Le bac S 2012 en Asie : un sujet complet de physique-chimie

L'épreuve de physique-chimie du bac S 2012 en Asie, conçue pour l'ancien programme, dure 3 h 30 et compte quatre exercices pour un total de 20 points. Elle équilibre bien physique et chimie : un grand exercice mêlant optique, physique atomique et dosage spectrophotométrique, un exercice de mécanique sur les oscillateurs, puis deux exercices d'oxydoréduction centrés sur l'électrolyse, dont le dernier est réservé aux candidats de spécialité. Aucun exercice ne demande de calcul très long ; la difficulté tient surtout à la précision du vocabulaire, au sens des flèches et des forces, et aux conversions d'unités. C'est un très bon sujet d'entraînement en fin d'année, car il balaie une grande partie du programme sans piège mathématique.

Les exercices sont indépendants. Il est donc possible de commencer par celui qui vous inspire le plus, à condition de bien indiquer sur la copie le numéro de chaque question. Le corrigé reprend toutes les questions dans l'ordre du sujet, avec les calculs détaillés, les erreurs fréquentes et des remarques pour comprendre.

Exercice 1 : Lumière et analyse (6,5 points)

Le premier exercice est le plus long. Il commence par des questions de cours sur la propagation de la lumière : l'indice de réfraction se définit par n = c/v ; la fréquence d'une radiation ne change pas quand elle passe d'un milieu à un autre, car elle est imposée par la source ; un milieu dispersif est un milieu où la célérité d'une onde dépend de sa fréquence, ce qui explique la décomposition de la lumière par un prisme.

La deuxième partie étudie le spectre du césium. Les raies α et β, à 459 et 455 nm, sont dans le domaine visible, et la présence de plusieurs raies montre que la lumière est polychromatique. On calcule la fréquence de la raie α, 6,54 × 10¹⁴ Hz, puis l'énergie du photon, E = hc/λ, soit 2,70 eV après division par 1,60 × 10^-19. Sur le diagramme, cet écart correspond exactement à la transition de E₃ vers E₀, représentée par une flèche descendante puisqu'il s'agit d'une émission. Un photon de 2,39 eV fait passer l'atome de l'état fondamental E₀ à l'état E₂ : c'est une raie d'absorption.

La troisième partie est un dosage par étalonnage de la vanilline d'un arôme du commerce. Après une dilution d'un facteur 250 et la réaction avec les ions hydroxyde, on mesure l'absorbance au maximum d'absorption, vers 347 nm, dans l'ultraviolet. La courbe d'étalonnage est une droite passant par l'origine, conforme à la loi de Beer-Lambert, de coefficient k = 2,7 × 10⁴ L·mol^-1. Pour A = 0,88, on obtient c₁ = 3,3 × 10^-5 mol·L^-1, une concentration massique de 5,0 × 10^-3 g·L^-1, et enfin 1,2 g·L^-1 pour l'échantillon commercial. Les pièges : oublier de convertir les nanomètres, multiplier au lieu de diviser pour passer en électronvolts, ou diviser par 250 à la dernière question.

Exercice 2 : La suspension de la 2 CV Citroën (5,5 points)

Le deuxième exercice modélise la suspension d'une 2 CV par un oscillateur masse-ressort horizontal. On identifie la constante de raideur k, en N·m^-1, puis on en déduit k = 4π²m/T₀², soit environ 1,6 × 10⁴ N·m^-1 pour m = 100 kg et T₀ ≈ 0,50 s. Le bilan des forces demande de l'attention : dans la position étudiée, le ressort est allongé, donc la force de rappel est dirigée vers O, tandis que le frottement s'oppose à la vitesse et pointe dans l'autre sens.

La deuxième loi de Newton, projetée sur l'axe horizontal, conduit à l'équation a_x + (μ/m)v_x + (k/m)x = 0, d'où α = μ/m. Sans frottement, on vérifie par une double dérivation que la fonction sinusoïdale de période T₀ est solution, quelles que soient l'amplitude et la phase : ce sont des oscillations libres non amorties. Appliqué à la voiture qui franchit une bosse, ce modèle prévoit un mouvement de pompage sans fin.

La seconde partie aborde les oscillations forcées. Sur une route à bosses espacées de 1,00 m, la voiture roulant à 5,0 m·s^-1 rencontre une bosse toutes les 0,20 s ; cette période d'excitation est bien différente de la période propre, et la suspension n'entre pas en résonance. Ce sont les amortisseurs qui permettent de limiter la résonance, en augmentant l'amortissement. Ici, la clé est de soigner la rédaction : système, référentiel, projection de chaque force avec son signe, comparaison explicite de deux périodes.

