Bac S 2008 Asie : une épreuve entre mécanique, chimie et électricité
Le sujet de physique-chimie du bac S 2008 en Asie (ancien programme) dure 3 h 30 et compte 20 points, avec un coefficient 6 et la calculatrice autorisée. Le sujet obligatoire comprend trois exercices indépendants : un exercice de chimie sur le savon à l'ancienne (4 points), un exercice sur Michael Faraday mêlant électrolyse et circuit avec bobine (6,5 points), et un exercice de mécanique sur les lois de Newton (5,5 points). Les candidats de spécialité traitent en plus un exercice de 4 points sur la synthèse de l'acétanilide. L'épreuve est équilibrée et très représentative des attentes : lecture de documents, bilans de matière, lois de Newton, équation différentielle et exploitation de courbes.
Le corrigé complet reprend les exercices un par un. Pour chaque question, la colonne de gauche montre ce qu'il faut écrire sur la copie, et la colonne de droite les pièges, les points à comprendre et les méthodes réutilisables.
Exercice 1 : les lois de Newton (5,5 points)
Un objet de masse 3,80 × 10-3 kg et de volume 2,10 × 10-6 m3 tombe dans un liquide de masse volumique 1240 kg·m-3. Sa chute, filmée, fournit les positions successives du centre d'inertie toutes les 0,050 s.
Lecture du document
L'écart entre points voisins grandit jusque vers G9, puis reste constant : une phase accélérée suivie d'une phase uniforme. Avec l'échelle du document (1 cm mesuré pour 2,5 cm réels), on obtient v3 = 0,30 m·s-1, v5 = 0,40 m·s-1 et a4 = 1,0 m·s-2, avec les tracés de vecteurs correspondants.
Forces et lois de Newton
La poussée d'Archimède, 2,6 × 10-2 N, est du même ordre de grandeur que le poids, 3,7 × 10-2 N. La deuxième loi de Newton projetée sur un axe vertical orienté vers le bas donne f = 7,9 × 10-3 N en G4, puis k = 2,5 × 10-2 kg·s-1 avec la vitesse imposée par l'énoncé. Dans la phase uniforme, le principe d'inertie conduit à vlim = 0,47 m·s-1, que le document confirme avec 0,50 m·s-1 au point G13.
Points de vigilance : diviser par 2τ et non par τ, utiliser la masse volumique du liquide dans la poussée d'Archimède, et soigner les signes à la projection. En phase uniforme, n'écrivez pas qu'aucune force ne s'exerce : les trois forces sont toujours là, c'est leur somme qui est nulle.
Ce que l'exercice évalue
Cet exercice teste surtout la rigueur de la démarche : définir le système et le référentiel, faire le bilan des forces, écrire la loi de Newton en vecteurs, puis projeter sur l'axe et isoler l'inconnue avant de passer aux nombres. Il demande aussi d'exploiter un document réel, avec une échelle à convertir et des mesures à la règle. Le corrigé rappelle que l'accélération, calculée à partir de la différence de deux vitesses proches, reste peu précise : un écart d'un millimètre sur une seule longueur la modifie sensiblement. Il signale enfin que la vitesse imposée en G4 par l'énoncé ne correspond pas exactement au document, et qu'il faut utiliser la valeur donnée.
Exercice 2 : synthèse de l'acétanilide (spécialité, 4 points)
Cet exercice de spécialité décrit la synthèse d'un ancien médicament contre la fièvre à partir d'aniline et d'anhydride éthanoïque.
Le protocole
Il faut schématiser le montage à reflux, avec une eau de refroidissement qui entre par le bas du réfrigérant, et expliquer le rôle du chauffage (facteur cinétique) et du reflux (aucune perte de matière). Les données de solubilité justifient la cristallisation de l'acétanilide au refroidissement ; la filtration sous vide est plus rapide et donne un solide mieux essoré ; l'étape de purification est une recristallisation.
Groupe amide et rendement
Le groupe amide associe le carbonyle et l'azote. Le composé A est l'acide éthanoïque, trouvé par conservation des éléments. Avec n2 = 0,159 mol d'anhydride et 0,110 mol d'aniline, l'aniline est limitante ; la masse maximale vaut 14,9 g et le rendement environ 78 %.
Points de vigilance : ne pas boucher le réfrigérant, calculer la quantité d'un liquide pur par sa masse, garder la valeur non arrondie dans le calcul du rendement. Pour le groupe amide, entourer seulement NH ou seulement C=O ne rapporte pas les points.
Le corrigé explique aussi pourquoi le rendement est inférieur à 1 : une partie du produit se perd lors des filtrations et des transferts, et un peu d'acétanilide reste dissous pendant la recristallisation. Il rappelle enfin le matériel de la filtration sous vide (entonnoir Büchner, papier-filtre, fiole à vide, trompe à eau), souvent demandé dans les questions expérimentales.
