Bac 2025 Amérique du Sud jour 1 : présentation de l'épreuve

Le sujet de spécialité physique-chimie Amérique du Sud 2025, jour 1, se compose de trois exercices pour un total de 20 points, en 3 h 30. Sa structure est déséquilibrée : un premier exercice de 11 points, très long, puis deux exercices plus courts de 5 et 4 points. Il couvre un large éventail du programme de terminale : mécanique des fluides et mécanique newtonienne, bilans d'énergie et transferts thermiques, oxydoréduction et piles, titrage acide-base. Travailler ce sujet en entier est un excellent entraînement, à la fois pour les connaissances et pour la gestion du temps.

Les trois exercices partagent une même exigence : relier un contexte concret à un modèle physique ou chimique, puis exploiter des données numériques avec soin. Les conversions d'unités et les commentaires de résultats y occupent une place importante. Plusieurs valeurs intermédiaires sont données dans l'énoncé, ce qui permet de continuer même après une question manquée.

Exercice 1 : Tour Montparnasse (11 points)

Un smartphone enregistre la pression de l'air pendant la montée de l'ascenseur de la tour Montparnasse. Cet exercice de 19 questions s'organise en quatre parties.

Statique des fluides et gaz parfait

La baisse de la pression, d'environ 101 300 Pa à environ 99 030 Pa, prouve que l'ascenseur monte : d'après la loi fondamentale de la statique des fluides, la pression diminue quand l'altitude augmente. L'équation d'état des gaz parfaits, PV = nRT, permet ensuite de montrer que la masse volumique de l'air vaut 1,184 kg·m⁻³, en exprimant la masse molaire en kg·mol⁻¹ et la température en kelvins. La hauteur atteinte, h = (P₁ − P₂)/(ρg), vaut 196 m : une valeur cohérente avec une tour de 210 m et 59 étages, puisque le 56e étage se trouve vers 199 m.

Python et cinématique

Le script calcule vitesses puis accélérations par différences successives. Il faut compléter la ligne de l'accélération et comprendre que chaque calcul de variation fait perdre une valeur : 86 dates mènent à 83 valeurs d'accélération. Les quatre phases du mouvement sont immobile, rectiligne accéléré, rectiligne uniforme et rectiligne ralenti. En phase 4, la cabine monte encore : sa vitesse diminue mais reste positive. Le signe de l'accélération dans chaque phase confirme la cohérence des deux courbes.

Deuxième loi de Newton

Le point clé est que la somme des forces a le sens de l'accélération, et non celui de la vitesse. Les phases 1 et 3 correspondent au schéma A (forces de même norme), la phase 2 au schéma C et la phase 4 au schéma B. Pour la force maximale, on suppose une masse moyenne par passager, 75 kg dans le corrigé, et la projection donne F = m(g + a), soit environ 3,7 × 10⁴ N avec l'ascenseur plein.

Énergie solaire et isolation

Le panneau photovoltaïque fournit 360 W pour un rendement d'environ 18 %. Couvrir toute la terrasse produirait environ 0,40 GW·h par an, à peine 1 % de la consommation de la tour. Côté thermique, la résistance de conduction du verre vaut 4 × 10⁻³ K·W⁻¹, la résistance globale 0,174 K·W⁻¹, environ 40 fois plus grande, car les échanges par convection et rayonnement sur les deux faces dominent. Le flux à travers 1 m² de simple vitrage vaut 50 W. Le passage au double vitrage permettrait d'économiser environ 11 GW·h par an, soit près de 30 % de la consommation : de loin la mesure la plus efficace.

Les pièges de l'exercice 1

Les erreurs les plus coûteuses sont des oublis de conversion : masse molaire laissée en g·mol⁻¹, ce qui rend la masse volumique mille fois trop grande, épaisseur du verre laissée en millimètres, irradiance laissée en kW·m⁻², ou comparaison de 4,0 × 10⁵ kW·h à 35,75 GW·h sans conversion. Autre confusion fréquente : utiliser la résistance de conduction au lieu de la résistance globale pour le flux thermique, ce qui donnerait plus de 2 000 W au lieu de 50 W. Enfin, pour la force exercée sur la cabine, écrire F = ma en oubliant le poids fausse entièrement le résultat. Chaque « Commenter » attend une comparaison chiffrée à une donnée de l'énoncé : hauteur de la tour, consommation annuelle, production des panneaux.

Exercice 2 : Recharge des voitures électriques (5 points)

Cet exercice suit une chaîne énergétique : l'éthanol produit du dihydrogène par vaporeformage, et ce dihydrogène alimente une pile à combustible à oxyde solide.

Catalyseur et stœchiométrie

Un catalyseur accélère la transformation sans figurer dans l'équation et se retrouve intact à la fin. Un litre d'éthanol, de densité 0,789 et de masse molaire 46,0 g·mol⁻¹, contient 17,2 mol. L'eau étant en excès, l'éthanol est limitant et l'on obtient six fois plus de dihydrogène, soit 103 mol.

Oxydoréduction dans la pile

À l'électrode 2, le dioxygène est réduit : O₂ + 4 e⁻ → 2 O²⁻. On n'utilise ni H₂O ni H⁺, car l'électrolyte est un oxyde solide. En combinant les deux demi-équations pour échanger quatre électrons, on retrouve 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O. L'électrode 1, siège de l'oxydation, est l'anode et le pôle négatif ; l'électrode 2 est la cathode et le pôle positif. Dans le circuit extérieur, les électrons vont de l'électrode 1 vers l'électrode 2, en sens inverse du courant.

