Bac S 2016 Nouvelle-Calédonie : présentation de l'épreuve

Le sujet de physique-chimie du Bac S 2016 Nouvelle-Calédonie suit le format habituel de l'ancien programme : une épreuve de 3 h 30 notée sur 20 points, composée de trois exercices communs à tous les candidats et d'un exercice réservé aux élèves de spécialité. Ce sujet est particulièrement équilibré. La chimie organique et analytique occupe le premier exercice, le plus long ; la physique des particules et des rayonnements domine le deuxième ; le troisième exploite l'effet Doppler dans une situation concrète de sécurité aérienne ; la spécialité porte sur l'éclairage par diodes électroluminescentes. Chaque exercice part d'un contexte réel et demande à la fois des calculs précis et une lecture attentive des documents.

Travailler ce sujet en entier, en temps limité, est un très bon entraînement : on y rencontre des questions de cours directes, des calculs guidés, une question ouverte d'ordre de grandeur, un tracé sans échelle, une synthèse argumentée et une résolution de problème. Le corrigé détaillé reprend chaque question une à une, avec les méthodes, les pièges et les calculs.

Exercice 1 : Vanille et vanilline (9 points)

Ce premier exercice tourne autour de la vanilline, la molécule de l'arôme vanille. Il s'ouvre sur des questions de chimie organique : reconnaître une addition dans la synthèse de l'alcool vanillique et une substitution dans celle de la bromovanilline, puis identifier une modification de groupe caractéristique. Il faut entourer le groupe carbonyle de l'aldéhyde et le groupe carboxyle de l'acide vanillique, sans oublier que la formule topologique ne montre pas les hydrogènes liés aux carbones.

Le protocole de synthèse est ensuite décortiqué. Le réfrigérant à eau évite les pertes de matière par vaporisation. Le diagramme de prédominance du couple HVan / Van⁻, autour de pKa = 7,4, explique pourquoi la soude dissout la vanilline : la forme basique Van⁻ est soluble dans l'eau. L'élève écrit la formule développée de Van⁻, puis place les flèches courbes du mécanisme, du doublet de l'ion hydrure vers le carbone du groupe carbonyle et d'un doublet de la double liaison vers l'oxygène. L'acide chlorhydrique en excès fait ensuite précipiter l'alcool vanillique, récupéré par filtration.

La spectroscopie infrarouge prouve que la vanilline a été consommée : la bande de la liaison C=O, vers 1670 cm⁻¹ sur le spectre du réactif, a disparu sur celui du produit. Le rendement, calculé avec les quantités de matière, vaut environ 75 %. La seconde partie est un dosage par étalonnage : après une dilution au centième, la loi de Beer-Lambert permet de déterminer 0,70 mg de vanilline par gramme de sucre vanillé, une valeur comprise entre 0,2 et 1 mg, ce qui rend acceptable la mention « 4 % de gousse de vanille » de l'étiquette.

Exercice 2 : Un accélérateur au service de l'art (6 points)

Le deuxième exercice présente l'accélérateur AGLAE et la méthode PIXE, qui identifie les éléments d'une œuvre grâce aux rayons X émis sous un faisceau de protons. La première partie étudie le proton dans un champ électrique uniforme. La force électrique vaut F = eU/d = 8 × 10⁻¹⁴ N, environ 5 × 10¹² fois le poids du proton, qui est donc négligeable. Le travail de la force, égal à eU, donne une énergie cinétique de 2 MeV, dans l'intervalle de 1,4 à 4 MeV adapté à la méthode. La vitesse de sortie, environ 2 × 10⁷ m·s⁻¹, reste sous 10 % de la vitesse de la lumière, ce qui justifie la mécanique classique.

Une question ouverte demande ensuite un ordre de grandeur : avec 50 nA pendant 5 minutes, on trouve environ 10¹⁴ protons, dix milliards de fois moins que dans une mole. La seconde partie exploite un spectre d'émission. Les pics du strontium, vers 14 et 16 keV, correspondent à des longueurs d'onde voisines de 8,9 × 10⁻¹¹ m et 7,8 × 10⁻¹¹ m, dans le domaine des rayons X. Les transitions du cuivre donneraient des raies vers 8,1 et 8,3 keV, absentes du spectre : le pigment ne contient pas de cuivre. Les pièges sont surtout des conversions : MV en V, keV en joules, nanoampères et minutes.

Exercice 3 : Radar Doppler météorologique et aviation (5 points)

Ce troisième exercice met l'élève à la place d'un contrôleur aérien face à un orage. Le retard de l'écho radar, 5,0 µs, fournit la distance de la zone de précipitations : 7,5 × 10² m, à condition de ne pas oublier l'aller-retour de l'onde. Un tracé sans échelle demande ensuite de prévoir l'écho dans une autre direction, en justifiant le retard, la durée, l'amplitude et la période des échos par la lecture de la carte.

