Le bac S 2015 de Pondichéry en physique-chimie : présentation de l'épreuve

L'épreuve de physique-chimie du bac S 2015 passée à Pondichéry dure 3 h 30 et est notée sur 20 points. Elle comporte quatre exercices, mais chaque candidat n'en traite que trois. Les exercices 1 et 2 sont communs à tous ; l'exercice 3 est réservé aux candidats qui n'ont pas suivi la spécialité physique-chimie, et l'exercice 4 aux candidats de spécialité. Le total vaut donc 20 points dans les deux cas : 9 points pour la vitamine C, 6 points pour la pompe à chaleur et 5 points pour l'exercice d'ondes ou l'exercice de spécialité.

Ce sujet relève de l'ancien programme de terminale S. Certaines notions, comme le carbone asymétrique ou le laser étudié pour lui-même, ne figurent plus dans le programme actuel de la spécialité. L'essentiel reste pourtant d'actualité : couples acide-base, titrages, bilans d'énergie, transferts thermiques, ondes, effet Doppler et résolution de problème. C'est un excellent sujet pour s'entraîner, car il équilibre la chimie, la thermodynamique et les ondes, et il fait alterner questions de cours, calculs guidés et questions ouvertes.

Exercice 1 : la vitamine C (9 points)

Le premier exercice, le plus lourd de l'épreuve, étudie un comprimé de vitamine C qui associe acide ascorbique et ascorbate de sodium. La première partie porte sur la molécule : il faut reconnaître les familles ester et alcool, repérer les deux carbones asymétriques, puis classer trois stéréoisomères. Les représentations 1 et 2 sont énantiomères, les couples 2 et 3 puis 1 et 3 sont diastéréoisomères. On dessine ensuite l'ion ascorbate et l'on compare le pH au pKA de 4,1 : l'ion ascorbate prédomine sur la langue, l'acide ascorbique dans l'estomac.

La deuxième partie est un titrage conductimétrique. Après le protocole de dissolution dans une fiole jaugée de 200,0 mL et l'équation de titrage, la question centrale montre que la soude à 0,100 mol·L⁻¹ conduirait à un volume équivalent de 1,42 mL seulement : il faut la diluer environ dix fois. La courbe attendue est formée de deux portions de droite croissantes, la seconde de pente plus forte, car l'ion hydroxyde est très conducteur. Le calcul d'incertitude donne une incertitude relative d'environ 2,6 % et une masse de (245 ± 7) mg, en accord avec les 250 mg de l'étiquette.

La troisième partie justifie l'emploi de l'acide chlorhydrique pour titrer l'ion ascorbate, vérifie par les quantités de matière que le comprimé équivaut à environ 503 mg d'acide ascorbique, puis explique l'intérêt d'une formulation moins acide, donc moins agressive. Le piège principal de l'exercice est le facteur 10 de la prise d'essai : seuls 20,0 mL des 200,0 mL de solution sont titrés.

Exercice 2 : le chauffage d'une piscine (6 points)

Le deuxième exercice est consacré à une pompe à chaleur qui chauffe l'eau d'un bassin de 560 m³. Il commence par un bilan d'énergie sur le fluide frigorigène : sur un cycle, la variation d'énergie interne est nulle, d'où la relation Qc = Qf + We, avec trois grandeurs positives. Dans le vaporisateur, le fluide subit une vaporisation et reçoit de l'énergie de l'air extérieur, par conduction à travers la paroi des tuyaux et par convection dans l'air.

Viennent ensuite les calculs. La variation d'énergie interne de l'eau, pour un passage de 17 °C à 28 °C, vaut environ 2,6 × 10¹⁰ J ; elle est égale à Qc. L'énergie prélevée dans l'air vaut 1,8 × 10¹⁰ J et le coefficient de performance 3,2. Avec un coefficient de 3,0, l'économie sur la facture d'électricité atteint 67 % par rapport à une résistance électrique. L'exercice se termine par une courte synthèse sur l'intérêt des pompes à chaleur. Attention à la conversion des kilojoules en joules et à la définition du coefficient de performance, qui divise l'énergie utile par l'énergie électrique facturée, jamais par l'énergie gratuite prélevée dans l'air.

Exercice 3 : les ondes au service de la voiture du futur (5 points)

Réservé aux candidats sans spécialité, cet exercice compare les capteurs d'une voiture autonome. Le radar et le LIDAR utilisent des ondes électromagnétiques, les capteurs à ultrasons des ondes mécaniques. La longueur d'onde du radar, 3,9 mm, le place dans la bande W. L'effet Doppler est abordé qualitativement : la fréquence réfléchie augmente quand l'objet se rapproche et diminue quand il s'éloigne.

