Le Bac S Polynésie 2017 en physique-chimie

Le sujet de physique-chimie du Bac S Polynésie 2017, conçu pour l'ancien programme, se compose de trois exercices obligatoires notés sur 20 points au total, auxquels s'ajoute un exercice réservé aux candidats de spécialité physique-chimie. L'épreuve dure 3 h 30. Ce découpage est caractéristique des sujets de cette époque : un gros exercice de chimie organique pèse 9 points, entouré d'un exercice d'optique et de physique moderne et d'un exercice mêlant thermique et mécanique.

Le sujet couvre ainsi une grande partie du programme : énergie des photons, diffraction, rayonnement du corps noir, représentation des molécules, stéréoisomérie, spectroscopie infrarouge, synthèse organique, dosage par étalonnage, transferts thermiques, deuxième loi de Newton et, en spécialité, niveau d'intensité sonore. C'est un excellent support de révision, car il oblige à changer souvent de registre, ce qui est précisément la difficulté d'une épreuve écrite.

Exercice 1 : l'univers du térahertz (6 points)

Ce premier exercice présente les rayonnements térahertz, situés entre 0,1 THz et 30 THz. Il commence par une comparaison avec les rayons X : la relation E = h f, suivie d'une conversion en électronvolts, donne 4,1 × 10² eV pour un photon X et 6,2 × 10^-3 eV pour un photon T. Face au seuil de 10 eV fourni par l'énoncé, on conclut que les rayons X sont ionisants et que les rayons T ne le sont pas.

La deuxième partie repose sur la diffraction par une fente, avec la relation θ = λ / a. Il faut montrer que deux faisceaux inclinés de α se recouvrent tant que α est inférieur à θ, ce qui donne la valeur limite α = λ / a. Cette idée est ensuite appliquée à une caméra térahertz : la formule fournie conduit à un diamètre minimal d'objectif de 15 cm, supérieur aux 10 cm disponibles, si bien que deux points distants de 0,20 mm ne sont pas distingués. Il faudrait augmenter la fréquence jusqu'à au moins 2,2 THz.

Enfin, la loi de Wien appliquée au rayonnement fossile, à 3 K, donne une longueur d'onde d'environ 1 mm, soit environ 0,3 THz : c'est un rayonnement térahertz. La courbe d'absorption atmosphérique montre une absorption de 100 % autour de 1 mm, d'où la nécessité d'un satellite pour l'étudier à son maximum d'émission.

Les pièges principaux sont des pièges d'unités : convertir les térahertz en hertz, diviser et non multiplier par 1,60 × 10^-19 pour obtenir des électronvolts, exprimer L et d dans la même unité, et comparer des grandeurs de même nature lorsqu'on situe une longueur d'onde sur un axe gradué en fréquences.

Exercice 2 : arôme de menthe (9 points)

C'est l'exercice le plus long du sujet, et celui qui rapporte le plus de points. Il s'ouvre sur la menthone et le menthol : formules topologiques, repérage de deux carbones asymétriques dans la menthone, reconnaissance d'une relation d'énantiomérie entre le (-) menthol et le (+) menthol, puis choix du spectre infrarouge de la menthone. Le spectre 2, qui présente une bande intense vers 1700 cm^-1 caractéristique de la liaison C=O et aucune bande large de la liaison O-H, est le bon.

La deuxième partie porte sur la synthèse de l'éthanoate de menthyle. On y reconnaît une modification de groupe caractéristique, le rôle d'un catalyseur qui diminue la durée sans changer l'état final, l'intérêt d'un chauffage à reflux, l'utilisation d'une ampoule à décanter et l'équation de la réaction entre l'acide éthanoïque restant et les ions hydrogénocarbonate, qui explique l'effervescence observée. Les calculs de quantités de matière, 0,100 mol de menthol et 0,19 mol d'acide éthanoïque, désignent le menthol comme réactif limitant. Avec 12 g d'ester obtenus, le rendement vaut 61 %, inférieur à 100 % car la transformation est limitée et parce que des pertes interviennent pendant le traitement.

La troisième partie est un dosage par étalonnage d'un colorant, le E133, à partir de codes RVB. La composante rouge, couleur complémentaire du cyan, est la plus absorbée. Les absorbances des solutions étalons sont proportionnelles à la concentration, ce qui conduit à 8,4 mg/L pour la solution analysée, puis à 42 mg/L pour le sirop après prise en compte de la dilution par cinq.

Attention à garder le H du groupe OH en écriture topologique, à passer par m = ρ V pour un liquide, à calculer le rendement à partir du réactif limitant et à ne pas oublier la dilution finale.

