Bac S 2017 Inde (Pondichéry) : présentation de l'épreuve de physique-chimie

L'épreuve de physique-chimie du bac S 2017 Inde (Pondichéry), session de l'ancien programme, dure 3 h 30 et est notée sur 20 points. Elle comprend deux exercices communs à tous les candidats, puis un troisième exercice qui dépend de l'enseignement suivi : l'exercice 3 pour les candidats sans spécialité, l'exercice 4 pour ceux qui ont choisi la spécialité physique-chimie. Le sujet complet présenté ici regroupe donc quatre exercices, chacun accompagné de son corrigé détaillé.

Le sujet est varié et ancré dans des situations concrètes : un saut à moto au-dessus du canal de Corinthe, un smartphone utilisé comme instrument de travaux pratiques, la chimie de la cinquième saveur et un véhicule à pile à combustible alimenté par des galettes d'hydrure de magnésium. Il couvre la mécanique, les ondes, le numérique, la chimie organique, l'acido-basicité et l'oxydoréduction. C'est un très bon sujet de révision générale, car il oblige à changer souvent de chapitre.

Exercice 1 : saut spectaculaire au-dessus du canal de Corinthe (6 points)

Ce premier exercice, prévu pour environ une heure, est un classique de mécanique. Il commence par la deuxième loi de Newton : si le poids est la seule force, l'accélération est égale au champ de pesanteur, vertical, et la composante horizontale de la vitesse reste constante. Le mouvement horizontal est uniforme, et il faut le préciser : seul ce mouvement-là l'est.

La chronophotographie permet ensuite de valider le modèle : les écarts horizontaux entre positions successives valent tous environ 2,0 cm, signe que les frottements sont négligeables. La deuxième partie traite des incertitudes : à partir de six mesures, on obtient une vitesse horizontale de 28,6 ± 0,6 m/s avec un niveau de confiance de 95 %. En divisant les bornes par cos 33°, on obtient un intervalle de 33,4 à 34,8 m/s pour la vitesse en sortie de tremplin, qui contient bien les 125 km/h annoncés, soit 34,7 m/s.

La troisième partie étudie le sommet de la trajectoire. La vitesse verticale varie de façon affine avec le temps, le mouvement vertical est donc uniformément varié. Au sommet, seule la composante verticale s'annule : la vitesse vaut encore 28,6 m/s. La conservation de l'énergie mécanique donne alors une ordonnée du sommet de 19,7 m par rapport à la sortie du tremplin. En ajoutant 79 m et 5,7 m, on trouve environ 104 m au-dessus de l'eau, ce qui confirme que le point le plus haut dépasse 95 m.

Les pièges principaux : confondre vitesse et composante horizontale, croire la vitesse nulle au sommet, et oublier de changer d'origine pour les altitudes.

Exercice 2 : un smartphone en TP de physique-chimie (9 points)

C'est l'exercice le plus lourd du sujet, prévu pour environ 1 h 30. Il se compose de quatre parties indépendantes, ce qui permet d'avancer même en cas de difficulté sur l'une d'elles.

Dans la première partie, un laser réfléchi par l'écran produit une figure d'interférences, preuve du comportement ondulatoire de la lumière. En mesurant 6 interfranges sur la photographie, on obtient une interfrange de 1,27 cm, puis une distance entre pixels de 85 µm. Les données du fabricant donnent 83 µm : l'écart d'environ 2 % est compatible avec la précision de la lecture.

La deuxième partie traite du numérique. Une vidéo non compressée de 20 s en 720 × 480 pixels, à 30 images par seconde et 24 bits par pixel, occupe environ 622 Mo. La fréquence Bluetooth de 2,4 GHz correspond à une longueur d'onde d'environ 0,13 m, dans le domaine des micro-ondes. Le fichier compressé de 9,1 Mo, transmis à 24 Mbit/s, demande au minimum 3,0 s. Chaque question repose sur une conversion : bits et octets, gigahertz et hertz, mégaoctets et mégabits.

La troisième partie fait choisir, par analyse dimensionnelle, l'expression de la période du pendule simple, T = 2π √(L/g). La vidéo du pendule donne une période de 1,13 s, d'où une longueur de fil de 0,32 m.

La quatrième partie est un dosage par étalonnage réalisé avec l'appareil photo du téléphone. Il faut décrire une dilution au cinquième avec une pipette jaugée de 10,0 mL et une fiole jaugée de 50,0 mL, expliquer pourquoi un sous-pixel est codé de 0 à 255, puis justifier le choix du vert, couleur absorbée au maximum par le permanganate de potassium. La droite d'étalonnage conduit à une concentration de 3,1 × 10^-5 mol/L dans l'antiseptique, soit environ 0,5 mg de permanganate pour 100 mL : la teneur a été divisée par deux par rapport à l'ancienne notice.

