Bac S 2019 Polynésie rattrapage : présentation de l'épreuve

Le sujet de rattrapage de Polynésie 2019, en spécialité physique-chimie de l'ancien programme de Terminale S, se compose de trois exercices pour un total de 20 points et une durée de 3 h 30. Il a pour fil conducteur l'exploration spatiale et l'origine de la vie : un sucre formé dans une comète artificielle, une sonde envoyée vers un astéroïde et un microphone embarqué sur un rover martien. Ce sujet est un excellent entraînement, car il couvre la chimie organique, la cinétique, la mécanique, l'image numérique et l'acoustique, avec un problème ouvert en spécialité.

Le premier exercice, sur 8 points, est entièrement consacré à la chimie. Le deuxième, sur 7 points, est un exercice de physique qui enchaîne trois parties indépendantes. Le troisième, sur 5 points, est l'exercice de spécialité, construit autour d'une question préalable et d'un problème à résoudre à partir de documents. Chaque corrigé reprend les questions une par une, avec les calculs, les pièges et les méthodes.

Exercice 1 : du sucre dans une comète artificielle (8 points)

Des chercheurs ont reproduit en laboratoire la glace d'une comète, l'ont irradiée aux UV puis réchauffée, et y ont détecté du ribose. L'exercice part de cette expérience pour explorer la chimie organique.

La molécule de ribose

Il faut d'abord identifier un groupe carbonyle en bout de chaîne, donc une fonction aldéhyde, et quatre groupes hydroxyle, donc une fonction alcool. On repère ensuite trois atomes de carbone asymétriques : le carbone de l'aldéhyde, engagé dans une double liaison, et celui du groupe CH2OH, qui porte deux hydrogènes, sont exclus. Les deux stéréoisomères proposés sont images l'un de l'autre dans un miroir et non superposables : ce sont des énantiomères. Enfin, la bonne solubilité du ribose dans l'eau s'explique par sa polarité et par les liaisons hydrogène que forment ses groupes hydroxyle avec les molécules d'eau.

Nomenclature, spectroscopie et mécanisme

Après une question d'analyse des documents, qui doit relier l'absence de ribose dans les météorites, sa formation dans des conditions cométaires et son rôle dans le vivant, l'exercice demande de nommer le formaldéhyde, qui est le méthanal, et de justifier le nom 2,3-dihydroxypropanal. La question de spectroscopie est centrale : le réactif et le produit de l'étape étudiée ont les mêmes liaisons, donc des spectres IR semblables, alors que leurs spectres de RMN du proton diffèrent par le nombre de signaux et leur multiplicité. La RMN est donc la méthode la plus adaptée. Il faut se rappeler que les hydrogènes des groupes OH ne comptent pas comme voisins. La partie se termine par l'analyse des flèches courbes d'un mécanisme, qui représentent le déplacement de doublets d'électrons d'un site donneur vers un site accepteur.

Cinétique

Le piège principal du sujet se trouve ici. Le formaldéhyde n'est pas entièrement consommé : l'état final, lu sur la courbe à 200 °C, correspond à environ 25 mmol restantes. La demi-réaction n'est donc pas atteinte à 125 mmol mais vers 138 mmol, ce qui donne un temps de demi-réaction d'environ 3,4 min à 125 °C. La comparaison des courbes montre que ce temps diminue quand la température augmente, conformément au rôle de facteur cinétique de la température.

Exercice 2 : l'exploration de l'astéroïde Ryugu (7 points)

Cet exercice suit la sonde Hayabusa 2 et son atterrisseur Mascot. Ses trois parties sont indépendantes, ce qui permet de reprendre des points même après un blocage.

Propulsion ionique

Les ions xénon, de charge positive, sont accélérés entre deux grilles : le champ électrostatique doit être orienté de la grille 1 vers la grille 2, dans le sens de la force. Le travail de la force électrique vaut eEd ; en l'égalant à l'énergie cinétique acquise et en utilisant E = U/d, on obtient l'expression de la vitesse, qui ne dépend pas de l'écartement des grilles. L'application numérique donne environ 4,69 × 10^4 m/s. La conservation de la quantité de mouvement du système isolé {sonde + ions} explique ensuite que la sonde soit poussée à l'opposé de la tuyère. Le calcul de la durée de fonctionnement des moteurs, environ 6,5 × 10^7 s soit 2,1 ans, exige de convertir les milligrammes en kilogrammes et de compter les trois moteurs ; l'écart avec les six ans de mission s'explique par un fonctionnement des moteurs par périodes.

Image numérique

Un pixel de la photographie représente environ 2,1 m : un détail de 3 m est visible, de justesse. Une mesure à la règle sur la photographie conduit à un diamètre d'environ 0,8 km, cohérent avec les 900 m annoncés. La transmission de l'image, 512 × 512 pixels codés sur un octet, dure environ 66 s au débit indiqué, à condition de ne pas oublier qu'un octet vaut 8 bits.

