L'épreuve de physique-chimie du Bac S 2017 Amérique du Nord

Cette épreuve de 3 h 30, notée sur 20 points, relève de l'ancien programme de Terminale S. Tous les candidats traitent les exercices 1 (5 points) et 2 (10 points). Ils composent ensuite sur un exercice de 5 points selon leur enseignement : l'exercice 3 pour ceux qui n'ont pas suivi la spécialité, l'exercice 4 pour les élèves de spécialité. Le sujet couvre un large éventail : optique ondulatoire, énergie et puissance, chimie organique, acides et bases, oxydoréduction et titrage. Il fait aussi une place importante aux compétences transversales : exploiter un graphique, valider un modèle, évaluer une incertitude, argumenter et mener une résolution de problème.

Plusieurs notions ont quitté le programme actuel, comme la chiralité ou le thème « L'eau » de la spécialité, mais la plupart des méthodes restent utiles aujourd'hui : diffraction, lecture graphique, pH, réactif limitant, rendement, titrage. C'est un sujet riche pour réviser.

Exercice 1 : diffraction par une poudre de cacao (5 points)

L'exercice commence par le cours : les trois propriétés du laser (monochromatique, directif, cohérent) et la relation θ₀ = λ/a, avec θ₀ en radian. On démontre ensuite, dans le triangle formé par le fil et la demi-largeur de la tache centrale, que L = 2λD/a. Le facteur 2 piège souvent ceux qui écrivent tan θ₀ = L/D.

Le graphique de L en fonction de 1/a donne une droite passant par l'origine. Avec le point lu sur la droite, 10,0 cm pour 4,0 × 10⁴ m⁻¹, le coefficient directeur vaut 2,5 × 10⁻⁶ m², d'où λ ≈ 6,3 × 10⁻⁷ m. Avec son incertitude, λ = (6,3 ± 0,3) × 10⁻⁷ m : la diode de 635 nm est compatible, celle de 830 nm ne l'est pas.

La seconde partie transpose la méthode aux grains de cacao, assimilés à des sphères qui diffractent comme des trous circulaires. La première extinction, lue à 0,018 rad, donne avec sin θ₀ = 1,22 λ/a un diamètre moyen d'environ 43 µm : trop gros pour un chocolat de couverture, qui demande 10 µm. Attention au mode radian de la calculatrice.

Pour ce premier exercice, les points de vigilance sont surtout techniques. Les longueurs lues sur le graphique sont en centimètres et la distance D est donnée en centimètres : tout doit passer en mètres avant de calculer λ. Pour le coefficient directeur, on choisit un point de la droite tracée, loin de l'origine, plutôt qu'un point de mesure. Enfin, l'incertitude s'écrit avec un seul chiffre significatif et la valeur de λ s'arrondit au même rang, ce qui conduit à 6,3 × 10⁻⁷ m et non à 6,25 × 10⁻⁷ m dans le résultat final.

Exercice 2 : les sciences au service de la performance sportive (10 points)

Cet exercice pèse la moitié de la note et mérite une gestion attentive. La partie de physique suit un cycliste dans un col de 10,4 km, gravi en 31 min 51 s. On montre que la vitesse moyenne vaut 19,6 km·h⁻¹ en convertissant d'abord la durée en secondes, puis on explique que l'énergie mécanique augmente pendant la montée, puisque l'énergie potentielle croît à vitesse constante.

La variation d'énergie potentielle, mg(Z_B − Z_A), vaut 5,3 × 10⁵ J : seul le dénivelé compte. La puissance d'ascension, 2,8 × 10² W, s'accorde avec le graphique. On identifie ensuite la puissance de roulement, proportionnelle à la vitesse (droite b), et la puissance liée à l'air, proportionnelle au cube de la vitesse (courbe a). Le modèle prévoit une puissance totale d'environ 330 W, proche des 320 W mesurés par le capteur : le modèle est validé. Pour un amateur à 250 W, la lecture graphique donne environ 15,4 km·h⁻¹ et une montée d'une quarantaine de minutes.

La partie de chimie porte sur l'acide lactique : groupes carboxyle et hydroxyle, carbone asymétrique et deux énantiomères en représentation de Cram, ion lactate avec ses doublets non liants. Sans régulation, le seuil lactique de 3,0 mmol·L⁻¹ conduirait à un pH de 2,5. Le tampon bicarbonate fait passer [H₂CO₃] à 3,9 mmol·L⁻¹ et le rapport [HCO₃⁻]/[H₂CO₃] à 5,6, soit un pH de 6,8 : la régulation est réelle mais insuffisante seule. D'autres tampons et les poumons, qui éliminent le dioxyde de carbone, complètent le dispositif.

Les erreurs typiques de cet exercice sont faciles à éviter si l'on y pense. Écrire 31,51 min au lieu de convertir en secondes fausse la vitesse et la puissance. Utiliser la longueur de la route à la place du dénivelé fausse l'énergie potentielle. Sur le document 1, il faut lire la puissance entre les deux traits rouges qui délimitent la montée, sans la confondre avec la vitesse portée sur l'autre axe. En chimie, on retire l'hydrogène du groupe carboxyle, pas celui de l'alcool, et l'on convertit les millimoles en moles avant de prendre le logarithme. Dans le calcul de [H₂CO₃]f, oublier les 0,9 mmol·L⁻¹ présentes avant l'effort donne 3,0 au lieu de 3,9.

