L'épreuve de physique-chimie du Bac S 2003 Inde (Pondichéry)

Le sujet de physique-chimie du Bac S 2003 Inde (Pondichéry) est une épreuve de 3 h 30 qui couvre un large éventail du programme : électricité, chimie organique, cinétique et équilibres chimiques, mécanique newtonienne et optique. Il réunit un sujet commun de trois exercices notés sur 16 points, une estérification, une mise en orbite par la fusée Ariane et un flash électronique, ainsi qu'un exercice de spécialité de 4 points consacré au télescope de Newton, soit 20 points au total. Bien qu'il relève de l'ancien programme, la très grande majorité des notions abordées sont toujours étudiées en spécialité physique-chimie : circuit RC, titrages, avancement et rendement, quotient de réaction, deuxième loi de Newton, satellites et instruments d'optique. C'est donc un excellent sujet d'entraînement pour le bac actuel.

Cette page propose le sujet officiel complet et un corrigé détaillé de chaque exercice. Chaque question est rédigée comme sur une copie de bac, avec à côté les pièges à éviter, les notions à comprendre et les méthodes à retenir.

Les compétences évaluées

Au fil des quatre exercices, l'épreuve évalue des savoir-faire variés : écrire une relation littérale avant toute application numérique, convertir les grandeurs dans les unités du Système international, exploiter un tableau de mesures ou une courbe, construire un tableau d'avancement, appliquer un critère d'évolution, réaliser une construction graphique à la règle et rédiger une démonstration de mécanique. Les résultats doivent être donnés avec un nombre de chiffres significatifs cohérent avec les données, un point sur lequel le corrigé revient à plusieurs reprises. Le sujet comporte aussi plusieurs questions qui demandent une justification rédigée plutôt qu'un calcul : pourquoi élever la tension d'un flash, comment évolue une vitesse de réaction, pourquoi l'éjection des gaz propulse une fusée. Ces questions sont souvent négligées alors qu'elles rapportent des points avec une réponse courte et bien argumentée.

Exercice 1 : le flash électronique (4 points)

Le premier exercice part d'un objet familier, le flash d'un appareil photo, alimenté par deux piles de 1,5 V mais dont le condensateur de 150 µF est chargé sous 330 V.

Énergie et puissance

La relation E = ½ C U² donne une énergie stockée de 8,17 J. Libérée en une milliseconde environ, elle correspond à une puissance moyenne de l'ordre de 8 kW. La question 1.c demande de justifier l'élévation de la tension : l'énergie étant proportionnelle au carré de la tension, passer de 3,0 V à 330 V multiplie l'énergie stockée par environ 1,2 × 10⁴.

Charge du condensateur

Dans la partie expérimentale, la loi des mailles appliquée à t = 0, condensateur déchargé, donne la résistance du montage, environ 2,2 × 10⁵ Ω. On trace ensuite la courbe i = f(t), on calcule i(τ) = 19,9 µA et on lit τ ≈ 35 s. La relation τ = RC conduit à une capacité voisine de 1,6 × 10^-4 F, comprise dans la tolérance de 10 % annoncée par le fabricant.

Points de vigilance : les conversions en unités du Système international, microfarads et microampères, et la méthode de lecture de la constante de temps à 37 % de l'intensité initiale. Le tracé de la courbe doit respecter l'échelle imposée et être lissé, sans segments entre les points. Cet exercice, plutôt court, est une bonne manière d'entrer dans l'épreuve en sécurisant des points.

Exercice 2 : étude d'une estérification (6 points)

L'exercice de chimie suit la réaction entre 0,500 mol d'acide éthanoïque et 0,500 mol de propan-1-ol, répartie dans sept erlenmeyers dosés d'heure en heure par une solution d'hydroxyde de sodium.

Réaction et titrage

Il faut d'abord écrire l'équation en formules semi-développées et nommer l'ester, l'éthanoate de propyle, puis calculer le volume d'alcool à prélever, environ 38 mL. La constante de la réaction de titrage, K = K_A / K_e = 1,6 × 10⁹, montre qu'elle est totale. L'exploitation de l'équivalence pour l'erlenmeyer n°1 exige de tenir compte de la prise d'essai, un vingtième de la solution : il reste 0,284 mol d'acide et il s'est formé 0,216 mol d'ester.

Cinétique et équilibre

Le tableau d'avancement donne x_max = 0,500 mol ; la courbe de l'annexe atteint un palier à x_éq = 0,335 mol, d'où un rendement de 67 %. La vitesse volumique, liée à la pente de la tangente, diminue au cours du temps puis s'annule à l'équilibre. La constante d'équilibre vaut K' = 4,12, l'eau figurant dans son expression puisqu'elle n'est pas le solvant. Après l'ajout d'une mole d'acide, le quotient de réaction vaut 0,58, inférieur à K' : le système évolue dans le sens direct, et la résolution d'une équation du second degré donne un nouveau rendement de 90 %.