Chute de Mascot

La démonstration des équations horaires suit le plan habituel : système, référentiel, force, deuxième loi de Newton, puis deux recherches de primitives fixées par les conditions initiales. La vitesse au contact du sol vaut environ 0,13 m/s, du même ordre que la valeur annoncée par l'article du sujet. Le piège est de ne garder que la composante verticale de la vitesse alors que la composante horizontale persiste jusqu'au sol.

Exercice 3 de spécialité : un microphone sur la planète Mars (5 points)

L'instrument SuperCam vaporise des roches par impulsions laser et enregistre le son des impacts. La question préalable fait calculer la puissance d'une impulsion : 15 mJ en 5 ns donnent 3 × 10^6 W, ce qui justifie l'appellation « laser de puissance ».

Le problème demande de déterminer dans quelle condition de vent les impacts sont détectés. Il faut d'abord poser un critère : le niveau reçu doit dépasser de 10 dB celui du vent, soit 63 dB par vent moyen et 84 dB par vent fort. Pour une cible à 4 m, l'atténuation géométrique conduit à un niveau de 78 dB, puis l'absorption par l'atmosphère martienne, calculée à partir d'un coefficient lu sur une échelle logarithmique, retire environ 14 dB. Le niveau reçu, environ 64 dB, permet la détection par vent moyen mais pas par vent fort. Le corrigé insiste sur le regard critique : la marge n'est que de 1 dB, et les données lues sont approximatives. Erreur à éviter absolument : ajouter une atténuation en décibels à une intensité.

Gestion du temps sur les 3 h 30

Une répartition proportionnelle aux points donne environ 1 h 20 pour l'exercice 1, 1 h 10 pour l'exercice 2 et 50 minutes pour l'exercice 3. Il est utile de garder une dizaine de minutes en fin d'épreuve pour relire les unités et les chiffres significatifs.

Dans l'exercice 1, les questions de cours (groupes caractéristiques, nomenclature, définition du temps de demi-réaction) sont rapides : traitez-les sans hésiter pour vous réserver du temps sur la spectroscopie et la lecture graphique. Dans l'exercice 2, profitez de l'indépendance des parties. Dans l'exercice 3, ne vous lancez pas dans les calculs avant d'avoir écrit votre critère de détection : un problème ouvert bien structuré rapporte des points même si une valeur lue est légèrement différente.

Les pièges communs aux trois exercices

Au-delà de leurs thèmes différents, les trois exercices partagent plusieurs difficultés qu'il vaut la peine d'identifier avant de s'entraîner.

Les conversions d'unités

Elles reviennent partout : des milligrammes en kilogrammes pour le débit de xénon, des octets en bits pour la transmission de l'image, des millijoules et nanosecondes en joules et secondes pour la puissance du laser. Une conversion oubliée fausse le résultat d'un facteur mille ou d'un facteur huit, et la conclusion physique qui en découle devient incohérente. Prenez l'habitude d'écrire chaque donnée en unité du système international avant tout calcul.

Les lectures graphiques

Le sujet en contient de plusieurs sortes : des courbes d'évolution d'une quantité de matière en fonction du temps dans l'exercice 1, une photographie à exploiter avec une règle et une échelle dans l'exercice 2, une courbe tracée sur une échelle logarithmique dans l'exercice 3. Dans chaque cas, il faut expliquer la lecture effectuée, indiquer la valeur lue et garder un nombre de chiffres significatifs compatible avec la précision du graphique.

La rédaction des justifications

Plusieurs questions se jouent sur un mot : « non superposables » pour des énantiomères, le signe de la charge pour le sens du champ, la norme du vecteur vitesse et non sa seule composante verticale. Une réponse juste mais non justifiée ne rapporte qu'une partie des points. De même, une question d'analyse de documents attend une conclusion qui relie les informations, pas une simple recopie du texte.

Le regard critique

Les exercices 2 et 3 demandent de confronter un résultat à une valeur de référence : le diamètre annoncé de Ryugu, la vitesse d'arrivée de Mascot donnée par l'article, ou la faible marge de détection du microphone. Il faut alors comparer les ordres de grandeur, discuter la précision des mesures et conclure sur la cohérence, sans se contenter d'écrire que le résultat est proche.

Conclusion

Ce sujet récompense la rigueur plus que la virtuosité calculatoire : bien lire un état final, justifier le sens d'un champ par le signe d'une charge, convertir les unités et manipuler correctement les décibels. Plusieurs notions qu'il mobilise, comme le carbone asymétrique, la RMN, la quantité de mouvement ou l'image numérique, ne figurent plus au programme actuel ; les corrigés le signalent, ce qui permet aux élèves d'aujourd'hui de se concentrer sur les parties toujours d'actualité, notamment la cinétique, le champ électrique, la chute libre et l'intensité sonore. Commencez par le sujet complet en conditions réelles, puis reprenez chaque exercice avec son corrigé détaillé.