Bac S 2012 Métropole : le sujet complet de physique-chimie corrigé
L'épreuve de physique-chimie du bac S 2012 en Métropole, pour les candidats ayant suivi l'enseignement de spécialité, compte quatre exercices pour un total de 20 points, en 3 h 30. Elle balaie une large part de l'ancien programme de terminale S : ondes mécaniques, chimie organique, condensateur et circuit RC, ondes électromagnétiques, cinétique chimique, puis électrolyse et titrage dans l'exercice de spécialité. Les questions sont souvent courtes et guidées, mais presque toutes exigent une justification ou une conversion d'unités. C'est un sujet idéal pour vérifier que les bases du cours sont solides.
Les contextes sont concrets et variés : le bang d'un avion, le claquement d'un fouet, la fabrication d'un savon, la manette d'une console de jeu, l'hydrolyse d'un composé organique et le nickelage d'une pièce métallique. Les savoir-faire qui reviennent d'un exercice à l'autre sont peu nombreux : analyse dimensionnelle, quantités de matière, lecture graphique, gestion des chiffres significatifs. Les maîtriser rapporte des points partout.
Exercice 1 : du bang d'un avion au claquement d'un coup de fouet (6,5 points)
Le premier exercice est le plus long. Il commence par le vocabulaire des ondes : le son est une onde mécanique, car il a besoin d'un milieu matériel ; il est progressif, tridimensionnel et longitudinal ; il ne se propage pas dans le vide. La question sur les caractéristiques demande d'en expliquer la signification, pas seulement de cocher.
On calcule ensuite la célérité du son à 10 km d'altitude, où il fait −50 °C : environ 3,0 × 102 m/s. Comparée à la vitesse de l'avion, 800 km/h soit 222 m/s, elle montre que l'appareil reste subsonique. Il faut convertir avant de comparer et respecter le signe de la température dans la formule.
La deuxième partie traite du fouet. Une analyse dimensionnelle établit l'homogénéité de v = √(F/μ). La chronophotographie donne τ = 0,28 s pour huit intervalles de 3,5 × 10-2 s, d'où une célérité de 11 m/s le long de la lanière de 3,0 m. Cette célérité augmente vers l'extrémité, où la masse linéique diminue. La mèche, filmée à 4 000 images par seconde, parcourt 11 cm entre deux images : 4,4 × 102 m/s, au-delà des 340 m/s du son. C'est elle qui franchit le mur du son.
La troisième partie est de la chimie : montage de chauffage à reflux à légender, saponification d'une huile, réaction totale et lente. Les calculs donnent 0,329 mol de savon, 0,110 mol puis 96,9 g d'huile d'olive, et un volume minimal de Destop® de 53,5 mL. Le piège récurrent est l'arrondi intermédiaire : la valeur non arrondie doit rester en mémoire.
Exercice 2 : quand le jeu vidéo devient réalité (5,5 points)
Le deuxième exercice suit un signal dans une manette de jeu. L'accéléromètre est un condensateur dont une armature, mobile, se déplace sous l'effet d'une accélération. Après une analyse dimensionnelle de l'expression de ax, on calcule un déplacement de 2,42 × 10-8 m. Les armatures s'écartent, la capacité diminue jusqu'à C1 = 1,28 × 10-14 F. Deux pièges dominent : le signe de l'accélération et l'addition de longueurs exprimées dans des unités différentes. La variation totale de capacité, calculée à partir de valeurs très proches, illustre la perte de chiffres significatifs lors d'une soustraction.
La partie sur le circuit RC est très classique : constante de temps τ = 1,56 × 10-7 s, régime permanent atteint bien avant 0,1 s, intensité nulle et tension uC = E = 3,00 V. Le raisonnement central repose ensuite sur la conservation de la charge dans un circuit ouvert : la capacité diminuant, la tension monte à 3,05 V. L'écart d'environ 47 mV dépasse largement le seuil de 1 mV, l'accélération est détectée.
Enfin, la liaison Bluetooth à 2 450 MHz a une longueur d'onde de 12,2 cm, dans le domaine des micro-ondes. Du même ordre de grandeur qu'une pile de livres, elle est diffractée et contourne l'obstacle.
Exercice 3 : suivi cinétique par conductimétrie (4 points)
Ce troisième exercice porte sur l'hydrolyse d'un chlorure d'alkyle à 40 °C. Il s'ouvre sur un vrai ou faux à justifier : l'équilibre chimique est dynamique, l'ajout d'un réactif déplace le système dans le sens direct, et un état d'équilibre correspond à un taux d'avancement final inférieur à 1. Le tableau d'avancement se remplit avec des expressions littérales, l'eau étant en excès ; on obtient xmax = 9,1 × 10-3 mol.