Points de vigilance : le facteur de dilution du titrage, la confusion entre vitesse et avancement, et le choix de la bonne racine, qui ne doit pas dépasser l'avancement maximal. C'est l'exercice le plus long du sujet : un tableau d'avancement clair, posé dès la question 3.a, sert de base à toutes les questions suivantes et fait gagner un temps précieux.

Exercice 3 : spécialité, le télescope de Newton (4 points)

L'exercice de spécialité est consacré à l'optique géométrique.

Les miroirs

La première partie fait construire l'image d'un objet dans un miroir plan, virtuelle et de grandissement +1, puis dans un miroir sphérique concave, où l'image d'un objet à l'infini se forme au foyer. Sur la figure du sujet, l'image de l'objet AB par le miroir concave est réelle, renversée et plus petite.

Le télescope et son grossissement

Dans le télescope, le miroir plan incliné à 45° renvoie le foyer du miroir principal sur l'axe de l'oculaire, dont le foyer objet doit coïncider avec ce point : l'instrument est afocal. Pour la Lune, de diamètre apparent 30 minutes d'arc, l'image intermédiaire mesure 10,5 mm. Le grossissement vaut f₁ / f'₂ = 60,0.

Points de vigilance : la précision des constructions à la règle, l'approximation des petits angles et l'emploi de la même unité pour les deux distances focales. Les figures de l'annexe sont à rendre avec la copie : soigne-les, indique le sens de propagation de la lumière et nomme les points construits. Le raisonnement est le même que pour une lunette astronomique afocale, avec un miroir concave à la place de l'objectif.

Exercice 4 : mise en orbite d'un satellite par la fusée Ariane (6 points)

Le dernier exercice est un problème de mécanique en deux temps.

L'ascension de la fusée

Le bilan des forces, poids et poussée, et la deuxième loi de Newton donnent a = F/m − g₀. L'accélération passe de 2,0 m/s² au décollage à 30,6 m/s² en fin de combustion, quand la masse est tombée à 60,5 t : le mouvement n'est pas uniformément accéléré. L'analyse dimensionnelle de la vitesse d'éjection, puis son calcul, 2,40 × 10³ m/s, précèdent une question de cours sur le principe des actions réciproques, qui explique la propulsion.

Le satellite en orbite basse

Pour le satellite à 200 km d'altitude, il faut décrire l'accélération d'un mouvement circulaire uniforme, énoncer la loi de la gravitation universelle, exprimer g(h) en fonction de g₀, puis établir la vitesse et la période. On obtient 7,8 km/s et une période de 5,3 × 10³ s, soit environ 1 h 29 min.

Points de vigilance : le changement de référentiel, terrestre puis géocentrique, la distinction entre altitude et rayon de l'orbite, et la conversion des kilomètres en mètres. La démarche de la partie 2 est un grand classique : elle se retrouve dans de nombreux sujets sur les satellites, et il est utile de savoir la refaire sans hésiter, de la deuxième loi de Newton jusqu'à l'expression de la période.

Gérer son temps pendant l'épreuve

Sur 3 h 30 pour 20 points, compte environ dix minutes par point : un peu plus d'une heure pour chaque exercice sur 6 points et une quarantaine de minutes pour chaque exercice sur 4 points. Commence par l'exercice où tu te sens le plus à l'aise, mais ne t'y attarde pas au-delà du temps prévu. Les questions de cours, comme l'énoncé de la loi de gravitation ou la définition de la constante d'acidité, rapportent des points rapidement : ne les laisse pas de côté. Lorsqu'une question bloque, passe à la suivante : les exercices sont indépendants, et plusieurs questions d'un même exercice peuvent se traiter sans le résultat précédent, comme les questions de cours sur la vitesse volumique ou sur le mouvement circulaire uniforme. Si un résultat intermédiaire te manque, utilise une valeur plausible en le signalant clairement sur ta copie. Garde enfin quelques minutes pour relire les unités et les chiffres significatifs de tes résultats.

Conclusion

Le sujet du Bac S 2003 Inde (Pondichéry) est équilibré et très formateur : il fait travailler les calculs d'énergie, l'exploitation de courbes, le tableau d'avancement, le critère d'évolution d'un système chimique, les constructions d'optique et la mécanique newtonienne. Traite-le d'abord en temps limité, sans document, puis compare ta copie au corrigé détaillé, exercice par exercice. Les remarques sur les pièges et les méthodes t'aideront à repérer les erreurs qui coûtent des points et à adopter une rédaction efficace le jour du bac.