La réflectivité, 10⁵ fois la valeur de référence, correspond à 50 dBZ, soit environ 50 mm·h⁻¹ de précipitations. Le décalage Doppler de +200 Hz conduit à une vitesse de chute des grêlons de 20 m·s⁻¹, puis à un diamètre de 2,1 cm. Le signe du décalage indique le sens du vent aux deux extrémités de la piste, la direction étant donnée par la tangente aux lignes de champ. La synthèse finale compare chaque résultat aux seuils du sujet : précipitations au seuil du fort orage, grêlons sous les 4 cm dangereux, mais vents opposés révélant une rafale descendante. Un déroutement est nécessaire. Attention au mode degrés de la calculatrice pour cos 60°.

Exercice 4 de spécialité : Des alternatives aux lampes à incandescence (5 points)

L'exercice de spécialité compare les modes d'éclairage. Avec des efficacités lumineuses de 10 et 150 lm·W⁻¹, une lampe à DEL de 4,0 W remplace une lampe à incandescence de 60 W, soit 93 % d'économie. L'élève associe ensuite trois spectres à une lampe à incandescence, à une DEL et à une lampe blanche à DEL bleue avec luminophore.

La résolution de problème consiste à choisir les semi-conducteurs. La relation λ = hc/E donne la longueur d'onde de chaque DEL : GaSb et GaAs émettent dans l'infrarouge, AlGaAs dans le rouge (701 nm), GaP dans le vert (552 nm) et InGaN dans le bleu (465 nm). Par synthèse additive, une première lampe associe trois DEL rouge, verte et bleue ; la seconde utilise une DEL InGaN recouverte de YAG, ce luminophore absorbant vers 460 nm et réémettant une large bande qui, ajoutée au bleu, donne du blanc.

Gestion du temps

Le barème guide la répartition des 3 h 30. L'exercice 1, sur 9 points, mérite environ 1 h 30 : ses questions sont nombreuses mais souvent courtes, et la partie dosage demande des calculs soignés. L'exercice 2, sur 6 points, se traite en une heure environ ; l'exercice 3 et l'exercice de spécialité, sur 5 points chacun, en une cinquantaine de minutes. Commencez par l'exercice dans lequel vous vous sentez le plus à l'aise, et réservez quelques minutes à la fin pour relire les unités et les chiffres significatifs. Ne restez pas bloqué sur une question : beaucoup de résultats intermédiaires sont donnés dans l'énoncé, ce qui permet de poursuivre.

Les pièges récurrents de l'épreuve

D'un exercice à l'autre, les mêmes erreurs reviennent, et les repérer à l'avance fait gagner de précieux points.

Les conversions d'unités

Elles sont présentes partout : 100 mg à convertir en grammes et des concentrations en µmol·L⁻¹ dans l'exercice 1 ; une tension en mégavolts, une intensité en nanoampères, une durée en minutes et des énergies en keV dans l'exercice 2 ; un retard en microsecondes dans l'exercice 3 ; des énergies en électronvolts et des longueurs d'onde en mètres à exprimer en nanomètres dans l'exercice 4. Une bonne habitude consiste à écrire chaque donnée en unité du système international avant de la placer dans une formule.

Les facteurs oubliés

Le facteur 2 de l'aller-retour de l'onde radar, le carré de la vitesse lorsqu'on isole le diamètre des grêlons ou la racine carrée dans le calcul de la vitesse du proton sont autant de détails qui faussent un résultat. Le réflexe à prendre est de vérifier la vraisemblance de chaque valeur : une vitesse supérieure à celle de la lumière, une distance deux fois trop grande ou un grêlon de plusieurs mètres doivent alerter immédiatement.

Les conclusions incomplètes

Plusieurs questions demandent de « vérifier », de « montrer » ou de « justifier » : rendement, mention de l'étiquette, énergie adaptée à la méthode PIXE, nature des rayons X, présence du cuivre, décision d'atterrissage, économie de 93 %. Dans tous ces cas, la réponse doit se terminer par une comparaison explicite entre la valeur calculée et le critère du texte, suivie d'une phrase de conclusion. Un calcul juste sans cette dernière étape ne rapporte qu'une partie des points.

La lecture des documents

Spectres infrarouges gradués de droite à gauche, spectre PIXE dont le début est illisible, carte radar, lignes de champ du vent, spectres d'émission et d'absorption du YAG : ce sujet repose beaucoup sur l'exploitation de figures. Prenez le temps de lire les axes, les unités et les légendes avant de répondre, et citez dans votre copie la figure utilisée.

Conclusion

Ce sujet de Nouvelle-Calédonie couvre un large spectre du programme : chimie organique, acide-base, spectroscopie, dosage, mouvement dans un champ électrique, photons, effet Doppler et éclairage. Ses pièges sont surtout des oublis de conversion, des facteurs 2 et des conclusions sans comparaison chiffrée. En le travaillant avec le corrigé détaillé, vous révisez des méthodes qui restent utiles au bac actuel : calcul de rendement, loi de Beer-Lambert, énergie d'un photon et exploitation rigoureuse des documents.