Le bac S 2010 Asie en physique-chimie : une épreuve variée de 3 h 30

Le sujet de physique-chimie du bac S 2010 Asie, de l'ancien programme, se compose de trois exercices obligatoires et d'un exercice réservé aux candidats de spécialité, pour un total de 20 points et une durée de 3 h 30. La calculatrice y est interdite, ce qui impose de savoir mener des calculs simples à la main grâce aux opérations fournies par l'énoncé. L'épreuve couvre un large spectre : ondes mécaniques avec les marégraphes, mécanique avec la chute d'une goutte de pluie, un QROC de chimie qui passe en revue une grande partie du programme, et l'étude d'une lunette astronomique en spécialité. Ce sujet est un bon entraînement pour vérifier ses connaissances de cours et la rigueur de sa rédaction.

Exercice 1 : les marégraphes côtiers numériques (4 points)

Le premier exercice décrit un télémètre à ultrasons qui mesure la hauteur de la marée. Après deux définitions de cours, onde mécanique et onde longitudinale, il faut exprimer la durée de l'aller-retour d'une salve, Δt = 2L/v, puis la hauteur H = D − vΔt/2. L'application numérique donne Δt1 = 4,0 × 10^-2 s pour une hauteur de 3,20 m sous un télémètre placé à 10 m.

La question sur le Cap Ferret est un bon test de raisonnement : à hauteur égale, une durée plus longue ne peut venir que d'une célérité plus faible, car le produit vΔt est fixé. Comme la célérité du son dépend de la température de l'air, le marégraphe doit embarquer un capteur de température. La maquette réalisée en classe termine l'exercice : sur l'enregistrement, le décalage entre le début de la salve émise et le début de l'écho est de 2,3 ms, ce qui correspond à environ 4 cm d'eau dans l'éprouvette.

Les erreurs à éviter : oublier le facteur 2 de l'aller-retour, ne pas convertir D en mètres, associer une salve au mauvais écho.

Exercice 2 : chute d'une goutte de pluie (5,5 points)

Cet exercice de mécanique commence par la poussée d'Archimède, FA = ρ2 V g, et montre qu'elle est négligeable devant le poids, le rapport P/FA valant 7,7 × 10^2. La deuxième loi de Newton conduit ensuite à l'équation différentielle dv/dt = A v + B, avec A = −K/m en s^-1 et B = g en m·s^-2.

La méthode d'Euler occupe une place centrale. L'accélération à 3,4 s vaut 3,2 m·s^-2, le pas de 0,2 s se lit dans le tableau et l'on obtient une vitesse de 21,6 m/s à 3,6 s. Il faut savoir expliquer pourquoi un pas plus petit améliore la précision. La courbe v(t) permet de constater que l'accélération diminue jusqu'à s'annuler : en régime permanent, le frottement compense le poids et la vitesse limite vaut mg/K.

La seconde partie, par temps venteux, revient à un mouvement dans le champ de pesanteur avec une vitesse initiale oblique. Les équations horaires x(t) = v2 t et y(t) = g t²/2 + v t, avec un axe vertical descendant, donnent une trajectoire parabolique. L'orientation de l'axe Oy est le point délicat : avec un axe descendant, la composante du poids est positive.

Exercice 3 : un QROC de chimie (6,5 points)

Le troisième exercice est le plus long. Il se présente sous forme de questions à réponses ouvertes et courtes : une seule proposition est juste, et la plupart demandent une justification. Les six parties couvrent l'autoprotolyse de l'eau et le produit ionique Ke, interprété aussi comme constante d'acidité du couple H2O/HO−, puis la cinétique d'une estérification.

La question sur la courbe 3 est la plus fine : partant de 0,6 mol d'acide et 0,6 mol d'alcool, une courbe qui atteint 0,6 mol correspondrait à une réaction totale, ce qui est impossible pour une estérification sans modifier le système. Ni la température ni un catalyseur ne changent l'état final. Viennent ensuite le nom d'un ester, le méthanoate de propyle, et le calcul d'un taux d'avancement final de 0,25 à partir d'un tableau d'avancement où l'avancement maximal vaut 0,20 mol.

La suite porte sur la constante d'équilibre, qui ne dépend que de la température, puis sur le titrage d'un acide fort par la soude : le point d'équivalence à pH 7,0 et 50 mL désigne le bleu de bromothymol comme seul indicateur adapté. Les deux dernières parties traitent de l'électrolyse à anode soluble entre deux lames de plomb, où l'anode s'amincit et la cathode s'épaissit, et du critère d'évolution spontanée appliqué à une pile plomb/fer. Le quotient de réaction initial de 40, comparé à K = 3,0 × 10^10, montre que le fer est consommé. En revanche, sans fer métallique dans le bécher, le système ne peut pas évoluer.

