Bac S Nouvelle-Calédonie 2017 : un sujet complet de physique-chimie

Le sujet de physique-chimie du bac S 2017 Nouvelle-Calédonie, version spécialité, dure 3 h 30 et se compose de quatre exercices pour un total de 20 points. Il couvre un large spectre du programme de l'époque : chimie organique et spectroscopie dans un long premier exercice, mécanique et énergie dans le deuxième, ondes sonores et transferts thermiques dans le troisième, puis la dualité onde-particule appliquée aux cellules photovoltaïques dans l'exercice de spécialité. Les contextes sont concrets : un répulsif contre les moustiques, un record de ski de vitesse, le diagnostic d'une maison, une cellule solaire à haut rendement. Travailler ce sujet en entier permet de s'entraîner à changer rapidement de domaine, compétence indispensable le jour de l'épreuve.

Même s'il relève de l'ancien programme, la plupart des questions restent pertinentes aujourd'hui : quantité de matière, stœchiométrie, énergie mécanique, analyse des unités, niveau d'intensité sonore, flux thermique et énergie du photon. Les corrigés signalent les quelques notions qui ne figurent plus au programme actuel de spécialité, comme la RMN, la stéréoisomérie ou le gap d'un semi-conducteur.

Exercice 1 : lutte contre les moustiques (9 points)

Le premier exercice suit la synthèse du 2-éthylhexan-1,3-diol, ou EHD, en trois étapes. Dans la première partie, le butan-1-ol est oxydé en butanal par l'ion permanganate. Il faut dessiner la formule topologique du butan-1-ol, trois segments et un groupe OH, puis expliquer la distillation : le butanal bout à 75 °C, la température du milieu, tandis que le butan-1-ol et l'acide butanoïque restent dans le ballon. Le corrigé précise que cette extraction limite l'oxydation du butanal en acide.

Viennent ensuite deux calculs de stœchiométrie. La masse maximale de butanal, obtenue à partir de 2,0 mL d'alcool de masse volumique 0,81 g·mL^-1, vaut 1,6 g. Le volume de permanganate nécessaire vaut 19 mL, à condition de respecter la proportion de 2 ions MnO₄^- pour 5 molécules d'alcool. La question sur le spectre RMN vérifie que quatre signaux d'intégrations 3H, 2H, 2H et 1H correspondent au butanal, et que le signal à 1 ppm est un triplet, car les protons du groupe CH₃ ont deux voisins.

La deuxième partie porte sur le mécanisme de la réaction du butanal en milieu basique. Il faut tracer deux flèches courbes : du doublet non liant du carbanion vers le carbone du carbonyle, puis d'un doublet de la liaison C=O vers l'oxygène. L'ion hydroxyde est ensuite identifié comme catalyseur : consommé à la première étape, régénéré à la troisième, il n'apparaît pas dans le bilan.

La troisième partie traite de l'hydrogénation sur nickel. La poudre fine est préférée à un bloc de même masse parce qu'elle offre une surface de contact beaucoup plus grande. La spectroscopie infrarouge permettrait de détecter des traces du composé A grâce à la bande de la liaison C=O, entre 1650 et 1730 cm^-1, absente pour l'EHD. Les dernières questions justifient le nom de l'EHD, chaîne de six carbones avec deux groupes hydroxyle et un groupe éthyle, et établissent l'existence de stéréoisomères de configuration grâce à deux carbones asymétriques.

Exercice 2 : mesure de vitesses, du K.L. au laboratoire (6 points)

Le deuxième exercice s'intéresse au kilomètre lancé, épreuve de ski de vitesse dont le record évoqué atteint 252,632 km·h^-1. La première partie justifie que le travail du poids est moteur pendant la descente, puis applique la conservation de l'énergie mécanique entre le départ, à 2715 m d'altitude, et le début de la zone de chronométrage, à 2345 m. La vitesse obtenue, 85,2 m·s^-1, soit environ 307 km·h^-1, dépasse la vitesse réelle : les frottements, négligés dans le modèle, dissipent une partie de l'énergie mécanique.

La deuxième partie étudie la force de frottement de l'air, proportionnelle à ρ_air × S × k × v². Une analyse des unités montre que k est sans unité, donc que S × k s'exprime en m². La baisse de ce produit entre les deux postures traduit une surface frontale plus petite, et le corrigé propose une estimation raisonnée de S, environ 0,4 m², d'où k voisin de 0,4. La posture la plus regroupée permet la plus grande vitesse, et la force croît comme le carré de la vitesse.

La troisième partie aborde la métrologie. La durée de passage sur 100 m vaut 1,42 s à la vitesse du record. Les sources d'erreur portent sur la distance et sur la durée. L'écart entre deux records successifs, 0,178 km·h^-1, soit environ 0,07 %, montre qu'il faut un chronométrage très précis. La précision relative de la mesure est estimée à environ 4 × 10^-6.

