Bac 2024 Amérique du Nord jour 2 : une épreuve de physique-chimie complète

Le sujet du jour 2 du bac 2024 de physique-chimie en Amérique du Nord se compose de trois exercices indépendants, pour 20 points et 3 h 30 d'épreuve. Il couvre un large spectre du programme de terminale : mécanique et énergie, effet Doppler et programmation Python dans le premier exercice, oxydoréduction et piles dans le deuxième, chimie organique, acide-base, titrage et incertitudes dans le troisième. Ce déséquilibre est la première chose à repérer : l'exercice 1 représente à lui seul 11 points, plus de la moitié de la note.

Chaque exercice a un fil conducteur concret. Le premier vérifie des articles du règlement du tennis de table. Le deuxième étudie une batterie fabriquée à partir de produits comestibles. Le troisième suit un viticulteur qui contrôle l'acidité de son vin. Dans les trois cas, les questions finales demandent de comparer un résultat à une valeur de référence et de conclure : ce sont des points faciles à perdre si l'on s'arrête au calcul.

Exercice 1 : points de règlement au tennis de table (11 points)

L'exercice commence par un lancer vertical de balle. La question 1 attend une rédaction complète : système, référentiel terrestre supposé galiléen, bilan des forces limité au poids, puis la deuxième loi de Newton qui donne a_x = 0 et a_y = -g. Le signe moins vient de l'orientation de l'axe (Oy) vers le haut. La chronophotographie montre ensuite des positions alignées sur une verticale : v_x = 0, et la norme de la vitesse se confond avec v_y pendant la montée.

Deux primitives successives conduisent à v(t) = -g × t + v₀, puis à y(t) = -½ g t² + v₀ t. Chaque constante se fixe par une condition initiale, qu'il faut justifier en citant l'énoncé. La figure 3 montre des points alignés sur une droite décroissante qui ne passe pas par l'origine, en accord avec ce modèle affine. Son coefficient directeur donne g = 10 m·s^-2, à condition de convertir les millisecondes en secondes. L'écart avec 9,81 N·kg^-1 s'explique surtout par l'imprécision du pointage vidéo et de la lecture graphique.

La partie Python demande de justifier la formule v_0 = np.sqrt(2*g*h_max). Au sommet, la vitesse s'annule, ce qui donne t_S = v₀/g, puis h_MAX = v₀²/(2g). Avec h_max = 0.16, saisi en mètres et avec un point décimal, la vitesse minimale de lancer vaut 1,8 m·s^-1. La conversion en km·h^-1 se fait en multipliant par 3,6 dans la variable v_ini.

Vient ensuite l'étude énergétique d'une balle lâchée de 30 cm. Pendant la chute, l'énergie cinétique augmente depuis zéro, l'énergie potentielle de pesanteur diminue et l'énergie mécanique reste presque constante. Après le rebond, trois lectures sur la figure 6 donnent E_m ≈ 6,7 mJ : l'énergie mécanique se conserve, mais la balle a perdu environ 1,2 mJ lors du choc. Au sommet du rebond, l'énergie cinétique est nulle, d'où h' = E_m/(m g) = 25 cm, proche des 23 cm prévus par le règlement.

La dernière partie porte sur le cinémomètre. La balle en mouvement renvoie l'onde avec une fréquence décalée, ce qui illustre l'effet Doppler. Quand elle s'approche, la fréquence reçue augmente et le décalage est positif. La formule fournie donne une vitesse de smash de 27,8 m·s^-1, soit environ 100 km·h^-1, du même ordre de grandeur que le record de 112,5 km·h^-1. Les pièges sont la conversion des gigahertz en hertz et le facteur 2 lié à l'aller-retour de l'onde.

Exercice 2 : une batterie comestible (5 points)

La pile étudiée associe une électrode recouverte de riboflavine et une électrode recouverte de quercétine, séparées par un film d'algue Nori imbibé d'une solution d'hydrogénosulfate de sodium. La riboflavine C₁₇H₂₀N₄O₆ est le réducteur de son couple : sa demi-équation s'écrit dans le sens de la formation de l'oxydant, avec 2 H⁺ et 2 électrons parmi les produits. Elle cède des électrons, elle est donc oxydée.

Le schéma se complète par le raisonnement sur les électrons. L'électrode à la riboflavine les libère : c'est la borne négative. L'électrode à la quercétine les reçoit : c'est la borne positive. Le courant sort de la pile par la borne positive. Le film d'algue joue le rôle d'un pont salin : il sépare les électrodes et laisse migrer les ions, ce qui ferme le circuit.

La partie quantitative enchaîne trois calculs. La charge vaut Q = I × Δt = 3,5 × 10^-2 C, avec I = 48 µA et Δt = 12 min convertis en unités du Système international. La constante de Faraday donne n_e = Q/F = 3,6 × 10^-7 mol. Une mole de quercétine consommant deux moles d'électrons, on compare la quantité consommée à la quantité initiale tirée des 0,60 mg déposés : 9,0 % de la quercétine a réagi, la demi-pile n'est pas déchargée.