Exercice 3, hors spécialité : l'acétate d'isoamyle (5 points)

On nomme d'abord les réactifs, acide éthanoïque et 3-méthylbutan-1-ol, puis on complète le mécanisme de l'étape 2 par deux flèches courbes partant de doublets : c'est une addition. Les ions H⁺, catalyseurs, sont régénérés lors d'une étape ultérieure. Le schéma du montage à reflux et la justification des sécurités, à partir des pictogrammes, rapportent des points accessibles.

Le calcul des quantités de matière montre que l'alcool (0,18 mol) est limitant devant l'acide (0,26 mol). Le volume d'ester attendu vaut 28 mL et le rendement 74 %, meilleur que les 65 % d'un mélange équimolaire. La fin de l'exercice étudie le four à micro-ondes : λ = 0,122 m, énergie de 24 kJ contre 270 kJ pour le reflux, interprétation microscopique par l'agitation des molécules polaires, puis arguments de chimie verte chiffrés.

Les pièges se concentrent sur quelques points. Une flèche courbe part d'un doublet, liant ou non liant, et pointe vers le site accepteur ; tracée à l'envers, elle ne rapporte rien. Pour désigner le réactif limitant, on compare les quantités de matière, pas les volumes ni les masses, qui feraient conclure à l'envers. Le volume d'ester se calcule avec la valeur non arrondie de la quantité d'alcool : avec 0,18 mol arrondi, on trouverait 27 mL. Pour la chimie verte, chaque argument associe une valeur tirée de l'exercice à un principe nommé.

Exercice 4 de spécialité : la pollution par les nitrates (5 points)

L'exercice repose sur un titrage indirect. À l'étape 1, les ions nitrate sont réduits par un excès d'ions fer (II) : c'est une réaction d'oxydoréduction. On recense les ions présents avant et après le chauffage, sans oublier les ions chlorure libérés par la résine. À l'étape 2, les ions fer (II) restants sont titrés par le permanganate, dont on retrouve l'équation à partir des demi-équations.

La résolution de problème enchaîne les étapes : 1,7 × 10⁻⁵ mol d'ions fer (II) restants, 8,3 × 10⁻⁵ mol consommés, 2,8 × 10⁻⁵ mol d'ions nitrate, soit une teneur d'environ 34 mg·L⁻¹, sous la norme de 50 mg·L⁻¹. Pour un enfant de 35 kg, cela correspond à environ 3,7 L d'eau par jour. Un regard critique sur ces résultats est attendu.

Le regard critique peut s'appuyer sur deux idées présentes dans le corrigé : la teneur trouvée reste plus de trente fois supérieure à celle d'une eau naturelle non polluée, et l'alimentation apporte elle aussi des nitrates. L'erreur la plus grave consiste à calculer la quantité de nitrates directement à partir des ions fer (II) titrés : le permanganate dose ceux qui restent, pas ceux qui ont réagi. La relation n consommé = n initial − n restant est la clé de toute méthode de titrage indirect, et il ne faut pas inverser les coefficients 5 et 3 des deux équations.

Les compétences évaluées

Au-delà des connaissances, l'épreuve mobilise des savoir-faire qui reviennent d'un exercice à l'autre. Le premier est l'exploitation graphique : droite modèle et coefficient directeur dans l'exercice 1, lecture d'une première extinction sur une courbe d'intensité, identification de courbes de puissance et lecture inverse d'une vitesse dans l'exercice 2. Le deuxième est la validation : confronter une mesure à une valeur de référence grâce à une incertitude, ou comparer un modèle à des mesures en calculant un écart relatif. Le troisième est l'argumentation : justifier une sécurité à partir des pictogrammes, expliquer le rôle des poumons, défendre une synthèse au nom de la chimie verte. Le dernier est la résolution de problème de l'exercice de spécialité, où il faut construire seul une démarche en plusieurs étapes et conclure.

Dans toutes ces questions, une conclusion rédigée et chiffrée est attendue. Une réponse juste mais sans phrase finale perd une partie des points, en particulier pour les questions qui demandent de comparer, de valider ou de conclure.

Gérer son temps

Le barème guide la répartition : sur 3 h 30 pour 20 points, compte un peu plus de 50 minutes pour chaque exercice de 5 points et environ 1 h 45 pour l'exercice 2. Lis tout le sujet au début et commence par l'exercice où tu te sens le plus à l'aise. Dans l'exercice 2, les questions de chimie sont indépendantes de la partie de physique : si une lecture graphique te bloque, passe à la suite. Garde une dizaine de minutes pour relire les unités et les chiffres significatifs, car de nombreuses questions reposent sur des conversions (secondes, mètres, mol·L⁻¹).

Conclusion

Ce sujet de 2017 est équilibré entre physique et chimie et récompense la rigueur plus que la virtuosité. Les erreurs les plus coûteuses sont des oublis simples : la demi-largeur de la tache, le mode radian, la conversion de la durée, l'acide déjà présent dans le sang, le réactif titré qui n'est pas celui qui a réagi. En t'entraînant sur l'épreuve complète, puis en comparant ta copie au corrigé détaillé, tu repères ces automatismes et tu gagnes en régularité.