Exercice 3 : randonnée en montagne (5 points)

Le troisième exercice commence par les transferts thermiques. L'énergie traverse le matelas du randonneur, à 33 °C, vers le sol, à 15 °C, par conduction : l'agitation thermique se transmet de proche en proche, sans déplacement de matière. Après avoir estimé la surface de contact à 0,5 m², on calcule le flux thermique φ = λ S ΔT / e, d'environ 25 W pour le matelas « Sleepy ». Comparé aux 40 W du matelas « Randy », ce flux plus faible désigne « Sleepy » comme le meilleur isolant.

La seconde partie est une chute libre. La deuxième loi de Newton, avec un axe orienté vers le bas, conduit à h = ½ g t_C². Une durée mesurée de 5,2 s donne h = 1,3 × 10² m si l'on néglige la propagation du son. Or le son met environ 0,39 s à remonter, soit environ 7,5 % de la durée mesurée : l'hypothèse n'est pas justifiée, et la hauteur calculée est plus grande que la hauteur réelle, voisine de 1,1 × 10² m.

Les erreurs classiques sont de laisser l'épaisseur du matelas en centimètres, d'écrire a_y = -g alors que l'axe est orienté vers le bas, et de répondre à la question 2.2.2 sans application numérique.

Exercice 4 : spécialité, sonorisation d'une salle de concert (5 points)

Réservé aux candidats de spécialité, cet exercice prend la forme d'une résolution de problème. On montre d'abord, à l'aide d'un diagramme de directivité, que les sons graves de 500 Hz à 2000 Hz sont émis de la même façon dans toutes les directions. On définit ensuite un haut-parleur directif, dont le niveau d'émission est maximal dans l'axe.

Le problème consiste à comparer le niveau reçu au premier rang, à 4,0 m, et au dernier rang, à 8,0 m. Avec I = K / d², doubler la distance fait perdre 6,0 dB. Pour les graves, seul cet effet intervient : l'écart de 6 dB dépasse les 5 dB perceptibles. Pour les aigus à 8000 Hz, le premier rang, situé à 45° de l'axe, subit une atténuation d'environ 7,5 dB, contre 6,0 dB pour le dernier rang placé dans l'axe : l'écart de 1,5 dB n'est pas perçu. L'objectif est atteint pour les aigus, pas pour les graves. Le commentaire attendu porte notamment sur le timbre perçu, la limite de 105 dB à respecter au premier rang et les limites du modèle.

Le piège principal consiste à ajouter ou soustraire des intensités à la place des niveaux, ou à oublier le carré de la distance dans la loi I = K / d². Pour comparer deux niveaux, le plus sûr est de calculer directement la différence L₁ - L₂ : la constante K et l'intensité de référence s'éliminent, et les atténuations en décibels lues sur le diagramme s'additionnent ensuite simplement.

Gestion du temps

Le barème guide la répartition des 3 h 30. Le corrigé indique environ 1 h pour l'exercice 1, environ 1 h 30 pour l'exercice 2 et environ 50 minutes pour l'exercice 3 ou pour l'exercice de spécialité, ce qui laisse quelques minutes de relecture. Commencez par lire l'ensemble du sujet pour repérer les questions de cours rapides : formules topologiques, définition d'un catalyseur, nom du montage à reflux, sens d'un transfert thermique. Elles rapportent des points sûrs.

Dans l'exercice 2, ne vous laissez pas absorber par les schémas : un montage bien légendé suffit. Dans l'exercice 1, la question sur la séparation des faisceaux demande un raisonnement plus abstrait ; si elle bloque, la partie sur la caméra et celle sur le rayonnement fossile restent accessibles avec les formules fournies. Pour la résolution de problème de spécialité, réservez du temps à la rédaction de la démarche et au commentaire, qui comptent autant que le calcul.

Gardez enfin un œil sur les chiffres significatifs tout au long de l'épreuve. Le corrigé les justifie à chaque résultat : deux chiffres pour les énergies des photons et pour le rendement, un seul pour le flux thermique, puisque la conductivité et la surface estimée n'en comportent qu'un, et un seul aussi pour le rayonnement fossile, la température de 3 K n'en ayant qu'un. Ces détails, vite expédiés en fin de calcul, font souvent la différence dans une copie bien notée.

Conclusion

Ce sujet du Bac S Polynésie 2017 est équilibré et très formateur. Il récompense la rigueur sur les unités et les chiffres significatifs, la maîtrise des méthodes classiques, comme le rendement, le dosage par étalonnage ou la démonstration d'une chute libre, et la capacité à justifier une conclusion par une comparaison chiffrée. Certaines notions, comme la loi de Wien, le carbone asymétrique ou le diagramme de directivité, ne figurent plus telles quelles au programme actuel de spécialité, mais la plupart des raisonnements restent directement utiles pour préparer l'épreuve. Traitez le sujet en temps limité, puis comparez votre copie au corrigé détaillé de chaque exercice.