Le sujet de physique-chimie du bac S 2018 Antilles-Guyane

Le sujet de physique-chimie du bac S 2018 Antilles-Guyane (ancien programme) est une épreuve de 3 h 30 notée sur 20 points. Il réunit quatre exercices : un long exercice de physique sur 11 points, un exercice de chimie organique sur 4 points, un titrage conductimétrique sur 5 points, et l'exercice de spécialité sur les pluies acides, également sur 5 points. Dans l'organisation de l'ancien bac S, chaque candidat traitait les exercices 1 et 2, puis soit l'exercice 3 de l'enseignement obligatoire, soit l'exercice de spécialité, selon son choix d'enseignement. Le sujet est très complet : ondes et effet Doppler, mécanique de Newton, interférences, synthèse organique, acide-base, conductimétrie et oxydoréduction. C'est un excellent entraînement de révision, car il oblige à passer rapidement d'un chapitre à l'autre et à garder une rédaction rigoureuse jusqu'au bout.

Les contextes sont concrets et parlants : une chauve-souris qui chasse un papillon, une molécule présente dans des pommades, la salinité de l'eau d'un delta où l'on élève des poissons, les rejets d'une centrale. Dans chaque cas, la conclusion finale répond à une question posée au départ. Prendre l'habitude de rédiger cette conclusion, chiffrée et argumentée, est l'un des meilleurs réflexes à travailler avec ce sujet.

Exercice 1 : autour du papillon (11 points)

Ce long exercice, prévu pour environ 1 h 50, suit une scène de chasse nocturne en trois parties largement indépendantes.

Ondes et écholocation

L'onde émise à 50,0 kHz appartient au domaine des ultrasons ; elle est mécanique, car elle a besoin d'un milieu matériel, et longitudinale. La formule de l'effet Doppler fournie permet, après avoir isolé la vitesse de l'émetteur, de trouver une vitesse de 5,35 m/s, soit 19,3 km/h. Comparer cette vitesse à celle de l'onde demande un rapport chiffré : l'onde va environ 64 fois plus vite, ce qui laisse à la chauve-souris le temps de réagir. La distance au papillon se déduit du retard de l'écho, à condition de penser à l'aller-retour : D = 2,84 m.

La chute libre du papillon

La deuxième loi de Newton, appliquée au papillon soumis à son seul poids, donne une accélération égale à g, avec a(z) = −g car l'axe est orienté vers le haut. Deux intégrations et deux conditions initiales mènent à l'équation horaire, puis à la durée de chute √(2h/g), dont il faut vérifier l'homogénéité. La chute dure 0,49 s. La chauve-souris, qui parcourt l'hypoténuse d'environ 3,0 m et non la distance horizontale, met 0,57 s : le papillon atteint le sol le premier.

Les couleurs de l'aile

Un retard égal à un nombre entier de périodes donne des interférences constructives, une demi-période de plus des interférences destructives. Dans la couche mince de l'aile, les longueurs d'onde renforcées valent 2ne/(k − 1/2). Seule la valeur 600 nm, obtenue pour k = 1, appartient au visible : l'aile paraît orange. La dépendance en cos θ explique que la couleur change avec l'angle d'observation.

Exercice 2 : autour du salicylate de méthyle (4 points)

Cet exercice court, d'environ 40 minutes, étudie une estérification. Il faut écrire la formule développée du méthanol en montrant toutes les liaisons, reconnaître le groupe hydroxyle et la fonction alcool, puis identifier l'eau comme second produit grâce à la conservation des éléments. Sur le plan des catégories, la réaction est une substitution. Le bilan de matière demande de passer par la masse volumique pour le méthanol liquide : on trouve 7,25 × 10⁻² mol d'acide salicylique et 0,25 mol de méthanol. L'acide salicylique est limitant, et le rendement vaut 63 %, à condition de comparer des quantités de matière et non des masses. La dernière question utilise les diagrammes de prédominance : au pH de la peau, voisin de 5, l'acide salicylique est majoritairement sous forme chargée, alors que le salicylate de méthyle reste neutre et peut traverser la peau. C'est donc lui qu'on choisit pour les pommades.

Exercice 3 : analyse de la salinité de l'eau d'un delta (5 points)

Cet exercice de l'enseignement obligatoire, prévu pour environ 50 minutes, dose les ions chlorure d'une eau diluée par une solution de nitrate d'argent, avec un suivi conductimétrique. Après le schéma légendé du montage et l'explication de la conductivité initiale, due aux ions déjà présents, la question centrale demande de suivre chaque ion avant et après l'équivalence. Avant, chaque ion chlorure précipité est remplacé par un ion nitrate de conductivité molaire ionique un peu plus faible : la conductivité baisse lentement. Après, les ions argent et nitrate s'accumulent : elle augmente nettement. La réaction support doit être totale et rapide. La résolution finale exploite la courbe : VE = 10,4 mL, puis C0 = 4,5 × 10⁻³ mol/L, une concentration en masse de 1,6 g/L pour l'eau du delta, diluée 10 fois, et une salinité de 2,9 g/L, inférieure au seuil de 5 g/L. L'élevage des tilapias peut continuer.

