Le Bac S 2016 Amérique du Sud en physique-chimie

Le sujet de physique-chimie du Bac S 2016 Amérique du Sud, de l'ancien programme, se compose de trois exercices communs et d'un exercice réservé aux élèves de spécialité, pour un total de 20 points en 3 h 30. Les élèves de spécialité traitent les exercices 1, 2 et 4 ; les autres traitent les exercices 1, 2 et 3. Le sujet couvre un large éventail du programme : mécanique et énergie avec la Falkirk Wheel, chimie organique et analytique avec la synthèse d'un médicament, ondes sonores avec l'effet Doppler, et acoustique des tuyaux avec l'orgue marin de Blackpool. Il mêle questions de cours, lectures de graphiques, calculs guidés, une question ouverte et une résolution de problème : un bon sujet d'entraînement pour réviser les grandes méthodes de la terminale S.

Le poids de la chimie est notable : l'exercice 2 vaut à lui seul 9 points, presque la moitié de la note. Il est donc essentiel de bien gérer son temps pour ne pas le traiter dans l'urgence.

Exercice 1 : la Falkirk Wheel, un étonnant ascenseur à bateaux (6 points)

En Écosse, la Falkirk Wheel fait monter des bateaux sur 24 m en 5 min 30 s grâce à deux godets portés par un bras rotatif. La partie A commence par le choix d'un référentiel : parmi le touriste sur la berge, le voyageur dans le bateau et le technicien dans l'autre godet, seul le référentiel terrestre peut être considéré comme galiléen. On identifie ensuite le graphique de vitesse : les positions de G, régulièrement espacées sur la chronophotographie, montrent une vitesse constante, et une mesure avec l'échelle donne v ≈ 0,11 m·s^-1. Le mouvement est circulaire uniforme et l'accélération centripète. La relation a = v²/R donne environ 1,0 × 10^-3 m·s^-2, cent fois moins que le critère g/100 : le roulis est négligeable.

La partie B passe à l'énergie. Pour un godet de 500 t élevé de 24 m, immobile au départ et à l'arrivée, la variation d'énergie mécanique vaut m·g·h ≈ 1,2 × 10⁸ J. Les moteurs de 22,5 kW, en fonctionnement pendant 330 s, ne fournissent que 7,43 × 10⁶ J : c'est le godet qui descend, servant de contrepoids, qui explique cet écart. La question ouverte demande d'estimer l'énergie nécessaire pour porter à ébullition huit bouilloires de 3,0 L. Avec une eau initialement à 20 °C, ΔU = m·c·Δθ ≈ 8,1 × 10⁶ J, une valeur très proche de celle des moteurs : l'affirmation « la roue tourne avec l'énergie de huit bouilloires » est plausible.

Les points de vigilance sont les conversions (tonnes en kilogrammes, 5 min 30 s en 330 s, kilowatts en watts), le choix de la bonne hauteur (24 m et non la hauteur de l'édifice) et la comparaison de a avec g/100 plutôt qu'avec g.

Exercice 2 : synthèse d'un médicament (9 points)

Cet exercice suit la fabrication de la sertraline à partir du benzaldéhyde. La première partie contrôle un flacon de benzaldéhyde entamé. On repère les groupes caractéristiques (carbonyle de l'aldéhyde, carboxyle de l'acide benzoïque), puis on attribue les spectres infrarouge : la bande large de la liaison O–H d'acide entre 2500 et 3200 cm^-1 signe l'acide benzoïque, les deux bandes fines de la liaison C_al–H signent l'aldéhyde. La CCM révèle la présence d'acide benzoïque dans le flacon : une partie du benzaldéhyde s'est oxydée.

Le titrage pH-métrique par la soude permet de quantifier cette impureté. Après les définitions acido-basiques et l'écriture de la réaction support, la méthode de la dérivée donne V_E = 12,5 mL, soit 1,25 × 10^-2 mol d'acide dans 10,0 mL prélevés. Comme 10,0 mL de benzaldéhyde pur contiendraient 9,62 × 10^-2 mol, la pureté vaut 87,0 %. Le pH à l'équivalence, voisin de 9,5, oriente vers le bleu de thymol, qui vire du jaune au bleu.

La deuxième partie porte sur le mécanisme de l'étape (a) : la comparaison des électronégativités fait du carbone lié au magnésium un site donneur et du carbone du carbonyle un site accepteur ; il faut ajouter une flèche courbe de la double liaison C=O vers le magnésium. L'alcool obtenu possède un carbone asymétrique : on dessine les deux énantiomères en représentation de Cram, et l'on comprend que l'étape enzymatique suivante sert à ne garder que celui qui conduit au médicament actif.

