Bac S 2015 Nouvelle-Calédonie rattrapage : présentation de l'épreuve
Ce sujet de physique-chimie de la session 2015, proposé en Nouvelle-Calédonie pour le rattrapage, relève de l'ancien programme de terminale S, en version spécialité. L'épreuve dure 3 h 30 et compte 20 points répartis en trois exercices de poids inégal : « Des bulles sur l'eau » (9 points), « Séparation d'acides aminés par électrophorèse » (6 points) et l'exercice de spécialité « Le lagunage » (5 points). Le sujet couvre un spectre large : thermodynamique et transferts thermiques, énergie des photons, mouvement dans un champ électrique, couples acide/base et oxydoréduction avec titrage indirect. C'est un excellent entraînement pour travailler à la fois les calculs d'énergie, la rédaction d'arguments qualitatifs et la résolution de problème.
Les contextes sont concrets : une piscine et sa couverture à bulles, une technique de séparation utilisée en biochimie, une station d'épuration par lagunage. Dans chaque cas, l'énoncé fournit des documents et des données numériques qu'il faut savoir exploiter avec précision. Le corrigé détaillé proposé ici reprend chaque question dans l'ordre, avec les relations littérales, les applications numériques, les pièges et des encadrés de méthode.
Exercice 1 : Des bulles sur l'eau (9 points)
Le premier exercice est le plus long et pèse presque la moitié de la note. Il s'organise en trois parties indépendantes autour d'une piscine de 32 m² et 48 m³.
Partie 1 : les pertes nocturnes
On commence par citer les trois modes de transfert thermique, conduction, convection et rayonnement, en se gardant de compter l'évaporation comme un quatrième mode : c'est un changement d'état. La question 1.2 attend deux arguments appuyés sur les données : la lame d'air emprisonnée dans les bulles est un très bon isolant, sa conductivité étant environ 13 fois plus faible que celle du plastique, et la couverture est opaque aux infrarouges, domaine dans lequel l'eau à 25 °C rayonne surtout.
Viennent ensuite deux calculs enchaînés. La couche de 5 mm évaporée sur 32 m² représente 160 kg d'eau et demande une énergie de 3,8 × 10⁸ J, de l'ordre des 4 × 10⁸ J annoncés. Prélevée sur les 48 m³ de la piscine, cette énergie fait baisser la température d'environ 1,9 °C, soit près de la moitié des 4 °C perdus pendant la nuit. La question 1.5 fait la synthèse des avantages de la couverture : moins de pertes à la surface, évaporation bloquée, eau économisée.
Partie 2 : le chauffage solaire
L'exploitation d'un tableau de mesures demande de comparer uniquement des bassins d'une même expérience. La couverture translucide présente un intérêt net, la noire opaque non. Le rendement de la couverture translucide dans l'expérience 1 vaut environ 55 %, à condition de multiplier la puissance surfacique par la surface et par la durée exprimée en secondes. Enfin, avec un rendement de 12 % par ciel nuageux, une piscine de 48 m³ ne gagnerait qu'environ 0,07 °C en deux heures, ce qui est inférieur à la précision de 0,1 °C des relevés : l'augmentation n'est pas significative.
Partie 3 : photolyse de l'acide hypochloreux
La dernière partie relie chimie et physique quantique. L'énergie d'un photon capable de rompre une liaison O–Cl s'obtient en divisant l'énergie molaire de liaison par la constante d'Avogadro, d'où une longueur d'onde de 477 nm, soit environ 480 nm. En solution aqueuse, la longueur d'onde efficace est de 240 nm : le photon doit être deux fois plus énergétique. Ces photons sont des ultraviolets, et c'est l'opacité de la couverture aux ultraviolets qui protège le produit de traitement.
Points de vigilance : conversion des millimètres en mètres, signe de la variation d'énergie interne, durée en secondes et division par la constante d'Avogadro. La célérité de la lumière n'est pas fournie et doit être connue.
Exercice 2 : Séparation d'acides aminés par électrophorèse (6 points)
Ce deuxième exercice associe la mécanique de Newton et la chimie des acides et des bases. Des acides α-aminés, déposés sur un support imbibé d'un tampon de pH 6,0, migrent sous l'action d'un champ électrique uniforme.
Le mouvement de migration
La force de frottement compense rapidement la force électrique, et le poids est compensé par la réaction du support : la somme des forces est nulle, donc, d'après le principe d'inertie, le mouvement est rectiligne uniforme. L'égalité des normes conduit ensuite à v = |q|E/(kR), la valeur absolue étant indispensable puisqu'une charge peut être négative. On en déduit que tous les constituants ne migrent pas à la même vitesse : la vitesse augmente avec la charge et diminue avec le rayon de Stokes, ce qui rend la séparation possible.