Exercice 4 de spécialité : visibilité d'une nébuleuse annulaire (4 points)

Les candidats de spécialité étudient la lunette du Harvard College, modélisée par un objectif de 6,80 m de distance focale et un oculaire de 4,0 cm. La somme des distances focales étant égale à la distance entre les lentilles, la lunette est afocale. Les constructions de l'annexe sont au cœur de l'exercice : image intermédiaire A1B1 dans le plan focal de l'objectif, marche d'un rayon à travers l'oculaire, puis cercle oculaire.

Les calculs suivent : α = A1B1/f'1, α' = A1B1/f'2 et un grossissement G = f'1/f'2 = 1,7 × 10^2. Pour la nébuleuse M57, située à 2600 années de lumière, le diamètre apparent à l'œil nu vaut 5,0 × 10^-4 rad, au-dessus du pouvoir séparateur de l'œil. La nébuleuse reste pourtant invisible car trop peu lumineuse, d'où l'intérêt d'un objectif de grand diamètre. À travers la lunette, son diamètre apparent atteint 8,5 × 10^-2 rad.

Les compétences évaluées

Au-delà des chapitres, ce sujet évalue des savoir-faire transversaux. Le premier est la maîtrise des définitions : onde mécanique, onde longitudinale, produit ionique de l'eau, électrolyse, cercle oculaire. Ces questions rapportent des points à condition d'employer les mots exacts, et une définition approximative est rarement acceptée.

Le deuxième savoir-faire est l'établissement d'expressions littérales. Dans l'exercice 1, il faut passer de la durée de l'écho à la hauteur d'eau ; dans l'exercice 2, établir l'équation différentielle puis l'expression de la vitesse limite ; dans l'exercice 4, relier les diamètres apparents aux distances focales. Une expression littérale juste, vérifiée par son homogénéité, sécurise ensuite l'application numérique.

Le troisième est l'exploitation de documents : l'enregistrement des tensions de l'émetteur et du récepteur, la courbe de vitesse de la goutte, les courbes d'avancement de l'estérification et la courbe de titrage pH-métrique. Lire une valeur sur un graphique demande de repérer les unités des axes et de tracer proprement les constructions, comme les tangentes parallèles ou la tangente à l'origine.

Enfin, le sujet teste le raisonnement qualitatif. Plusieurs questions ne demandent aucun calcul mais une justification : pourquoi un capteur de température, pourquoi la courbe 3 est impossible, pourquoi le système ne peut pas évoluer sans fer métallique, pourquoi un objectif de grand diamètre rend la nébuleuse visible. Ce sont souvent ces questions qui départagent les copies.

Comment s'entraîner avec ce sujet

Le plus efficace est de traiter le sujet en temps limité, dans les conditions de l'examen et sans calculatrice, puis de comparer sa copie au corrigé exercice par exercice. Pour chaque question, le corrigé distingue ce qu'il faut écrire sur la copie pour obtenir tous les points et les remarques qui l'accompagnent : les pièges qui coûtent réellement des points, ce qu'il faut comprendre et les méthodes réutilisables. Les schémas de l'annexe complétée et les lectures graphiques sont reproduits pour vérifier ses propres tracés.

Ce sujet appartient à l'ancien programme de terminale S. La plupart des notions qu'il mobilise restent au programme actuel de spécialité physique-chimie : ondes mécaniques, deuxième loi de Newton, mouvement dans le champ de pesanteur, méthode d'Euler, cinétique, équilibres, titrages, électrolyse, piles et lunette astronomique. Il reste donc un très bon support de révision.

Gérer son temps sur l'épreuve

Les durées conseillées découlent du barème : environ 52 minutes pour l'exercice 1, 1 h 05 pour l'exercice 2, 1 h 18 pour le QROC et 52 minutes pour la spécialité. Le QROC peut donner une fausse impression de rapidité : chaque item demande une courte justification, et il vaut mieux traiter rapidement les items de cours pour garder du temps pour les questions de raisonnement, comme celle de la courbe 3 ou celle de la pile. Les questions sans calculatrice se traitent plus vite si l'on simplifie les expressions littérales avant de remplacer par les valeurs numériques et si l'on utilise les résultats intermédiaires fournis par l'énoncé.

Il est conseillé de commencer par l'exercice dans lequel on se sent le plus à l'aise, en notant clairement le numéro de chaque question. Les constructions de l'annexe se font avec soin, à la règle, en nommant les foyers et en fléchant les rayons.

Conclusion

Ce sujet du bac S 2010 Asie réunit des questions de cours, des calculs simples et des raisonnements qualitatifs. Il permet de réviser les ondes, la mécanique newtonienne, la méthode d'Euler, la chimie des équilibres, les titrages, l'électrochimie et l'optique des instruments. Le corrigé détaillé reprend chaque question avec la rédaction attendue sur la copie, les pièges à éviter, ce qu'il faut comprendre et les méthodes réutilisables d'un sujet à l'autre.