Exercice 3 : diagnostic d'une maison (5 points)

Le troisième exercice combine acoustique et thermique. La première partie vérifie qu'une maison voisine d'une éolienne reste au calme. Le seuil de 40 dB correspond à une intensité de 1,0 × 10^-8 W·m^-2, calculée avec la relation L = 10 log(I/I₀), qu'il faut connaître. Avec une puissance sonore de 0,50 W, la distance minimale vaut 2,0 km ; la carte, grâce à son échelle, donne une distance réelle de 2,7 km. La maison est donc au calme.

La seconde partie commence par les trois modes de transfert thermique : conduction, rayonnement et convection. Le calcul de la résistance thermique du toit, somme des résistances de la laine de chanvre et de la tuile, donne 2,1 × 10^-2 K·W^-1, puis un flux de 7,1 × 10² W. La question finale, à prise d'initiative, additionne les flux des différentes parois, calcule l'énergie de chauffage sur 120 jours, la divise par 0,60 pour obtenir la consommation totale, puis la rapporte à la surface habitable. Avec environ 79 kWh·m^-2·an^-1, la maison est en classe B.

Exercice 4 de spécialité : cellules photovoltaïques multi-jonctions (5 points)

L'exercice de spécialité compare une cellule triple-jonction de Sharp à une cellule au silicium. Le calcul des rendements, à partir d'une courbe de puissance et d'un tableau, donne environ 37 % contre 17 %. L'énergie de deux photons, de longueurs d'onde 1,0 µm et 0,65 µm, vaut 1,2 eV et 1,9 eV après conversion. Le silicium, de gap 1,1 eV, absorbe les deux photons mais ne récupère que 2,2 eV au total, car l'énergie récupérable par photon est plafonnée au gap. La cellule Sharp, avec ses couches de gaps 1,8 eV, 1,4 eV et 1,0 eV, récupère 2,8 eV : chaque photon est absorbé par la couche dont le gap est juste inférieur à son énergie. La question de synthèse explique pourquoi l'ordre décroissant des gaps est essentiel et pourquoi le gain vient de l'énergie mieux récupérée par photon plutôt que d'un plus grand nombre de photons absorbés.

Les compétences transversales du sujet

Au-delà des chapitres, ce sujet évalue des savoir-faire qui reviennent d'un exercice à l'autre. Le premier est la maîtrise des unités. Dans l'exercice 1, le produit d'une masse volumique en g·mL^-1 par un volume en mL donne directement des grammes, et un volume calculé à partir d'une concentration en mol·L^-1 sort en litres. Dans l'exercice 2, il faut passer des m·s^-1 aux km·h^-1 en multipliant par 3,6 avant toute comparaison. Dans l'exercice 3, les épaisseurs en millimètres doivent être converties en mètres, alors qu'un écart de température a la même valeur en °C et en K. Dans l'exercice 4, la longueur d'onde doit être exprimée en mètre et l'énergie convertie en électronvolt en divisant par 1,60 × 10^-19.

Le deuxième savoir-faire est l'exploitation de documents : lecture d'un spectre RMN ou d'une table infrarouge, mesure d'une distance sur une carte à l'aide de son échelle, lecture d'une courbe de puissance sur le bon axe, repérage d'une classe énergétique sur une étiquette. Le troisième est la rédaction d'une justification. Plusieurs questions commencent par « montrer que » ou « vérifier que » : la valeur est donnée, et seuls le raisonnement et le calcul rapportent des points. Il faut alors écrire la relation littérale, remplacer par les valeurs, puis conclure par une phrase qui compare le résultat à la valeur attendue.

Enfin, le sujet demande à plusieurs reprises des estimations et des choix de chiffres significatifs : l'ordre de grandeur de la surface frontale d'un skieur, la précision relative d'une mesure, ou encore le nombre de chiffres à garder selon les données les moins précises. Ces questions courtes sont souvent négligées alors qu'elles se traitent vite quand la méthode est connue.

Gestion du temps sur les 3 h 30

Le barème donne une indication claire : l'exercice 1, sur 9 points, mérite environ 1 h 30 ; l'exercice 2, sur 6 points, environ une heure ; les exercices 3 et 4, sur 5 points chacun, une cinquantaine de minutes chacun. Commencez par lire l'ensemble du sujet pendant quelques minutes pour repérer les questions indépendantes. Dans l'exercice 1, les questions de spectroscopie et de nomenclature peuvent se traiter même si un calcul de stœchiométrie résiste. Dans l'exercice 3, réservez assez de temps à la question à prise d'initiative, qui demande plusieurs étapes. Gardez enfin quelques minutes pour relire les unités et les chiffres significatifs.

Conclusion

Ce sujet de Nouvelle-Calédonie est complet et équilibré : il récompense la rigueur dans les calculs, la maîtrise des unités et la capacité à exploiter des documents. Les pièges récurrents sont les conversions d'unités, l'inversion des nombres stœchiométriques, l'oubli d'une racine carrée ou une division remplacée par une multiplication. Traitez-le d'abord en temps limité, puis comparez votre copie au corrigé détaillé, question par question, en notant les points de méthode à retenir.