La partie sur le radar de recul est la plus intéressante. Les salves d'ultrasons durent 1,7 ms et se répètent toutes les 12 ms. L'aller-retour jusqu'à un obstacle situé à 0,30 m dure exactement la durée d'une salve : c'est la portée minimale, car le récepteur reste inactif pendant l'émission. Pour détecter un obstacle plus proche, il faut raccourcir les salves. La portée maximale, environ 2 m, est fixée par la périodicité des salves. La dernière question est une réponse argumentée : aucun capteur ne convient à toutes les distances ni à toutes les conditions météorologiques, il faut les associer.

Exercice 4 de spécialité : Solar Impulse 2 (5 points)

Les candidats de spécialité traitent une résolution de problème : l'avion solaire Solar Impulse 2 peut-il voler 24 heures sans carburant ? Il faut construire seul la démarche. Les cellules, plus de 17 000 carrés de 12,5 cm de côté, produisent environ 3,7 × 10⁵ Wh par jour, pour une consommation des moteurs de 2,6 × 10⁵ Wh. Les batteries stockent environ 1,6 × 10⁵ Wh, assez pour une nuit de 12 heures qui en demande 1,3 × 10⁵ Wh, et le surplus produit le jour suffit à les recharger. Le regard critique attendu discute la puissance solaire en altitude, l'orientation des cellules, les pertes des batteries, la durée variable de la nuit et le fonctionnement à pleine puissance.

Les compétences évaluées dans l'ensemble du sujet

Au-delà des notions, ce sujet évalue des savoir-faire précis qu'il est utile d'identifier avant de se lancer. Le premier est l'exploitation de documents : le schéma énergétique de la pompe à chaleur, le tableau des bandes d'ondes radio, la notice du radar de recul ou les caractéristiques techniques de Solar Impulse 2 fournissent les données indispensables. Une réponse qui ne cite pas l'information tirée du document perd une partie des points, même si elle est juste.

Le deuxième savoir-faire est la maîtrise des calculs avec puissances de dix et conversions d'unités. Les gigahertz du radar, les millisecondes des salves, les kilojoules de la capacité thermique, les centimètres des cellules photovoltaïques et les chevaux des moteurs doivent tous être convertis avant d'être utilisés. Les résultats s'écrivent ensuite avec un nombre de chiffres significatifs cohérent avec les données, le plus souvent deux ou trois dans ce sujet.

Le troisième est la rédaction d'une justification. Plusieurs questions ne demandent aucun calcul mais une phrase précise : pourquoi le fluide reçoit de l'énergie dans le vaporisateur, pourquoi le capteur ne détecte pas un obstacle trop proche, pourquoi l'ion ascorbate se titre par un acide. Une bonne justification énonce la règle, l'applique à la situation et conclut. Le quatrième, enfin, est l'esprit critique : comparer une mesure à une valeur de référence grâce à l'incertitude dans l'exercice 1, confronter un calcul à la notice dans l'exercice 3, discuter les hypothèses dans l'exercice 4.

Comment utiliser ce sujet pour réviser

Traitez d'abord le sujet sans le corrigé, en temps limité, en choisissant l'exercice 3 ou l'exercice 4 selon votre enseignement. Corrigez ensuite votre copie avec le corrigé détaillé de chaque exercice : pour chaque question, il donne la réponse rédigée, le piège le plus fréquent et, souvent, une méthode réutilisable. Notez sur une fiche les erreurs que vous avez commises, puis reprenez quelques jours plus tard les questions ratées. Si vous préparez le programme actuel, concentrez-vous sur le titrage, les bilans d'énergie, les ondes et la résolution de problème, qui restent au cœur des épreuves.

Gérer son temps le jour de l'épreuve

Avec 3 h 30 pour 20 points, comptez un peu plus de dix minutes par point. L'exercice 1 mérite environ une heure et demie, l'exercice 2 environ une heure, et l'exercice 3 ou l'exercice 4 environ 50 minutes, ce qui laisse quelques minutes de relecture. Commencez par lire l'ensemble du sujet pour repérer les questions de cours rapides : familles chimiques, nature des ondes, sens des transferts d'énergie. Dans l'exercice 1, ne restez pas bloqué sur la stéréochimie : la partie titrage est indépendante et rapporte beaucoup de points. Pour la résolution de problème de spécialité, posez la démarche sur le brouillon avant de calculer, car une démarche bien rédigée est valorisée même si un résultat est faux.

Ce qu'il faut retenir de ce sujet

Ce sujet de Pondichéry 2015 récompense surtout la rigueur. Les points se perdent rarement sur des calculs difficiles et bien plus souvent sur un facteur oublié : le facteur 10 de la prise d'essai, le facteur 2 de l'aller-retour d'une onde, la racine carrée d'une incertitude ou la conversion d'une unité. Il récompense aussi la qualité de la rédaction : justifier un choix de courbe par les conductivités, une forme prédominante par la comparaison du pH au pKA, une conclusion par une comparaison chiffrée. Entraînez-vous en conditions réelles, puis reprenez le corrigé détaillé de chaque exercice pour comprendre chaque piège et la méthode qui permet de l'éviter.