut compléter la ligne de l'accélération en divisant la variation de vitesse par la durée entre deux mesures, puis comprendre que chaque calcul de variation fait perdre une valeur : 86 dates donnent 83 valeurs d'accélération. La description des quatre phases (immobile, accéléré, uniforme, ralenti) est classique ; le piège est de croire que la cabine redescend en phase 4, alors que la vitesse diminue en restant positive. La courbe d'accélération se justifie par le signe de la dérivée de la vitesse dans chaque phase.
Deuxième loi de Newton et force maximale (Q10 et Q11)
L'association des schémas aux phases repose sur une idée centrale : la somme des forces a le sens de l'accélération, pas celui de la vitesse. Phases 1 et 3 : schéma A ; phase 2 : schéma C ; phase 4 : schéma B. Pour estimer la force maximale, on choisit une masse moyenne par personne (75 kg dans le corrigé, toute valeur raisonnable annoncée est acceptée), on projette la deuxième loi de Newton et on obtient F = m(g + a), soit environ 3,7 × 10⁴ N. Oublier le poids ou prendre l'ascenseur vide fausse le résultat.
Panneaux photovoltaïques et vitrage (Q12 à Q19)
La puissance du panneau vaut 360 W et son rendement environ 18 %. Sur toute la terrasse, la production annuelle serait d'environ 0,40 GW·h, soit à peine 1 % de la consommation de la tour : la conversion entre kW·h et GW·h est indispensable pour commenter. La partie thermique demande les trois modes de transfert, la résistance de conduction du verre (4 × 10⁻³ K·W⁻¹, épaisseur en mètres), puis la résistance globale (0,174 K·W⁻¹), environ 40 fois plus grande. Le flux à travers 1 m² vaut 50 W. Enfin, le passage au double vitrage économiserait environ 11 GW·h par an, près de 30 % de la consommation, bien plus que les panneaux solaires.
Conseils pour réussir
Soigne les conversions, qui concentrent la majorité des pièges : grammes et kilogrammes, millimètres et mètres, kW·h et GW·h. Pour chaque « Commenter », compare ta valeur à une référence du sujet, chiffre l'écart et conclus. Enfin, ne bloque pas sur une question : beaucoup de résultats intermédiaires sont donnés dans l'énoncé et permettent de continuer.