La fin de l'exercice analyse des courbes de charge et de décharge : la courbe a, où la tension monte de 0,60 V à 0,80 V, correspond à la charge. La capacité de la pile Nickel Métal Hydrure se calcule par Q = E/U = 0,048/1,2 = 4,0 × 10^-2 A·h, soit 4000 fois la capacité d'environ 10 µA·h de la batterie comestible. Celle-ci reste réservée à de très petits dispositifs fonctionnant quelques minutes.

Exercice 3 : acidité totale d'un vin (4 points)

Le viticulteur souhaite une acidité totale de 3,45 g·L^-1, exprimée en équivalent d'acide sulfurique. L'exercice débute par l'acide tartrique : deux groupes carboxyle et deux groupes hydroxyle à entourer, correspondant aux familles des acides carboxyliques et des alcools. Le diagramme de prédominance de l'acide carbonique, avec des frontières à pH 6,4 et 10,3, montre que H₂CO₃ prédomine dans un vin de pH compris entre 2,70 et 3,70. Il serait titré avec les autres acides et fausserait le résultat : il faut l'éliminer avant le dosage.

Pour le titrage, l'équivalence est supposée à pH = 7,0 : seul le bleu de bromothymol, de zone de virage 6,0 à 7,6, convient. La relation à l'équivalence intègre le facteur 2, une mole d'acide sulfurique réagissant avec deux moles d'ions hydroxyde. On obtient C_A = 3,5 × 10^-2 mol·L^-1 et AT = 3,4 g·L^-1.

Le traitement statistique de dix mesures donne une moyenne de 3,43 g·L^-1 et une incertitude-type sur la moyenne de 0,02 g·L^-1, obtenue par s/√n puis majorée. Le quotient |3,43 - 3,45|/0,02 vaut 1 : la mesure est compatible avec la valeur souhaitée. La dernière question convertit l'intervalle réglementaire en équivalent d'acide tartrique en multipliant les bornes par le rapport des masses molaires, 150,0/98,1 : on passe de 3,0 à 6,0 g·L^-1 à 4,6 à 9,2 g·L^-1, ce qui désigne la proposition b.

Gérer son temps sur l'épreuve

Une répartition proportionnelle au barème donne environ 1 h 55 pour l'exercice 1, 53 minutes pour l'exercice 2 et 38 minutes pour l'exercice 3. L'exercice 1 est long mais très guidé : ses questions s'enchaînent et plusieurs résultats intermédiaires sont donnés dans l'énoncé, ce qui permet de continuer même après un blocage. Ne vous y attardez pas au point de bâcler les deux autres.

Les exercices 2 et 3 sont courts, mais denses en conversions et en justifications. Une stratégie efficace consiste à lire les trois sujets en début d'épreuve, à commencer par celui où l'on se sent le plus à l'aise, puis à garder une dizaine de minutes en fin d'épreuve pour relire les unités et les chiffres significatifs.

Les erreurs les plus fréquentes de ce sujet sont transversales : unités non converties (millisecondes, gigahertz, microampères, milligrammes), coefficients stœchiométriques oubliés (facteur 2 des électrons, facteur 2 des ions hydroxyde), et conclusions absentes après un calcul pourtant juste. Chaque verbe de consigne compte : « commenter », « discuter » et « conclure » appellent une phrase de comparaison avec une valeur de référence.

Les notions à maîtriser avant de se lancer

Pour l'exercice 1, il faut savoir passer de l'accélération à la vitesse puis à la position par primitives successives, exploiter un coefficient directeur lu sur un graphique, écrire les expressions de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle de pesanteur, et connaître le sens du décalage Doppler selon que la source s'approche ou s'éloigne. Quelques notions de Python suffisent : lire une ligne de calcul, saisir une valeur décimale avec un point, nommer correctement une variable.

Pour l'exercice 2, révisez l'écriture d'une demi-équation électronique, le vocabulaire oxydation et réduction, la polarité d'une pile et les relations Q = I × Δt et Q = n_e × F. Pour l'exercice 3, les prérequis sont les groupes caractéristiques, le diagramme de prédominance, le choix d'un indicateur coloré, la relation à l'équivalence d'un titrage et le calcul d'une incertitude-type à partir d'une série de mesures.

Conclusion

Ce sujet est représentatif de l'épreuve de spécialité : un grand exercice de physique qui mêle mécanique, énergie, ondes et Python, et deux exercices de chimie plus courts sur l'oxydoréduction et le titrage acide-base. Il permet de réviser des méthodes qui reviennent chaque année : établir des équations horaires, exploiter une conservation d'énergie, relier charge et quantité d'électrons, écrire une relation à l'équivalence et exprimer un résultat avec son incertitude-type. Le corrigé détaillé reprend chaque question avec les calculs, les méthodes et les pièges à éviter.