Le Bac S 2017 Antilles-Guyane en physique-chimie

L'épreuve de physique-chimie du Bac S 2017 Antilles-Guyane dure 3 h 30 et compte 20 points. Comme toutes les épreuves de l'ancien Bac S, elle se compose de trois exercices pour chaque candidat : un premier exercice de 9 points sur le très grand télescope, un deuxième de 6 points sur un pendule géant, puis un troisième de 5 points qui dépend de l'enseignement suivi. Les candidats sans spécialité traitent l'exercice 3, consacré à la recherche de la vie dans l'espace ; les candidats de spécialité physique-chimie traitent l'exercice 4, consacré à l'entretien d'une piscine. Le sujet couvre un spectre large : optique ondulatoire, oxydoréduction, solutions, physique atomique, mécanique, chimie organique, spectroscopie et titrages.

Ce sujet reste un très bon entraînement pour les élèves de terminale actuels. Certaines notions, comme la chiralité ou le titrage par complexation, ne figurent plus au programme de spécialité, mais l'essentiel des méthodes (bilan de matière, conservation de l'énergie, exploitation d'une équivalence, lecture de spectres, rigueur des unités) reste exigible.

Exercice 1 : le très grand télescope (9 points)

Diffraction et pouvoir de résolution

L'exercice commence par la description de la diffraction : un étalement de l'onde, sans changement de longueur d'onde, d'autant plus marqué que λ/a est grand. Il met en évidence le caractère ondulatoire de la lumière. La lecture du document donne une tache d'Airy d'environ 2,6 cm pour une ouverture de 0,2 mm et 1,2 cm pour 0,4 mm : la tache rétrécit quand l'ouverture augmente.

Avec la relation fournie θmin = 1,22 λ/a, λ = 560 nm et une distance Terre-Lune de 3,8 × 10⁸ m, deux objets lunaires doivent être distants d'au moins 65 m pour être séparés par un télescope de 4,0 m, et de 32 m par un miroir du VLT de 8,2 m. Il faut alors justifier les choix des scientifiques : un grand miroir réduit l'effet de la diffraction, un site désertique à 2 635 m d'altitude limite les fluctuations de l'atmosphère.

Nettoyage du miroir

La partie chimique demande l'équation 2 Al + 6 H₃O⁺ → 2 Al³⁺ + 3 H₂ + 6 H₂O, obtenue à partir des demi-équations, puis l'identification du réducteur (l'aluminium) et de l'oxydant (l'ion oxonium). La couche de 80 nm sur 50 m² correspond à 0,40 mol d'aluminium, qui exige 1,2 mol d'ions oxonium. On montre ensuite que l'acide chlorhydrique à 37 % a une concentration voisine de 12 mol·L⁻¹, on rédige un protocole de dilution par 100 avec pipette et fiole jaugées, et l'on trouve qu'il faut au minimum 10 L de solution diluée.

Ionisation de l'argon

Une énergie d'ionisation de 15,8 eV impose à l'électron incident une vitesse d'au moins 2,36 × 10⁶ m·s⁻¹, inférieure à 1 % de la célérité de la lumière. Pour un transfert de 11,6 eV, l'atome atteint le niveau −4,2 eV et émet au retour un photon de 107 nm, dans l'ultraviolet. Le corrigé signale deux coquilles du sujet : une numérotation 2.2.1 en double et une constante de Planck mal imprimée.

Exercice 2 : le pendule géant (6 points)

Énergie et vitesse

Une boule de 15 kg pend au bout d'un câble de 5,21 m et est lâchée sous un angle de 41°. La trigonométrie donne une altitude initiale y = L(1 − cos θ) d'environ 1,3 m, puis une énergie mécanique de 188 J, soit 1,9 × 10² J. Le poids et la tension sont les seules forces si l'on néglige l'air ; la tension ne travaille pas, l'énergie mécanique se conserve et la vitesse est maximale au point le plus bas : 5,0 m·s⁻¹, soit 18 km·h⁻¹. La photographie montre pourtant que la boule ne revient pas tout à fait à son point de départ : l'air dissipe une partie de l'énergie.

Période et masse

La seconde partie porte sur la mesure : dix périodes durent 45,8 ± 0,2 s, d'où T = 4,58 ± 0,02 s. Mesurer dix périodes plutôt qu'une divise l'incertitude par dix. Les courbes x(t) et y(t) se distinguent par leur signe et leur période : l'altitude y oscille deux fois plus vite. La lecture de dix périodes sur x(t) donne T ≈ 4,6 s avec l'expérimentateur assis sur la boule. L'analyse dimensionnelle valide T = k√(L/g), et la comparaison des deux mesures conduit à la conclusion attendue : la période d'un pendule simple ne dépend pas de sa masse.

Exercice 3 : à la recherche de la vie dans l'espace (5 points)

Chimie organique et spectroscopie

Réservé aux candidats sans spécialité, cet exercice commence par les formules topologiques du propanal (aldéhyde) et de l'éthanamide (amide). Les spectres infrarouges s'attribuent grâce à la bande double et intense des liaisons N–H entre 3 100 et 3 500 cm⁻¹, présente seulement pour l'éthanamide ; la bande C=O, commune aux deux, ne permet pas de trancher.