Exercice 3 : le savon à l'ancienne (4 points)
Ce premier exercice du sujet obligatoire part d'un texte historique sur la fabrication du savon, puis d'une préparation au laboratoire.
Acide-base et esters
Une base de Brønsted capte un proton. La soude et la potasse doivent leur caractère basique à l'ion hydroxyde, dont l'acide conjugué est l'eau. Sur la formule du triglycéride, on entoure les trois groupes ester, puis on écrit la formule du glycérol, le propan-1,2,3-triol.
Saponification et bilan de matière
La réaction de la soude sur le triester est une saponification, totale et lente. L'ion octadécanoate a une tête carboxylate hydrophile et une chaîne carbonée hydrophobe. Au laboratoire, 20,0 g de triester représentent 2,25 × 10-2 mol face à 0,400 mol d'ions hydroxyde : en tenant compte du coefficient 3, le triester est limitant et l'on attend 20,6 g de savon.
Points de vigilance : le coefficient 3 de l'équation, à la fois dans la comparaison des réactifs et dans le calcul de la masse de savon, et la conversion du volume en litres. Pour l'acide conjugué, il suffit d'ajouter un H+ à la base : un hydrogène et une charge positive en plus.
Cet exercice associe des questions de cours rapides et un bilan de matière plus technique. Les questions sur le texte historique, la définition d'une base et le nom de la réaction se traitent en quelques minutes ; le temps gagné sert au calcul final. Le corrigé indique aussi que les masses molaires de la version originale du sujet conduisent à la même masse de savon.
Exercice 4 : Michael Faraday (6,5 points)
C'est l'exercice le plus long de l'épreuve, en deux parties consacrées au chimiste puis au physicien.
L'électrolyse
Le cuivre se dépose par réduction des ions Cu2+, à la cathode reliée au pôle négatif. Il faut deux électrons par atome de cuivre, donc nCu = ne/2, avec ne = I·Δt / F. La quantité de cuivre déposée est proportionnelle à l'intensité, et la masse déposée proportionnelle à la masse molaire divisée par le petit nombre entier 2.
Le circuit avec bobine
L'intensité s'obtient par i = uR/R. La courbe B, à palier immédiat, correspond au circuit sans bobine ; la courbe A, qui monte progressivement, au circuit avec bobine. L'équation différentielle s'écrit L di/dt + (R + r) i = E. L'asymptote I = 30 mA donne r = 10 Ω ; la méthode des 63 % donne τ = 5,0 ms, puis L = 0,50 H. La limite est la même dans les deux saisies car les deux résistances r sont égales.
Points de vigilance : ne pas oublier la résistance r de la bobine, convertir les milliampères en ampères et les millisecondes en secondes. La bobine et les circuits RL ne figurent plus au programme actuel de spécialité, alors que l'électrolyse y reste.
Cet exercice demande de passer d'un raisonnement de chimie, fondé sur la demi-équation et la quantité d'électricité, à un raisonnement d'électricité, fondé sur la loi d'additivité des tensions et la lecture de courbes. Il faut aussi flécher la tension de la bobine en convention récepteur sur l'annexe à rendre, et vérifier par analyse dimensionnelle que L/(R + r) est bien un temps. Le corrigé trace sur la courbe A la lecture de τ à 63 % de la valeur finale, méthode plus précise que la tangente à l'origine.
Gestion du temps
Le barème donne une bonne indication : environ 1 h 05 pour l'exercice de mécanique, 1 h 18 pour l'exercice sur Faraday et 52 minutes pour chacun des exercices de 4 points. Commencez par lire le sujet en entier et repérez les annexes à rendre avec la copie : les vecteurs de l'exercice de mécanique et le circuit de l'annexe 1, sur lequel il faut flécher la tension. Les questions de cours (définition d'une base, lois de Newton, nom des techniques) rapportent des points rapidement : ne les laissez pas de côté. Gardez quelques minutes à la fin pour relire les unités et les chiffres significatifs.
L'ordre de traitement est libre : les exercices sont indépendants. Beaucoup d'élèves commencent par l'exercice où ils se sentent le plus à l'aise, mais il est prudent de ne pas garder pour la fin l'exercice sur Faraday, le plus long et le mieux doté. Dans chaque exercice, les questions s'enchaînent : si un résultat intermédiaire vous échappe, utilisez la valeur donnée par l'énoncé, comme la vitesse en G4 de l'exercice de mécanique, pour continuer.
Conclusion
Ce sujet balaie une grande partie du programme de terminale : mécanique avec frottement fluide, chimie organique et bilans de matière, électrochimie et circuits électriques. La plupart des questions reposent sur des méthodes que l'on retrouve d'une année à l'autre : système et bilan des forces, tableau d'avancement, équation différentielle et lecture d'une constante de temps. Faites d'abord l'épreuve en temps limité, puis corrigez-vous exercice par exercice avec le corrigé détaillé, en vous attardant sur les pièges signalés.