Exercice 3 : la cinquième saveur (5 points, candidats sans spécialité)

Cet exercice de chimie organique, prévu pour environ 50 minutes, est consacré à l'acide glutamique. On justifie d'abord qu'il s'agit d'un acide aminé, puis on compare trois représentations de Cram : autour de l'unique carbone asymétrique, deux échanges de groupes redonnent la même molécule, un seul échange donne l'énantiomère. A et B sont identiques, A et C énantiomères.

L'étude d'une étape de la synthèse demande d'identifier le groupement R, HOOC-CH2-CH2-, puis de tracer les flèches courbes du doublet non liant de l'azote vers le carbone accepteur, et de la double liaison C=O vers l'oxygène. Cette étape est une addition. La seconde partie porte sur le dipeptide GLU-SER : équation de condensation avec libération d'eau, fonction amide, et repérage des quatre groupes à protéger.

La question de l'électrophorèse est la plus formatrice : pour chaque tampon, on détermine la forme prédominante et la charge globale de chaque acide aminé. À pH 7,0, la sérine est globalement neutre et reste au dépôt tandis que l'acide glutamique migre vers le pôle positif : c'est le tampon à choisir. Enfin, la spectroscopie infrarouge ne permet pas de distinguer sûrement les deux molécules avec la table fournie, car la bande O-H d'alcool de la sérine se superpose à celle des liaisons N-H.

Exercice 4 : les éponges à hydrogène (5 points, spécialité)

L'exercice de spécialité, prévu lui aussi pour environ 50 minutes, étudie une pile à combustible. Il faut écrire les demi-équations à l'anode, où le dihydrogène est oxydé, et à la cathode, où le dioxygène est réduit, puis l'équation globale 2 H2 + O2 → 2 H2O. La question des pôles se justifie par le sens des électrons : l'anode, qui les libère, est la borne négative ; la cathode, qui les consomme, est la borne positive.

La résolution de problème demande le nombre de galettes d'hydrure de magnésium de 760 g nécessaires pour 10 h d'autonomie sous 200 A. La charge débitée conduit à 37,3 mol, soit 74,6 g de dihydrogène, en tenant compte des deux électrons par molécule. La pression d'alimentation de 0,3 MPa impose de chauffer les galettes à 320 °C, température à laquelle chacune libère 5,83 % de sa masse, soit 44,3 g. Le rapport vaut 1,7 : il faut donc 2 galettes. Le commentaire attendu souligne la légèreté du dispositif, environ 1,5 kg pour 10 h, la cohérence avec la teneur maximale de 7,6 % d'hydrogène dans l'hydrure, et la contrepartie énergétique du chauffage.

Gestion du temps pendant l'épreuve

Le barème guide la répartition du temps : environ une heure pour l'exercice 1, 1 h 30 pour l'exercice 2 et 50 minutes pour l'exercice 3 ou 4, ce qui laisse quelques minutes de relecture sur les 3 h 30. L'exercice 2 étant découpé en parties indépendantes, il vaut mieux traiter rapidement les questions directes, comme le codage d'un sous-pixel ou le domaine des ondes Bluetooth, avant les calculs plus longs. Dans l'exercice de spécialité, réservez un temps réel à la résolution de problème et à son commentaire, qui porte la majorité des points. Commencer par l'exercice où l'on se sent le plus à l'aise est souvent une bonne stratégie.

Les compétences évaluées dans ce sujet

Au-delà des connaissances, l'épreuve évalue plusieurs savoir-faire transversaux. Le premier est l'exploitation de documents : chronophotographie, courbe de la vitesse verticale, photographie d'une figure d'interférences, spectre d'absorption, diagramme de distribution de l'acide glutamique, graphiques de la pression d'équilibre et du pourcentage massique. Chaque fois, il faut extraire une valeur précise et dire comment on l'a obtenue.

Le deuxième est la validation d'un modèle ou d'une affirmation : la chute libre est-elle justifiée, la vitesse de 125 km/h est-elle vérifiée, le sommet dépasse-t-il 95 m, la teneur de l'antiseptique a-t-elle changé. La réponse doit toujours comparer une mesure à une référence, en tenant compte de sa précision. Le troisième est la rédaction : une conclusion claire, une unité, un nombre de chiffres significatifs cohérent. Enfin, l'exercice 2 et l'exercice de spécialité valorisent l'autonomie, avec des questions ouvertes où la démarche compte autant que le résultat.

Conclusion : ce que ce sujet permet de travailler

Ce sujet du bac S 2017 Inde (Pondichéry) est une révision très complète : deuxième loi de Newton et chute libre, incertitudes de mesure, interférences, numérique, dosage par étalonnage, stéréochimie, acido-basicité et oxydoréduction. Les erreurs qu'il sanctionne sont toujours les mêmes : conversions oubliées, confusion entre une vitesse et sa composante, charge d'un seul groupe au lieu de la charge globale, facteur stœchiométrique omis. En travaillant le sujet en conditions réelles puis en comparant votre copie au corrigé détaillé, question par question, vous repérerez précisément vos points faibles. Une partie des notions relève de l'ancien programme, mais la plupart des raisonnements restent directement utiles pour le bac actuel.