Bac S 2015 Asie : un sujet complet de physique-chimie pour s'entraîner

Le sujet de physique-chimie du bac S 2015 en Asie, de l'ancien programme, se compose de quatre exercices notés sur 20 points au total, pour une durée de 3 h 30. Les trois premiers forment le sujet obligatoire : un exercice de mécanique et d'ondes sur le système de navigation Galileo (6 points), un long exercice de chimie organique sur le linalol et l'éthanoate de linalyle (9 points), et un exercice sur l'isolation thermique du refuge du Goûter (5 points). L'exercice 4, de spécialité, porte sur l'acoustique d'une salle de classe (5 points) : les candidats de spécialité le traitent à la place de l'exercice 3.

Ce sujet est équilibré entre physique et chimie et mêle des questions de cours, des calculs, des analyses de documents et une résolution de problème. Il demande une bonne maîtrise des conversions d'unités et des chiffres significatifs, ainsi qu'une rédaction soignée dans les questions argumentées. Plusieurs notions qu'il mobilise, comme le carbone asymétrique, la représentation de Cram ou la spectroscopie RMN, ne figurent plus au programme actuel de la spécialité de terminale. Il reste un excellent entraînement pour la mécanique, la synthèse organique et la démarche scientifique.

Exercice 1 : Galileo, système de navigation par satellite

Ce premier exercice, prévu pour environ une heure, suit un satellite Galileo de ses signaux radio jusqu'à son orbite à 23 522 km d'altitude.

Les ondes et l'horloge atomique

La question 1.1 demande le domaine des trois signaux émis. L'axe du document est gradué en longueur d'onde : on calcule λ = c/f après avoir converti les mégahertz en hertz. Les longueurs d'onde, comprises entre 19,0 cm et 25,2 cm, appartiennent au domaine des ultra hautes fréquences (UHF). La question 1.2, documentaire, retient deux critères qui aident Galileo face aux « canyons urbains » : son nombre de satellites (30, contre 29 pour Glonass et 24 pour le GPS) et l'emploi de trois bandes de fréquence. La question 1.3 montre qu'une précision de 1,0 m sur la position impose de mesurer les durées à 3,3 × 10⁻⁹ s près, ce que seule une horloge atomique permet.

Le modèle de lancement

Des élèves ont modélisé le décollage de la fusée, mais avec une erreur de signe : projetée sur un axe orienté vers le haut, la deuxième loi de Newton donne a = F/M − g, et non F/M + g. Il faut corriger à la fois l'accélération et l'équation horaire de la position. Après conversion de la masse (310 t) en kilogrammes et de l'altitude en mètres, la durée de mise en orbite est d'environ 4 × 10³ s. La question 2.3 invite à critiquer les hypothèses : masse, pesanteur et poussée ne sont pas constantes, les frottements sont négligés, et la trajectoire réelle n'est pas verticale.

Les lois de Kepler

La loi des aires s'illustre par un schéma où la Terre occupe un foyer de l'ellipse. Appliquée à une orbite circulaire, elle montre que le mouvement est uniforme. La troisième loi de Kepler permet de comparer les périodes : plus le satellite est haut, plus sa période est longue. Le calcul donne pour Galileo T = 5,14 × 10⁴ s, soit environ 14 h 17 min, plus que les périodes du GPS (11 h 58 min) et de Glonass (11 h 15 min). Le piège principal est d'utiliser l'altitude à la place du rayon de l'orbite, R_T + h.

Exercice 2 : l'éthanoate de linalyle et le linalol

Avec 9 points et environ 1 h 30 de travail, c'est l'exercice central du sujet. Il porte sur deux molécules odorantes et couvre une grande partie de la chimie organique de terminale S.

Structure et stéréoisomérie

Il faut d'abord reconnaître le groupe ester en entourant l'enchaînement −CO−O− en entier. La molécule possède un seul carbone asymétrique, celui qui porte l'oxygène du groupe ester, et aucune isomérie Z/E, car sur chaque double liaison un carbone porte deux groupes identiques. Le mélange obtenu contient donc deux énantiomères. On justifie ensuite le nom du linalol, 3,7-diméthylocta-1,6-dièn-3-ol, on identifie le groupe R de sa formule simplifiée et on représente ses deux énantiomères en représentation de Cram.

La synthèse du linalol

Les étapes de la synthèse se classent par catégorie : l'étape 3 est une élimination, l'étape 5 une substitution. L'étape 4 modifie à la fois la chaîne carbonée, qui passe de 5 à 6 carbones, et le groupe caractéristique. Le mécanisme de l'étape 1 se complète par des flèches courbes partant toujours d'un doublet vers un site accepteur. Le spectre infrarouge confirme la formation du linalol par la bande O−H vers 3400 cm⁻¹ et l'absence de la bande C=O de la cétone de départ.

