Le bac S 2014 de Nouvelle-Calédonie en physique-chimie

Ce sujet de physique-chimie a été proposé en Nouvelle-Calédonie lors de la session 2014 du bac S, selon l'ancien programme. L'épreuve dure 3 h 30 et est notée sur 20 points. Elle comporte un exercice de 5 points sur l'instrument ChemCam du robot Curiosity, un long exercice de chimie de 10 points sur la protection des plantes, puis un exercice de 5 points qui dépend de l'enseignement suivi : la communication chez les baleines pour les candidats sans spécialité, le chant des dunes pour ceux de spécialité. Le sujet couvre ainsi un large éventail : ondes électromagnétiques et quantification de l'énergie, chimie organique et stéréoisomérie, titrage, acoustique et démarche de validation d'un modèle.

Deux des exercices sont des résolutions de problème appuyées sur des documents. Ils demandent moins de formules que de méthode : extraire l'information utile, formuler des hypothèses, rédiger un raisonnement complet et porter un regard critique sur le résultat. C'est un bon sujet pour s'entraîner à ce type de question, qui reste au cœur des épreuves actuelles.

Exercice 1 : ChemCam (5 points)

L'instrument ChemCam vaporise un point de roche martienne avec un laser pulsé, puis analyse la lumière émise par le plasma. La première partie porte sur le laser. On cite deux propriétés, par exemple la monochromaticité et la directivité. On montre ensuite que le rayonnement, de longueur d'onde 1067 nm, appartient à l'infrarouge puisqu'il dépasse la borne de 800 nm du visible. La question la plus calculatoire demande de vérifier que l'irradiance suffit à créer le plasma : la puissance d'une impulsion vaut 3 × 10⁶ W, la tache de 350 µm de diamètre a une aire d'environ 9,6 × 10^-4 cm², et l'irradiance atteint environ 3 GW·cm^-2, au-dessus du seuil de 1,0 GW·cm^-2. Attention à convertir le diamètre en centimètres et à utiliser le rayon dans l'aire.

La seconde partie porte sur les spectres d'émission. Chaque espèce chimique a ses propres niveaux d'énergie, donc ses propres raies. Pour la raie de l'ion Ca⁺ à 423 nm, l'énergie du photon vaut 2,94 eV, ce qui correspond à la transition du niveau 2,94 eV vers le niveau fondamental. On termine en vérifiant que les six raies du calcium apparaissent sur le spectre d'une roche témoin : l'analyseur fonctionne correctement. La méthode à retenir est en trois temps : calculer ΔE = hc/λ avec λ en mètres, convertir en électronvolts, puis chercher deux niveaux dont l'écart vaut ΔE.

Exercice 2 : la chimie au service de la protection des plantes (10 points)

Avec la moitié des points, cet exercice mérite une attention particulière. Sa première partie compare des moyens de lutte contre les insectes. Dans l'acide benzylique, on identifie un groupe hydroxyle (fonction alcool) et un groupe carboxyle (fonction acide carboxylique), sans découper ce dernier en deux. On complète ensuite une étape de mécanisme par deux flèches courbes : du doublet non liant de l'ion hydroxyde vers le carbone δ+ de la liaison C=O, puis de la double liaison vers l'oxygène. L'étape suivante, où le carboxylate capte un ion H⁺ apporté par l'ion oxonium, est une réaction acide-base.

La phéromone étudiée possède un carbone asymétrique, d'où des énantiomères, et une double liaison C=C avec isomérie Z/E, d'où des diastéréoisomères. Un seul énantiomère est actif, car seul il s'ajuste au site récepteur de l'insecte. La question de synthèse demande de choisir un mode de protection en pesant efficacité, toxicité, persistance, quantité et coût : le piège à phéromones s'impose, malgré son prix.

La seconde partie traite de la chlorose, liée à une carence en fer. Une solution anti-chlorose, diluée 30 fois, est titrée par le permanganate de potassium. L'équivalence se repère à la persistance de la teinte violette, sans indicateur coloré. La relation c'V₁ = 5c₂V_E donne c' = 1,2 × 10^-2 mol·L^-1, puis c = 0,36 mol·L^-1 et une teneur de 20 g·L^-1, qui désigne le produit « Fer Soni H39F ». La dernière question analyse deux erreurs de manipulation : une concentration anormalement élevée s'explique par une solution titrante diluée par mégarde, qui augmente V_E.

Exercice 3 : la communication chez les baleines (5 points)

Cet exercice, destiné aux candidats sans spécialité, se résout entièrement sur documents. Il faut d'abord localiser le couloir SOFAR, où le son reste piégé : il est centré sur la profondeur où la vitesse du son est minimale, environ 1480 m·s^-1 vers 1 km de profondeur. Le graphique place la profondeur en ordonnée : le minimum de vitesse est le point le plus à gauche de la courbe, pas le plus bas.

