Bac S 2014 Centres étrangers : présentation de l'épreuve

L'épreuve de physique-chimie du bac S 2014 des centres étrangers, sur 20 points et d'une durée de 3 h 30, appartient à l'ancien programme. Elle comporte trois exercices pour chaque candidat : un exercice de chimie organique de 9 points sur la synthèse du paracétamol, un exercice de mécanique de 6 points sur l'atterrissage d'un rover sur Mars, puis un exercice de 5 points qui dépend de l'enseignement suivi. Les candidats hors spécialité traitent un exercice sur la résistance thermique d'un verre ; les candidats de spécialité le remplacent par un exercice sur l'effet piézoélectrique. Le sujet officiel et le corrigé complet sont réunis ici, ce qui permet de s'entraîner en conditions réelles et de corriger sa copie question par question.

Ce sujet est équilibré : il demande des connaissances précises de cours, des calculs soignés, deux questions ouvertes où l'on construit soi-même sa démarche, et plusieurs passages de rédaction argumentée. Il convient bien pour faire le point avant l'épreuve.

Exercice 1 : synthèse du paracétamol (9 points)

Le plus long exercice du sujet suit la fabrication du paracétamol à partir du para-aminophénol et de l'anhydride éthanoïque.

Groupes caractéristiques et mécanisme

La question 1 demande de reconnaître les groupes : hydroxyle et amino pour le réactif, hydroxyle et amide pour le paracétamol. Il ne faut pas séparer N-H et C=O en « amine et cétone ». La question 2 justifie par les électronégativités que l'azote et l'oxygène sont les deux sites donneurs. À la question 3.1, la première flèche courbe part du doublet non liant de l'azote vers le carbone δ+ de l'anhydride, la seconde fait basculer un doublet de la liaison C=O sur l'oxygène. Les trois étapes du mécanisme sont une addition, une élimination et une réaction acide-base.

Sélectivité

Les questions 4.1 et 4.2 envisagent l'attaque par l'oxygène du groupe hydroxyle, qui donnerait un ester isomère du paracétamol. Comme seul le paracétamol est obtenu, la question 5 conclut que la réaction est sélective : l'anhydride ne réagit ici qu'avec le groupe amino.

Protocole et masse maximale

La question 6.1 nomme les phases du protocole : dissolution, transformation, isolement, purification par recristallisation, analyse par CCM. La question 6.2, la plus rédactionnelle, s'appuie sur les solubilités : 250 g par litre à 100 °C et 10 g par litre à 20 °C pour le paracétamol, alors que l'acide éthanoïque reste soluble à toute température. Le refroidissement fait cristalliser le produit, la filtration sur Büchner le récupère, la recristallisation dans un minimum d'eau élimine les impuretés, et le séchage à 80 °C reste loin de la température de fusion de 168 °C. La question 6.3 montre que le para-aminophénol est limitant et conduit à une masse maximale de 3,7 g, à condition de ne pas repartir d'une valeur intermédiaire arrondie.

Les pièges de l'exercice 1

Trois erreurs reviennent souvent. La première est le sens des flèches courbes : une flèche représente le déplacement d'un doublet d'électrons, elle part donc toujours du site donneur. La deuxième concerne la question 6.2 : recopier le protocole ne suffit pas, il faut relier chaque geste à une donnée chiffrée du tableau. La troisième est le calcul de la quantité d'anhydride éthanoïque, un liquide : sa densité de 1,08 donne une masse volumique de 1,08 g par millilitre, et la quantité de matière vaut alors la masse volumique multipliée par le volume, divisée par la masse molaire.

Exercice 2 : la nouvelle façon de se poser sur Mars (6 points)

Cet exercice de mécanique s'appuie sur la descente du rover Curiosity, freinée par des rétrofusées, puis déposée au bout de filins par une grue volante.

Travail du poids et énergie mécanique

Les questions 1.1 et 1.2 établissent les expressions W = m g AB cos θ puis W = m g (zA − zB). Avec les altitudes de 2 km et 20 m converties en mètres, la question 1.3 donne un travail moteur d'environ 1,5 × 10⁷ J. À la question 1.4.1, après conversion de la vitesse de 75 cm·s⁻¹ en 0,75 m·s⁻¹, l'énergie mécanique vaut environ 2,5 × 10⁷ J en A et 1,5 × 10⁵ J en B. La question 1.4.2 en déduit qu'elle n'est pas conservée : la poussée des rétrofusées et, dans une moindre mesure, les frottements effectuent un travail résistant.

Question ouverte et chute libre

La question 2 demande d'estimer la durée de descente du robot. Avec des hypothèses clairement énoncées, l'étage descend à vitesse constante sur 20 − 7,50 − 2,2 = 10,3 m, ce qui donne environ 14 s. La question 3.1 justifie la chute libre une fois les moteurs coupés, l'atmosphère martienne étant très ténue. La question 3.2 exploite l'équation de la trajectoire fournie pour trouver la vitesse initiale minimale qui écarte l'étage de 150 m : environ 20,4 m·s⁻¹, calculatrice en mode degré.