Exercice de spécialité : les pluies acides (5 points)

Les candidats de spécialité traitaient cet exercice d'environ 50 minutes à la place de l'exercice 3. Il commence par les demi-équations électroniques des couples MnO₄⁻/Mn²⁺ et SO₄²⁻/SO₂, combinées pour échanger 10 électrons. Le titrage se passe d'indicateur coloré : le mélange reste incolore tant qu'il reste du dioxyde de soufre, puis la teinte violette du permanganate persiste après l'équivalence. La résolution de problème repose sur la relation n(MnO₄⁻)/2 = n(SO₂)/5, qui donne 5,4 × 10⁻⁵ mol/L, puis une masse de 3,5 × 10⁻³ g de dioxyde de soufre pour 10,0 m³ de gaz, soit 3,5 × 10² µg/m³. Le seuil d'information de 300 µg/m³ est dépassé, pas le seuil d'alerte de 500 µg/m³ : les gaz ne sont pas conformes. Le regard critique porte sur l'hypothèse de dissolution totale, qui ne peut que sous-estimer la teneur, sur la précision du volume équivalent et sur la différence entre une mesure moyenne et un seuil horaire.

Les compétences évaluées

Au-delà des chapitres, le sujet teste des savoir-faire précis, qu'il vaut la peine d'identifier avant de s'entraîner.

Justifier une réponse qualitative

Plusieurs questions ne demandent aucun calcul, mais une justification exacte : pourquoi une onde ultrasonore est mécanique, pourquoi la conductivité initiale n'est pas nulle, pourquoi le mélange reste incolore jusqu'à l'équivalence, pourquoi une espèce chargée ne traverse pas la peau. Une réponse juste mais sans argument rapporte peu. La bonne habitude consiste à citer la propriété utilisée, puis à l'appliquer à la situation.

Établir une expression littérale

L'exercice 1 demande d'isoler une vitesse dans la formule de l'effet Doppler, d'intégrer deux fois l'accélération, de résoudre z(t) = 0, puis d'exprimer les longueurs d'onde renforcées. Les exercices de chimie demandent d'écrire la relation à l'équivalence avec les bons nombres stœchiométriques. Dans tous les cas, l'expression littérale vient avant l'application numérique : elle permet de vérifier l'homogénéité et de repérer une erreur avant de sortir la calculatrice.

Exploiter une courbe et des documents

Le titrage conductimétrique impose une lecture graphique soignée : tracer deux droites au plus près des points, sans tenir compte de ceux qui s'en écartent près de l'équivalence, puis lire l'abscisse de leur intersection. Les autres exercices obligent à aller chercher dans les documents les données utiles, comme le domaine de longueurs d'onde de l'orange, les pKA ou les seuils de qualité de l'air, et à laisser de côté celles qui ne servent pas, comme la durée de barbotage.

Conclure et critiquer

Chaque exercice se termine par une décision : le papillon est-il sauvé, quelle molécule choisir, l'élevage peut-il continuer, les gaz sont-ils conformes. La conclusion doit reprendre la valeur calculée, la comparer au critère et répondre clairement à la question posée. L'exercice de spécialité ajoute un regard critique, qui attend des arguments concrets sur l'hypothèse de travail et sur la précision de la mesure.

Gérer son temps sur l'épreuve

Avec 3 h 30 pour 20 points, le parcours d'un candidat représente environ 3 h 20 de travail : 1 h 50 pour l'exercice 1, 40 minutes pour l'exercice 2 et 50 minutes pour l'exercice 3 ou pour l'exercice de spécialité. Il reste une dizaine de minutes pour relire. L'exercice 1 pèse plus de la moitié de la note : il ne faut pas le bâcler, mais ses trois parties indépendantes permettent de passer à la suite en cas de blocage. Commencer par l'exercice 2, court et très guidé, est une option raisonnable pour prendre confiance. Dans les résolutions de problème des exercices 3 et de spécialité, annoncez la démarche avant de calculer : une démarche claire est valorisée même si un calcul intermédiaire est faux.

Les pièges à retenir

Plusieurs erreurs traversent tout le sujet. Oublier l'aller-retour de l'écho, se tromper de signe sur l'accélération, utiliser la distance horizontale au lieu de l'hypoténuse : la mécanique et les ondes punissent l'inattention. En chimie, comparer des masses au lieu de quantités de matière fausse le rendement, oublier les nombres stœchiométriques fausse le dosage par le permanganate, et oublier le facteur de dilution fausse la salinité. Enfin, les chiffres significatifs comptent : deux pour la plupart des résultats finaux, avec un chiffre de plus gardé dans les calculs intermédiaires.

Conclusion

Ce sujet balaie une grande partie du programme de terminale S et récompense surtout la rigueur : justifications complètes, relations écrites littéralement avant l'application numérique, conclusions chiffrées comparées à un seuil. Même si certaines notions relèvent de l'ancien programme, comme la distinction entre ondes transversales et longitudinales ou la forme de la résolution de problème de spécialité, la plupart des méthodes restent utiles aujourd'hui : effet Doppler, chute libre, interférences, rendement, diagrammes de prédominance et titrages. Travaillez-le en conditions réelles, puis comparez votre copie au corrigé détaillé exercice par exercice.