Mécanisme et chiralité

L'azote de l'ammoniac est le site donneur, le carbone du carbonyle le site accepteur ; deux flèches courbes complètent l'étape. La glycine, sans carbone asymétrique, n'est pas chirale et ne peut pas former de mélange racémique. L'acide aminé issu du propanal, porteur d'un groupe éthyle, est chiral : il faut représenter ses deux énantiomères en Cram.

Titrage conductimétrique

La courbe de conductivité est celle qui part de zéro ; ses deux portions de droite de pentes différentes s'expliquent par les ions présents avant et après l'équivalence. Le suivi pH-métrique est écarté faute de saut de pH net. Le volume équivalent de 12,0 mL conduit à une concentration de glycine de 4,80 × 10⁻² mol·L⁻¹, en prenant bien le volume titré de 25,0 mL.

Exercice 4 : entretien d'une piscine (spécialité, 5 points)

Il s'agit d'une résolution de problème : rédiger le rapport d'un technicien à partir de documents. Le titrage par l'EDTA donne une concentration totale en ions calcium et magnésium de 2,0 × 10⁻³ mol·L⁻¹, soit un TH de 20 °f. Sur l'échelle de Taylor, avec un TAC de 6,0 °f, le pH idéal vaut environ 7,8, inférieur au pH mesuré de 8,0 : il faut du « pH moins », à raison de 4,0 g par mètre cube. Le schéma à l'échelle 1/200 donne une largeur de 10 m, donc un volume de 625 m³, et une masse de correcteur d'environ 2,5 kg. La démarche, annoncée puis justifiée document par document, compte autant que le résultat.

Les pièges qui reviennent dans tout le sujet

Les unités et les conversions

Ce sujet multiplie les grandeurs exprimées dans des unités inhabituelles. Dans l'exercice 1, la longueur d'onde est donnée en nanomètres et l'épaisseur de la couche d'aluminium aussi : il faut les convertir en mètres avant tout calcul. La masse volumique de l'aluminium est donnée en grammes par mètre cube, ce qui impose de garder le volume en m³. L'énergie d'ionisation de l'argon est en électronvolts, alors que l'expression de l'énergie cinétique demande des joules. Dans l'exercice 2, la vitesse doit être convertie en km·h⁻¹ en multipliant par 3,6. Dans l'exercice 4, la dose de correcteur est donnée par mètre cube, ce qui impose de calculer le volume du bassin dans cette unité.

Les rapports stœchiométriques

Deux exercices reposent sur une relation entre quantités de matière. Dans l'exercice 1, il faut trois fois plus d'ions oxonium que d'atomes d'aluminium : inverser le rapport fait perdre la suite des calculs. Dans les titrages des exercices 3 et 4, la réaction se fait mole à mole, mais il faut identifier correctement le volume de l'échantillon titré, qui n'est pas le volume total du bécher quand on a ajouté de l'eau.

Les lectures graphiques

La tache d'Airy, les courbes x(t) et y(t) du pendule, la courbe de conductivité et l'échelle de Taylor demandent toutes une lecture précise. Repérer plusieurs périodes plutôt qu'une, tracer proprement les droites qui modélisent un titrage et vérifier une lecture d'échelle avec une dimension connue sont des gestes simples qui sécurisent des points.

Les incertitudes et les chiffres significatifs

L'exercice 2 rappelle qu'une incertitude se divise comme la grandeur qu'elle accompagne : diviser la durée de dix périodes par dix sans diviser l'incertitude est une faute fréquente. Plus largement, le nombre de chiffres significatifs d'un résultat doit suivre celui des données, ce que le corrigé détaille à chaque application numérique.

Gérer son temps sur les 3 h 30

Une répartition proportionnelle aux points est une bonne base : environ 1 h 30 pour l'exercice 1, 1 h pour l'exercice 2 et 50 minutes pour l'exercice 3 ou l'exercice 4, ce qui laisse quelques minutes pour relire. L'exercice 1 est le plus long et le plus varié : mieux vaut ne pas s'enliser dans la lecture graphique de la tache d'Airy et garder du temps pour la chimie et l'argon, où les points sont plus directs. Dans l'exercice 2, les questions s'enchaînent à partir de l'altitude initiale : prenez le temps de la calculer correctement, en degrés. Pour la spécialité, consacrez les premières minutes à construire le plan du rapport avant tout calcul.

Quelques réflexes valent pour tout le sujet : convertir les unités avant chaque application numérique (nanomètres, électronvolts, millilitres), adapter le nombre de chiffres significatifs aux données et conclure chaque question par une phrase claire.

Conclusion

Le Bac S 2017 Antilles-Guyane est un sujet équilibré qui fait passer de l'astronomie à la chimie du vivant en passant par la mécanique et le traitement de l'eau. Il permet de réviser des savoir-faire toujours au cœur de l'épreuve actuelle : exploiter une relation fournie, mener un bilan de matière, appliquer la conservation de l'énergie, interpréter un titrage et rédiger une démarche argumentée. Le sujet officiel et le corrigé détaillé de chaque exercice sont disponibles gratuitement en PDF.