Les pièges de l'exercice 2

Les erreurs sont surtout des erreurs d'unités et de signe. Les altitudes doivent être en mètres pour obtenir des joules, la vitesse en B doit être convertie en mètres par seconde, et le travail du poids doit être positif en descente : une vérification physique rapide évite d'écrire zB − zA. Pour la question ouverte, le jury attend des hypothèses énoncées clairement, un schéma des états initial et final, puis un calcul conclu par une phrase. Une démarche cohérente avec d'autres hypothèses reste valorisée.

Exercice 3 : détermination expérimentale d'une résistance thermique (5 points, hors spécialité)

Un bloc de glace posé sur une plaque de verre fond plus vite quand un générateur de vapeur chauffe l'autre face.

Énergie, flux et résistance thermique

La question 1 retranche l'expérience témoin : l'énergie due à la vapeur vaut (124,4 − 5,5) × 333,5, soit environ 39,65 kJ, transférée par conduction. La question 2.1 montre que le flux s'exprime en kg·m²·s⁻³, c'est-à-dire en watt, et la question 2.2 donne environ 120 W avec une durée de 330 s. À la question 3, l'écart de température s'estime à 100 K entre la glace fondante et la vapeur, d'où une résistance thermique de 0,83 K·W⁻¹.

Incertitude et regard critique

La question 4.1 traite douze mesures : moyenne 0,827 K·W⁻¹, écart-type expérimental 4,87 × 10⁻² K·W⁻¹, d'où le résultat (0,83 ± 0,03) K·W⁻¹ à 95 %. La question 4.2 traduit cet intervalle en une phrase. À la question 5, la résistance surfacique s'obtient en multipliant par la surface du disque de glace, ce qui donne environ 4,0 × 10⁻³ m²·K·W⁻¹. L'écart avec la valeur du constructeur s'explique par une surface mal connue et un flux surestimé.

Les pièges de l'exercice 3

Le premier piège est d'oublier l'expérience témoin à la question 1 : 124,4 × 333,5 contient aussi l'énergie venue de l'air du laboratoire. Le deuxième est la durée : 5 min 30 s ne s'écrit pas 5,30 min, il faut 330 s. Le troisième concerne l'incertitude : il faut utiliser l'écart-type expérimental de la calculatrice et arrondir la moyenne au rang de l'incertitude. Enfin, à la question 5, l'unité m²·K·W⁻¹ indique qu'on multiplie par la surface au lieu de diviser.

Exercice de spécialité : effet piézoélectrique (5 points)

Les candidats de spécialité étudient un cristal qui se charge quand on le comprime, avec une question finale : peut-il servir de sonomètre ?

Champ électrique et niveau sonore

La question 1 représente le champ électrique uniforme entre les faces, orienté de la face +Q vers la face −Q, à l'inverse de la flèche de tension du schéma. La question 2 démontre L = 20 log(p/p0) à partir de L = 10 log(I/I0), en précisant que l'intensité de référence correspond à p0 par la même relation.

Résolution de problème

La question 3 suit la chaîne niveau sonore, pression, force, charge, tension. Pour 50 dB, avec un diamètre de capteur estimé à 1 cm sur la photographie, on obtient une tension d'environ 0,2 V. Mais de 30 à 130 dB, la tension irait d'environ 0,02 V à environ 2 × 10³ V : branché directement sur un voltmètre, le capteur ne convient pas pour un sonomètre.

Les pièges de l'exercice de spécialité

Le sens du champ électrique ne suit pas la flèche de la tension. Dans la démonstration de la question 2, la phrase qui relie l'intensité de référence à la pression de référence est indispensable pour justifier la simplification. Dans la résolution de problème, l'unité de β, en coulombs par newton, impose Q = βF. Il faut aussi annoncer l'estimation du diamètre, convertir les centimètres en mètres et ne garder qu'un chiffre significatif, puisque seul l'ordre de grandeur a un sens.

Gestion du temps

Le barème guide la répartition : environ 1 h 30 pour l'exercice 1, 1 h pour l'exercice 2 et 50 minutes pour l'exercice de 5 points, ce qui laisse une dizaine de minutes de relecture. Commencez par l'exercice où vous vous sentez le plus à l'aise. Dans l'exercice 1, ne passez pas trop de temps sur le dessin des molécules : la rédaction de la question 6.2 et le calcul final rapportent beaucoup. Pour les questions ouvertes, notez rapidement vos hypothèses avant de calculer : une démarche claire est valorisée même si le résultat diffère légèrement.

Conclusion

Ce sujet couvre un large éventail du programme de terminale S : chimie organique et protocole expérimental, énergie et chute libre, transferts thermiques et incertitudes, ou ondes sonores et résolution de problème pour la spécialité. Il récompense la rigueur sur les unités, les conversions et les arrondis, ainsi que la capacité à justifier chaque étape. Traitez-le en temps limité, puis comparez votre copie au corrigé question par question en vous attardant sur les pièges signalés.