La synthèse de l'ester

Avec l'acide éthanoïque, la transformation est limitée et le rendement n'est que de 5 %. On justifie le chauffage à reflux, qui accélère la réaction sans perte de matière, et le rôle du catalyseur, qui modifie la cinétique et le mécanisme sans changer la composition finale. Avec l'anhydride éthanoïque, il faut justifier chaque précaution par une mention de danger, puis calculer le rendement sur les quantités de matière : il atteint 76 %. En RMN, le singulet du proton du groupe hydroxyle est remplacé par celui des trois protons du groupe CH₃−CO. La comparaison finale met en balance rendement, rapidité et dangers des réactifs.

Exercice 3 : le refuge du Goûter, un projet H.Q.E.

Cet exercice de 5 points, prévu pour environ 50 minutes, est le dernier du sujet obligatoire. Il s'appuie sur la construction d'un refuge en bois à 3835 m d'altitude.

Transferts thermiques et triple vitrage

Après avoir associé conduction, convection et rayonnement à leurs définitions, on calcule la résistance thermique d'un triple vitrage en additionnant celles de ses trois vitres et de ses deux lames d'argon. Le résultat, 1,7 K·W⁻¹, se compare à celui d'un vitrage à air, 1,1 K·W⁻¹ : la résistance augmente d'environ 51 %, en prenant bien le vitrage à air comme valeur de référence. Le même calcul montre que le verre n'apporte qu'environ 0,6 % de la résistance totale : épaissir les vitres ne changerait presque rien.

Le choix du bois

Un contrôle par ultrasons montre qu'un tronc d'épicéa est sain : la vitesse mesurée, environ 1,8 × 10³ m·s⁻¹, dépasse la vitesse de référence, et le pourcentage de dégradation est négatif. Le tronc n'étant traversé qu'une fois, il n'y a pas de facteur 2. L'exercice se termine par un paragraphe argumenté : le bois est isolant, léger, compatible avec le transport par hélicoptère, local et renouvelable, et sa qualité se contrôle sans destruction. Chaque argument doit s'appuyer sur une donnée des documents.

Exercice 4 (spécialité) : rénovation d'une salle de classe

Réservé aux candidats de spécialité, cet exercice de 5 points, prévu pour environ 50 minutes, est une résolution de problème en acoustique des salles.

La formule de Sabine

La question préliminaire fait lire la formule T_R = 0,16 × V/A : pour réduire le temps de réverbération, il faut diminuer le volume de la salle ou augmenter sa surface d'absorption équivalente, donc les coefficients d'absorption ou les surfaces des matériaux absorbants.

Le faux plafond

La salle, d'un volume d'environ 224 m³, doit avoir un temps de réverbération compris entre 0,4 s et 0,8 s, alors qu'il vaut 1,1 s. On déduit l'absorption des murs du temps de réverbération initial, puis on exprime le volume et la surface d'absorption après travaux en fonction de la hauteur h d'un faux plafond isolant. La formule de Sabine, écrite pour 0,4 s, donne h ≈ 3,0 m, au-dessus des fenêtres qui s'arrêtent à 2,80 m. Le piège est d'oublier que la surface des murs diminue elle aussi quand on abaisse le plafond.

Gérer son temps sur l'épreuve

Les durées indiquées pour chaque exercice donnent un repère utile : environ une heure pour l'exercice 1, une heure et demie pour l'exercice 2, cinquante minutes pour l'exercice 3 ou l'exercice 4. Cela laisse une dizaine de minutes pour la relecture. L'exercice 2, le plus long et le mieux doté, mérite qu'on ne s'y attarde pas sur une question bloquante : ses parties sont largement indépendantes, et l'on peut reprendre plus loin. Dans l'exercice 1, les questions de Kepler peuvent se traiter même si le calcul de la durée de mise en orbite a échoué. Pour les questions argumentées, comme la critique du modèle de lancement ou le paragraphe sur le bois, prévoyez un court brouillon pour organiser les idées avant de rédiger.

Gardez aussi un réflexe constant : vérifier les unités avant chaque application numérique. Mégahertz, tonnes, kilomètres et millimètres sont autant de pièges qui jalonnent ce sujet.

Enfin, soignez les chiffres significatifs : dans chaque exercice, le résultat garde la précision de la donnée la moins précise. Gardez les valeurs non arrondies d'une question à l'autre, comme la résistance thermique du triple vitrage ou l'absorption des murs de la salle de classe, et n'arrondissez qu'au moment d'écrire le résultat final. Une conclusion rédigée en une phrase, qui répond directement à la question posée, rend la copie plus lisible.

Conclusion

Le sujet du bac S 2015 en Asie offre un entraînement complet : mécanique céleste et lois de Newton, chimie organique détaillée, transferts thermiques et, pour la spécialité, une vraie résolution de problème. Traitez-le en temps limité, puis comparez vos réponses au corrigé détaillé de chaque exercice, en vous attardant sur les pièges signalés et sur les méthodes. C'est la meilleure façon de transformer un sujet d'annales en progrès concrets.