On évalue ensuite la distance maximale de communication. Le chant, émis à 4000 Hz avec un niveau de 170 dB, subit une absorption d'environ 0,2 dB·km^-1. La perte tolérée jusqu'au seuil d'audibilité de 50 dB est de 120 dB, d'où une distance maximale d'environ 6 × 10² km. Le son n'a pas à tomber à 0 dB : seule compte la différence avec le seuil d'audibilité. Les niveaux en décibels se soustraient directement.

Exercice de spécialité : le chant des dunes (5 points)

Les candidats de spécialité traitent ce problème à la place de l'exercice 3. Les questions préalables demandent un protocole pour distinguer l'effet de l'avalanche de celui du vent, en ne faisant varier qu'un facteur à la fois, et une analogie : la surface de la dune, soulevée et abaissée périodiquement par le passage des grains d'un creux au suivant, joue le rôle de la membrane d'un haut-parleur.

Le problème consiste à établir f = 0,4√(g/d), en remarquant qu'un grain parcourt un diamètre d pendant une période. On confronte ensuite le modèle aux mesures de cinq dunes, en calculant la fréquence prévue aux bornes de l'intervalle d'incertitude sur la taille des grains. Quatre mesures tombent dans l'intervalle ; la cinquième, au Cerro Bramador, en sort de 1 Hz seulement. Le regard critique note l'absence d'incertitude sur les fréquences mesurées, la largeur des pics, les simplifications du modèle et le faible nombre de dunes. Le modèle est jugé compatible avec les mesures. Le piège principal reste la conversion des micromètres en mètres.

Les méthodes transversales du sujet

Comparer un résultat à un critère

Presque chaque exercice se termine par une comparaison : l'irradiance au seuil de formation du plasma, la longueur d'onde aux bornes du visible, la teneur en fer aux valeurs du tableau commercial, la fréquence mesurée à l'intervalle prévu par le modèle. Le correcteur attend une phrase de conclusion explicite qui cite les deux valeurs comparées. Un calcul juste sans cette conclusion ne rapporte qu'une partie des points.

Maîtriser les unités et les chiffres significatifs

Les pièges du sujet sont souvent des conversions : micromètres en centimètres pour la tache du laser, nanomètres en mètres pour l'énergie du photon, micromètres en mètres pour la taille des grains de sable. Le nombre de chiffres significatifs suit la donnée la moins précise : un seul pour l'irradiance, limitée par la durée de 5 ns, un seul pour la distance entre les baleines, limitée par la lecture de l'absorption, deux pour la teneur en fer. Écrire une formule littérale avant chaque application numérique permet de vérifier l'homogénéité et sécurise les points de méthode.

Raisonner sur documents

Les exercices 3 et de spécialité, ainsi que la question de synthèse de l'exercice 2, demandent d'exploiter des documents. La démarche gagnante consiste à relever les informations utiles, à les traduire en critère ou en relation physique, puis à annoncer les hypothèses avant de calculer. Citer le document utilisé à chaque étape rend la copie lisible et montre que le raisonnement s'appuie sur le sujet.

Gestion du temps

Le barème guide la répartition : environ 50 minutes pour l'exercice 1, 1 h 40 pour l'exercice 2 et 50 minutes pour l'exercice 3 ou l'exercice de spécialité, ce qui laisse quelques minutes de relecture. Commencez par lire l'ensemble du sujet. L'exercice 2 étant long mais découpé en questions courtes et indépendantes, il permet de gagner des points rapidement ; ne restez pas bloqué sur la question de mécanisme si les flèches courbes vous posent problème, la partie titrage est indépendante. Pour les résolutions de problème, réservez quelques minutes au brouillon pour organiser la démarche avant de rédiger. Gardez enfin du temps pour vérifier les unités et le nombre de chiffres significatifs des résultats numériques.

Conclusion

Ce sujet équilibré récompense la rigueur sur les conversions d'unités, la maîtrise des méthodes classiques (énergie d'un photon, flèches courbes, relation à l'équivalence) et la qualité de rédaction dans les questions ouvertes. Certaines notions, comme le laser ou le carbone asymétrique, ne figurent plus au programme actuel de spécialité, mais l'essentiel du sujet reste un excellent entraînement : spectres d'émission, titrage, niveaux sonores et validation d'un modèle par comparaison d'intervalles. Traitez-le en temps limité, puis comparez votre copie au corrigé détaillé, question par question, en notant les pièges dans lesquels vous êtes tombé. Refaire ensuite, quelques jours plus tard, les questions manquées sans regarder la solution permet de vérifier que la méthode est vraiment acquise et de fixer durablement les réflexes utiles le jour de l'épreuve.