Le calcul de durée donne environ 1,8 × 10³ s, soit 31 min, pour une migration de 10 cm : les 40 minutes prévues au départ suffisent. Le piège classique est de laisser la distance en centimètres.
L'identification des taches
La seconde partie se traite en trois étapes. À pH 6,0, la glycine est globalement neutre, la lysine porte une charge positive, les acides aspartique et glutamique une charge négative. La glycine reste donc sur la zone de dépôt (tache B), la lysine migre dans le sens du champ vers l'électrode 1 (tache A), les deux autres migrent vers l'électrode 2. L'acide glutamique, plus volumineux d'un groupe CH2, est le plus lent (tache C) ; l'acide aspartique donne la tache D. L'erreur à éviter est de faire migrer les anions dans le sens du champ.
Exercice 3 de spécialité : Le lagunage (5 points)
L'exercice de spécialité porte sur une mini-station de lagunage destinée à deux personnes. Il commence par deux questions d'oxydoréduction : reconnaître les oxydants MnO4− et O2, qui captent respectivement 5 et 4 électrons, puis justifier par l'égalité des électrons échangés que n(O2) = 5n0/4.
La résolution de problème
Le cœur de l'exercice est un problème ouvert fondé sur un titrage indirect. Les quantités de matière de permanganate, d'oxalate et de permanganate versé à l'équivalence conduisent à n0 = 7,8 × 10⁻⁶ mol. On en déduit une masse de dioxygène équivalente de 3,1 × 10⁻⁴ g pour 50,0 mL, soit un indice permanganate de 6,2 mg·L⁻¹ en sortie de station. Cette valeur dépasse la norme de 5,0 mg·L⁻¹ : l'eau n'est pas conforme.
La relation de proportionnalité entre surface et écart d'indice permet ensuite de calculer la surface minimale des bassins : environ 19 m², soit 9,5 m² par personne. C'est très proche des 10 m² par habitant de la station de Mèze, ce qui rend le résultat cohérent. Le piège majeur est d'oublier de ramener la masse de dioxygène à un litre d'eau, ce qui ferait conclure à tort à la conformité.
Les connaissances à réviser avant de se lancer
Avant d'aborder ce sujet, il est utile de revoir quelques relations incontournables. Pour l'exercice 1 : la variation d'énergie interne d'un liquide, ΔU = m·c·Δθ, l'énergie de changement d'état Q = m·L, la définition d'un rendement et l'énergie d'un photon E = hc/λ, avec les limites du domaine visible, de 400 nm à 800 nm environ. Pour l'exercice 2 : le principe d'inertie, l'expression de la force électrique F = qE et la lecture d'un diagramme de prédominance, l'acide d'un couple prédominant lorsque le pH est inférieur au pKa. Pour l'exercice de spécialité : l'écriture des demi-équations électroniques, la relation n = C·V et le principe d'un titrage indirect, dans lequel on dose un réactif ajouté en excès plutôt que l'espèce elle-même.
Il faut aussi être à l'aise avec les conversions d'unités, qui reviennent dans chaque exercice : millimètres en mètres, heures en secondes, millilitres en litres, hectares en mètres carrés. Une bonne partie des erreurs relevées dans les corrigés vient de là, bien plus que d'une incompréhension de la physique.
Gestion du temps
Avec 3 h 30 pour 20 points, un repère simple consiste à suivre le barème : environ 1 h 30 pour l'exercice 1, une heure pour l'exercice 2 et 50 minutes pour le lagunage, ce qui laisse une dizaine de minutes de relecture. L'exercice 1 est long mais découpé en parties indépendantes : si un calcul bloque, passez à la partie suivante. L'exercice 2 récompense une rédaction rigoureuse et rapide sur les questions de cours. Pour l'exercice de spécialité, prenez quelques minutes pour poser la démarche avant de calculer : une résolution de problème bien annoncée rapporte des points même si un calcul intermédiaire est faux.
Certains candidats préfèrent commencer par l'exercice qu'ils maîtrisent le mieux. C'est une stratégie valable, à condition de bien numéroter les réponses et de surveiller l'horloge pour ne pas sacrifier l'exercice le plus lourd au barème.
Conclusion
Ce sujet de rattrapage 2015 est représentatif de l'ancien programme de terminale S : des situations concrètes, des calculs d'ordre de grandeur, des arguments qualitatifs à étayer par les données et une résolution de problème en spécialité. Les compétences qu'il travaille restent utiles aujourd'hui : bilans d'énergie, énergie du photon, principe d'inertie, diagrammes de prédominance, titrages et raisonnements de proportionnalité. Certaines notions, comme le lien entre température et longueur d'onde d'émission maximale, ne figurent plus au programme actuel, mais les valeurs sont fournies dans l'énoncé. Faites le sujet en temps limité, puis comparez votre copie au corrigé détaillé question par question, en vous attardant sur les pièges signalés : c'est là que se gagnent les points.