La troisième partie évalue la durée d'une réaction par CCM (environ 4 min, quand la tache du benzaldéhyde disparaît), fait écrire une équation d'oxydoréduction avec l'eau oxygénée, puis calcule le rendement de la variante verte : 88 %, contre 98 % pour l'oxydation de Jones. Son intérêt est ailleurs : elle remplace un réactif au chrome (VI) cancérogène par un oxydant qui se transforme en eau. Les pièges classiques : confondre la part oxydée (13 %) avec la pureté, calculer un rendement avec des masses, ou inverser le virage de l'indicateur.

Exercice 3 : l'effet Doppler peut-il perturber un danseur ? (5 points)

Cet exercice, destiné aux élèves qui ne suivent pas la spécialité, met en scène une pianiste, Alice, et un danseur, Kilian, en désaccord sur une note. On lit d'abord sur la courbe de la trajectoire la distance horizontale du grand jeté, 2,15 m, puis on calcule la vitesse horizontale moyenne : 3,03 m·s^-1 pour un saut de 0,710 s. Alice joue des La3 à 440 Hz ; Kilian, qui s'éloigne du piano, perçoit une fréquence plus faible, donnée par f_R = f_E × v_son/(v_son + v_R), soit environ 436 Hz.

La variation relative de fréquence, 8,8 × 10^-3, dépasse le seuil d'une oreille entraînée (1/1000) et celui d'une oreille moyenne lu sur la courbe de Weber-Fechner (environ 3,4 × 10^-3 à 440 Hz) : la différence de hauteur est audible. Les deux personnages ont donc raison, la note émise est restée la même mais la fréquence perçue a changé. Le piège principal est le signe dans la formule de Doppler : un « moins » donnerait un son plus aigu, ce qui correspondrait à un danseur qui se rapproche.

Exercice 4, spécialité : l'orgue marin de Blackpool (5 points)

L'exercice de spécialité est une résolution de problème. Une sculpture de Blackpool contient trois tuyaux sonores ouverts et un panneau affirme que la note la plus basse est un si bémol, les autres ayant des fréquences double et triple. La question préliminaire rappelle que f = v_son/(2L) : la note la plus grave vient du tuyau le plus long. On mesure ensuite les tuyaux sur le plan à l'échelle, où la hauteur de 15,0 m sert de référence : le plus long mesure environ 2,92 m. Avec une température moyenne annuelle d'environ 9 °C, la célérité du son vaut 337 m·s^-1 et f₁ ≈ 58 Hz, ce qui correspond au si bémol de l'octave 0 (58,3 Hz). Les rapports de longueurs donnent 2,0 et 2,9, compatibles avec 2 et 3.

Enfin, entre février (3,5 °C) et l'été (15 °C), la fréquence varie seulement de 57,1 Hz à 58,3 Hz : la note reste un si bémol et les rapports, qui ne dépendent que des longueurs, ne changent pas. La phrase est vraie toute l'année. Attention à ne pas mesurer sur le schéma de fonctionnement, qui n'est pas à l'échelle.

Gérer son temps sur l'épreuve

Pour 3 h 30 d'épreuve et 20 points, la répartition indicative est d'environ 1 h pour l'exercice 1, 1 h 30 pour l'exercice 2 et 50 minutes pour l'exercice 3 ou l'exercice de spécialité, ce qui laisse quelques minutes de relecture. Commence par une lecture rapide de l'ensemble du sujet pour repérer les questions de cours faciles (définitions acido-basiques, groupes caractéristiques, choix du référentiel). Dans l'exercice 2, les résultats s'enchaînent : une valeur fausse de V_E se répercute sur la pureté, il vaut donc la peine de vérifier les unités au fur et à mesure. Pour la question ouverte de l'exercice 1 et la résolution de problème de spécialité, garde une démarche visible même si le calcul n'aboutit pas : les étapes correctes sont valorisées.

Un dernier réflexe utile : conserve des valeurs intermédiaires non arrondies dans ta calculatrice et n'arrondis qu'au résultat final, avec un nombre de chiffres significatifs cohérent avec les données.

Conclusion

Ce sujet du Bac S 2016 Amérique du Sud est équilibré et représentatif de l'ancien programme. Il fait travailler la mécanique du mouvement circulaire, les bilans d'énergie, l'analyse chimique et le titrage, les mécanismes et la stéréoisomérie, la chimie durable et les ondes sonores. Certaines notions, comme la stéréoisomérie ou les tuyaux sonores de spécialité, ne figurent plus au programme actuel, mais les méthodes restent les mêmes : lire les documents avec soin, justifier chaque affirmation, convertir les unités et confronter un résultat à un critère. Traiter ce sujet en temps limité, puis comparer ta copie au corrigé question par question, reste une excellente façon de repérer tes points faibles avant l’examen. Le sujet officiel et le corrigé détaillé de chaque exercice sont disponibles gratuitement en PDF pour t'entraîner en conditions réelles.