La formation d'ions oxonium et chlorure justifie le suivi conductimétrique, et l'on établit que σ est proportionnelle à x. Sur la courbe, le palier à 9,1 mmol montre une transformation totale ; le temps de demi-réaction vaut environ 7 min. Les tangentes à 0, 20 et 65 minutes permettent de classer les vitesses volumiques, qui diminuent parce que la concentration en réactif baisse. À plus haute température, la courbe monte plus vite mais garde le même palier : la température change la durée de la transformation, pas son état final.
Exercice 4 de spécialité : c'est nickel (4 points)
L'exercice de spécialité étudie le nickelage. La pièce, reliée au pôle négatif, est la cathode : les ions Ni2+ s'y réduisent en nickel métallique. L'anode en nickel s'oxyde et régénère les ions du bain, dont la concentration reste constante. Pour déposer 1,0 g de nickel, il faut 3,4 × 10-2 mol d'électrons, soit une quantité d'électricité de 3,3 × 103 C et une durée de 5,4 × 102 s, environ 9 minutes, sous 6,0 A.
La seconde partie est un titrage indirect : les ions nickel réagissent avec un excès d'EDTA, et l'EDTA restant est titré par les ions zinc. L'indicateur vire du bleu au rose à l'équivalence. On trouve 3,9 × 10-4 mol d'EDTA restant, puis 4,7 × 10-4 mol d'ions nickel dans le prélèvement, et enfin une concentration du bain d'environ 9,4 × 10-1 mol/L après prise en compte de la dilution par vingt : le bain convient.
Les pièges communs aux quatre exercices
Plusieurs erreurs reviennent dans tout le sujet, et les repérer à l'avance évite de perdre des points en série. La première concerne les unités : km/h à convertir en m/s dans l'exercice 1, micromètres et kilohms dans l'exercice 2, mégahertz pour la longueur d'onde, millilitres à passer en litres dans le titrage de l'exercice 4. Une comparaison ou une addition n'a de sens qu'entre grandeurs exprimées dans la même unité.
La deuxième concerne les arrondis. Le corrigé montre à plusieurs reprises l'effet d'un arrondi intermédiaire : 97,2 g au lieu de 96,9 g pour la masse d'huile, 550 s au lieu de 5,4 × 102 s pour la durée de l'électrolyse, 50 mV au lieu de 47 mV pour l'écart de tension, 0,94 au lieu de 0,93 mol/L pour la concentration du bain. La règle est simple : on arrondit le résultat affiché, jamais la valeur qui sert au calcul suivant.
La troisième concerne les coefficients stœchiométriques. Dans la saponification, une mole d'huile donne trois moles de savon : il faut diviser par 3, pas multiplier. Dans l'électrolyse, deux électrons sont nécessaires par atome de nickel. Dans le tableau d'avancement de l'exercice 3, le coefficient 2 ne porte que sur l'eau. À chaque fois, relire l'équation avant d'écrire la relation entre quantités de matière suffit à éviter l'erreur.
La dernière concerne les justifications. Le vrai ou faux de l'exercice 3, les caractéristiques de l'onde sonore dans l'exercice 1, la valeur de uC en régime permanent dans l'exercice 2 ou le choix de la cathode dans l'exercice 4 : une réponse correcte mais non justifiée ne rapporte pas tous les points. Une phrase qui cite la loi ou la réaction utilisée suffit en général.
Gérer son temps sur l'épreuve
En répartissant les 3 h 30 au prorata des points, on obtient environ 1 h 08 pour l'exercice 1, 58 minutes pour l'exercice 2 et 42 minutes pour chacun des exercices 3 et 4. Les questions de cours, comme le vocabulaire des ondes, la légende du montage, les définitions de cinétique ou le rôle des électrodes, se traitent vite : elles permettent de gagner du temps pour les calculs en chaîne. Les questions graphiques de l'exercice 3 se font directement sur l'annexe, à rendre avec la copie. Réservez quelques minutes à la fin pour relire les unités et les chiffres significatifs, source fréquente de points perdus dans ce sujet.
Conclusion
Ce sujet récompense la régularité plus que l'astuce. Les trois réflexes qui rapportent le plus sont de convertir avant de calculer ou de comparer, de garder les valeurs non arrondies en mémoire dans les calculs successifs, et de justifier chaque affirmation par une loi ou une réaction. Traitez-le en conditions réelles, puis comparez votre copie au corrigé détaillé, question par question, en vous attardant sur les pièges signalés. Si vous ne disposez pas de 3 h 30 d'un seul tenant, chaque exercice peut aussi se travailler séparément : l'exercice 3 pour réviser la cinétique, l'exercice 2 pour le condensateur et le circuit RC, l'exercice 1 pour les ondes et la stœchiométrie, l'exercice 4 pour l'électrolyse et les titrages en retour. Refaire ensuite les questions manquées sans regarder le corrigé est la meilleure façon de vérifier qu'une méthode est vraiment acquise.