Le bac 2025 de physique-chimie en Polynésie, jour 2 : vue d'ensemble

Le sujet de spécialité physique-chimie du deuxième jour en Polynésie, session 2025, se compose de trois exercices indépendants notés sur 20 points, pour une épreuve de 3 h 30. L'équilibre est marqué : un long exercice de physique de 11 points, consacré au télescope spatial James Webb, puis deux exercices de chimie plus courts, de 5 et 4 points, tirés de la vie quotidienne : un produit ménager au vinaigre et un sérum capillaire. Ce sujet est un bon entraînement complet, car il couvre la mécanique newtonienne, les ondes avec l'effet Doppler, la cosmologie avec la loi de Hubble-Lemaître, les acides et les bases, le gaz parfait, la spectroscopie infrarouge et le titrage.

Comme les exercices sont indépendants, vous pouvez les traiter dans l'ordre de votre choix. Beaucoup de questions donnent le résultat attendu sous forme de vérification : ces valeurs permettent de poursuivre même lorsqu'une question intermédiaire résiste.

Exercice 1 : exploration du ciel profond par le télescope James Webb (11 points)

Le choix du point L2

L'exercice s'ouvre sur une question de réflexion : pourquoi ne pas placer le télescope au point de Lagrange L1, situé entre le Soleil et la Terre ? Il y recevrait en permanence le rayonnement solaire dont il doit être protégé, et la Terre gênerait sa visée vers le ciel profond. En L2, il reste dans l'ombre portée de la Terre. Le schéma d'alignement Soleil, Terre, télescope place la Terre entre les deux autres, et la distance Soleil-télescope s'obtient par une somme : 151,1 × 10⁶ km, arrondie au rang du terme le moins précis.

Les forces gravitationnelles

La loi de la gravitation universelle donne la force exercée par la Terre sur le télescope : 1,08 N. La conversion de la distance en mètres est indispensable, faute de quoi le résultat est un million de fois trop grand. Les deux forces, exercées par la Terre et par le Soleil, s'appliquent au télescope et sont dirigées vers le Soleil. Les vecteurs ayant même direction et même sens, leurs valeurs s'additionnent pour donner environ 37,0 N, à condition de l'écrire. La notion de distance effective, qui ramène l'action combinée des deux astres à celle du Soleil seul, s'obtient en égalant les deux expressions de la force : D_eff = 1,49 × 10¹¹ m. Cette distance est un peu plus petite que la distance réelle au Soleil, ce qui compense l'attraction supplémentaire de la Terre.

Mouvement circulaire et période

Le cœur mécanique de l'exercice suit une démarche classique. Dans le repère de Frenet, le vecteur u_n et la force résultante pointent vers le Soleil, centre de la trajectoire. L'accélération normale s'écrit v²/D_S-J, avec le rayon réel du cercle et non la distance effective. La deuxième loi de Newton, appliquée au télescope dans le référentiel héliocentrique supposé galiléen, donne une accélération qui ne dépend pas de la masse du télescope. Par identification, on obtient l'expression de la vitesse et l'on montre que le mouvement est uniforme. La période vaut alors 3,16 × 10⁷ s, soit environ 366 jours : le télescope tourne autour du Soleil en un an, comme la Terre, ce qui confirme la cohérence du modèle.

Effet Doppler et galaxie lointaine

La dernière partie relie l'astronomie aux ondes. Le télescope n'est sensible qu'à partir de 600 nm : seule la raie H_α de la galaxie, reçue à 683 nm, est observable. La longueur d'onde reçue étant plus grande que celle mesurée au laboratoire, la fréquence reçue est plus petite et la galaxie s'éloigne : c'est le décalage vers le rouge. La formule fournie donne une vitesse de 1,23 × 10⁷ m/s, et la loi de Hubble-Lemaître une distance d'environ 1,8 × 10² Mpc, soit 5,5 × 10²⁴ m. Les pièges portent sur la lecture du bon spectre, le sens du rapport des longueurs d'onde et l'usage de valeurs non arrondies dans les calculs intermédiaires.

Exercice 2 : étude d'un produit ménager « fait maison » (5 points)

Le vinaigre blanc

L'exercice commence par la formule semi-développée de l'acide éthanoïque, CH₃-COOH, sans représenter les liaisons avec les atomes d'hydrogène. À partir du titre massique de 8,0 %, de la masse volumique et de la masse molaire, on montre que 1,0 L de vinaigre contient environ 1,35 mol d'acide, valeur voisine de 1,3 mol. Le volume doit être exprimé en millilitres puisque la masse volumique est donnée en g/mL.

Un acide faible et son diagramme de distribution

L'équation de la réaction avec l'eau s'écrit avec une double flèche, puisque l'acide est faible. L'expression de la constante d'acidité ne fait pas intervenir l'eau et comporte un seul c° au dénominateur. Le diagramme de distribution donne le pK_A à l'intersection des deux courbes, soit 4,8, en justifiant par l'égalité des concentrations de l'acide et de sa base conjuguée. Pour attribuer les courbes, on s'appuie sur les domaines de prédominance : l'acide domine quand le pH est inférieur au pK_A.