Bilan énergétique

La capacité maximale, calculée à partir des électrons échangés, vaut environ 2,0 × 10⁷ C par litre d'éthanol. Dans la question ouverte finale, 30 m³ d'éthanol donnent 6,0 × 10¹¹ J, dont 4,2 × 10¹¹ J utiles avec un rendement de 70 %. Une batterie de 40 kW·h stockant 1,44 × 10⁸ J, on peut recharger environ 2,9 × 10³ véhicules. Les conversions des mètres cubes en litres et des kilowattheures en joules sont décisives.

Les pièges de l'exercice 2

Trois points font perdre des points. D'abord, équilibrer la demi-équation de l'électrode 2 comme en solution aqueuse, alors que l'espèce formée est l'ion oxyde. Ensuite, oublier le facteur 2 entre la quantité de dihydrogène et celle des électrons dans le calcul de la capacité. Enfin, dans la question ouverte, appliquer le rendement au mauvais endroit : il porte sur l'énergie fournie par la pile, pas sur celle de la batterie. Annoncer le plan de calcul avant de se lancer aide beaucoup le correcteur à suivre le raisonnement.

Exercice 3 : Étude d'un herbicide (4 points)

Il s'agit de contrôler, par un titrage pH-métrique, la teneur en acide pélargonique d'un herbicide commercial. C'est l'exercice le plus proche du cours.

Nomenclature et dilution

Le nom acide nonanoïque correspond à une chaîne saturée de 9 atomes de carbone, carbone du groupe carboxyle compris. La dilution d'un facteur 10 se réalise par exemple avec une pipette jaugée de 20,0 mL et une fiole jaugée de 200,0 mL, en décrivant précisément les étapes.

Titrage et exploitation

Après avoir défini l'équivalence, on lit V_E = 14,3 mL au maximum de la dérivée. La relation à l'équivalence donne 2,86 × 10⁻² mol·L⁻¹ pour la solution diluée, donc environ 0,29 mol·L⁻¹ pour la solution commerciale. La concentration en masse, 45,2 g·L⁻¹, comparée à la référence de 43,06 g·L⁻¹, donne un écart normalisé d'environ 1,8 : le titrage est cohérent avec l'indication du fabricant. Il faut calculer avec la valeur non arrondie, sinon la conclusion s'inverse.

Indicateur coloré

Le pH à l'équivalence, voisin de 8,5, se trouve dans la zone de virage de l'indicateur TA (8,2 à 9,8) : c'est le seul indicateur adapté. La solution passe de l'incolore au rose à l'équivalence.

Les pièges de l'exercice 3

Le premier piège est de compter 8 atomes de carbone au lieu de 9 en oubliant celui du groupe carboxyle. Le deuxième est d'oublier le facteur de dilution : le titrage donne la concentration de la solution diluée, pas celle du flacon. Le troisième est de repartir de la valeur arrondie 0,29 mol·L⁻¹ pour l'écart normalisé, ce qui donne 2,3 et une conclusion inversée. Enfin, choisir le bleu de bromothymol parce que sa zone de virage entoure 7 est une erreur classique : il virerait avant l'équivalence.

Les compétences évaluées

Au-delà des notions, ce sujet évalue les compétences habituelles de l'épreuve. S'approprier : extraire les bonnes valeurs d'un enregistrement, d'un programme Python ou d'une courbe de titrage. Analyser et raisonner : choisir la loi adaptée, comme la statique des fluides, la deuxième loi de Newton ou la relation à l'équivalence. Réaliser : mener les calculs avec les bonnes unités et le bon nombre de chiffres significatifs. Valider : commenter un résultat, utiliser un écart normalisé, juger la cohérence d'une valeur. Communiquer : rédiger un protocole, justifier une polarité, présenter clairement une question ouverte. Les questions ouvertes, comme l'estimation de la force maximale ou du nombre de véhicules rechargeables, demandent de poser soi-même une hypothèse et de l'annoncer.

Gestion du temps

Avec 3 h 30 pour 20 points, une répartition proportionnelle au barème donne environ 1 h 56 pour l'exercice 1, 53 minutes pour l'exercice 2 et 42 minutes pour l'exercice 3. Deux stratégies sont possibles. Commencer par l'exercice 3, plus court et très proche du cours, permet de sécuriser des points rapidement. Commencer par l'exercice 1 garantit de ne pas manquer de temps sur la partie la plus rentable du barème. Dans tous les cas, garde un œil sur l'horloge : l'exercice 1 comporte 19 questions, et il serait dommage de lui sacrifier la fin de l'exercice 2. Réserve enfin quelques minutes pour vérifier les unités et les chiffres significatifs.

Conclusion : ce qu'il faut retenir

Ce sujet récompense la rigueur. Les principales erreurs viennent des conversions (grammes et kilogrammes, millimètres et mètres, kW·h, GW·h et joules) et des commentaires bâclés : comparer une valeur à une référence du sujet, chiffrer l'écart et conclure suffit pourtant à obtenir les points. Retiens aussi trois idées de fond : la somme des forces a le sens de l'accélération ; dans une pile, l'oxydation a lieu à l'anode, pôle négatif ; dans un titrage, on conserve les valeurs non arrondies et on n'oublie jamais le facteur de dilution. Traite le sujet en temps limité, puis compare ta copie au corrigé détaillé, question par question.