La réaction avec le bicarbonate

La réaction totale entre l'acide éthanoïque et les ions hydrogénocarbonate produit du dioxyde de carbone, peu soluble dans l'eau : ses bulles, retenues dans le liquide, forment la mousse. La question finale, ouverte, demande le volume de gaz libéré. Il faut d'abord identifier le réactif limitant : 100 mL de vinaigre apportent 0,135 mol d'acide, contre 0,20 mol d'ions hydrogénocarbonate. L'acide est limitant, et l'équation d'état du gaz parfait, avec la pression en pascals et la température en kelvins, donne environ 3,3 L.

Exercice 3 : étude d'un soin capillaire (4 points)

Chimie organique et spectroscopie

Le formaldéhyde est le méthanal, un aldéhyde à un atome de carbone. L'acide glycolique porte un groupe hydroxyle, famille des alcools, et un groupe carboxyle, famille des acides carboxyliques ; ce dernier forme un seul groupe, à ne pas découper en C=O et OH. Pour identifier son spectre infrarouge, la bande C=O vers 1700 cm^-1 ne suffit pas car elle est présente sur les deux spectres : c'est la bande forte et large des liaisons O-H, entre 2500 et 3400 cm^-1 environ, qui désigne le spectre B.

Dilution, titrage et vérification de l'étiquette

Le protocole de dilution par 10 repose sur une pipette jaugée de 5,0 mL et une fiole jaugée de 50,0 mL. Le pH à l'équivalence, voisin de 8,5, impose la phénolphtaléine, dont la zone de virage va de 8,2 à 10,0. La réaction support du titrage oppose l'acide aux ions hydroxyde, et l'équivalence correspond aux proportions stœchiométriques. On en déduit C₁ = 9,4 × 10^-2 mol/L pour la solution diluée, puis C = 0,94 mol/L pour le sérum commercial. Enfin, le titre massique annoncé de 7,0 % correspond à une concentration de référence de 0,92 mol/L ; le quotient de l'écart par l'incertitude-type vaut 0,4, inférieur à 2 : l'indication du fabricant est correcte.

Les pièges transversaux du sujet

D'un exercice à l'autre, les mêmes erreurs reviennent et coûtent des points. La première concerne les unités : distance en kilomètres dans la loi de la gravitation, volume en litres avec une masse volumique en g/mL, pression en hectopascals ou température en degrés Celsius dans l'équation d'état du gaz parfait, masse volumique en g/mL au lieu de g/L pour obtenir une concentration en mol/L. Prenez l'habitude d'écrire chaque grandeur convertie avant de la remplacer dans une formule.

La deuxième concerne les justifications. Additionner deux valeurs de forces n'est permis que si les vecteurs ont même direction et même sens, et il faut l'écrire. Lire un pK_A sur un diagramme de distribution ou attribuer une courbe à une espèce demande de citer l'égalité des concentrations ou les domaines de prédominance. Choisir un spectre infrarouge exige de nommer la bande discriminante, avec son nombre d'onde et son allure. Choisir un indicateur coloré suppose de vérifier que sa zone de virage contient le pH à l'équivalence.

La troisième concerne les arrondis et les chiffres significatifs. Le corrigé conserve les valeurs intermédiaires non arrondies, par exemple la vitesse de la galaxie ou la quantité d'acide dans le vinaigre, et n'arrondit qu'à la fin. Le nombre de chiffres significatifs du résultat suit celui des données les moins précises : trois pour la force gravitationnelle, deux pour la concentration du sérum ou la distance de la galaxie. Enfin, les équations chimiques doivent porter les états physiques et le bon type de flèche : double flèche pour un acide faible avec l'eau, flèche simple pour une réaction totale comme celle d'un titrage.

Gérer son temps sur ce sujet

En répartissant les 3 h 30 au prorata des points, l'exercice 1 mérite environ 1 h 56, l'exercice 2 environ 53 minutes et l'exercice 3 environ 42 minutes. L'exercice 1 étant long et calculatoire, certains préfèrent commencer par les deux exercices de chimie, plus courts, pour engranger des points rapidement, puis consacrer le reste du temps à la mécanique. Gardez quelques minutes en fin d'épreuve pour relire les unités et les chiffres significatifs. Dans l'exercice 1, ne restez pas bloqué sur la distance effective : sa valeur est donnée et sert pour la suite. Dans l'exercice 2, la question ouverte sur le volume de gaz vaut la peine d'être rédigée étape par étape, car chaque étape rapporte des points.

Conclusion

Ce sujet récompense la rigueur plus que la virtuosité : conversions d'unités, justification des lectures graphiques, présentation du système et du référentiel, recherche du réactif limitant et comparaison à une valeur de référence avec l'incertitude-type. Travaillez-le en temps limité, puis comparez votre copie au corrigé détaillé de chaque exercice pour repérer les points de méthode à consolider avant l'épreuve.