Exercice 3 : Traitement électrolytique des objets ferreux (4 points)

Le troisième exercice décrit la restauration d'un canon ancien par électrolyse. Le canon, relié à la borne négative, est la cathode : il y a réduction, avec dégagement de dihydrogène. À l'anode, les ions chlorure sont oxydés en dichlore. On établit ensuite une chaîne de relations : n(H₂) = n(e^-)/2, Q = I·Δt et Q = n(e^-)·N_A·e, d'où n(H₂) = I·Δt / (2 N_A e). Avec 7,50 A pendant 700 heures, converties en secondes, on trouve 98,1 mol de dihydrogène, soit 2,35 × 10³ L avec un volume molaire de 24,0 L·mol^-1.

La deuxième partie traite de la corrosion humide : on écrit les demi-équations du fer et du dioxygène en milieu basique, puis l'équation 2 Fe + O₂ + 2 H₂O → 2 Fe²⁺ + 4 HO^-, qui montre que l'eau est un réactif. La dernière partie présente la protection par une anode sacrificielle en zinc : le zinc s'oxyde à la place du fer, et le seul oxydant présent pour la réduction à la cathode est l'ion H⁺. L'essentiel est de ne jamais confondre oxydation et réduction et de convertir la durée en secondes.

Exercice 4 : L'anodisation dure colorée (spécialité, 4 points)

L'exercice de spécialité porte sur l'anodisation de l'aluminium, procédé qui épaissit la couche d'alumine protectrice et permet de colorer les pièces. On écrit d'abord la formation naturelle de l'alumine, 4 Al + 3 O₂ → 2 Al₂O₃, limitée par l'aluminium accessible en surface. On complète ensuite le schéma du montage : la pièce en aluminium est reliée à la borne positive, l'électrode en plomb à la borne négative, dans une solution d'acide sulfurique.

Le dégagement de dihydrogène est une réduction qui a lieu à la cathode, l'électrode en plomb. En combinant les demi-équations pour échanger six électrons, on retrouve l'équation globale 2 Al + 3 H₂O → Al₂O₃ + 3 H₂. Le bilan électrique conduit à l'expression Δt = 3 m_Al N_A e / (I M_Al), où le facteur 3 vient de l'oxydation de l'aluminium. On calcule enfin une masse d'alumine de 0,51 g pour 0,17 mL déposés, et l'on identifie la température comme facteur cinétique du colmatage dans l'eau bouillante.

Les exercices 3 et 4 se répondent : ils reposent sur les mêmes définitions de l'anode et de la cathode et sur la même relation entre charge et quantité d'électrons. Les candidats de spécialité ont intérêt à les traiter à la suite, en réutilisant les réflexes acquis.

Les notions à revoir avant de se lancer

Avant de traiter ce sujet, assurez-vous de connaître par cœur quelques relations de base : n = c/v, λ = c/ν et E = hν = hc/λ pour l'optique et la physique atomique ; A = k·c pour la loi de Beer-Lambert ; c_m = c·M et le facteur de dilution pour les solutions ; T₀ = 2π√(m/k) pour l'oscillateur ; Q = I·Δt et Q = n(e^-)·N_A·e pour l'électrolyse. Revoyez aussi la méthode pour ajuster une demi-équation électronique en milieu acide ou basique, et la façon de combiner deux demi-équations pour que les électrons disparaissent du bilan. Enfin, entraînez-vous à lire un diagramme de niveaux d'énergie et à tracer une droite d'étalonnage propre, axes légendés et unités indiquées.

Gérer son temps sur les 3 h 30

Une répartition proportionnelle au barème donne un repère simple : environ 1 h 10 pour l'exercice 1, un peu moins d'une heure pour l'exercice 2 et une quarantaine de minutes pour chacun des deux derniers. Gardez une dizaine de minutes pour relire les unités et les chiffres significatifs. Les annexes à rendre avec la copie, diagramme d'énergie, courbe d'étalonnage, bilan des forces et schéma d'électrolyse, rapportent des points faciles : ne les oubliez pas dans le sujet.

Si une question bloque, utilisez le résultat donné dans l'énoncé ou la valeur notée entre parenthèses dans la suite pour continuer : les correcteurs valorisent les raisonnements justes, même à partir d'une valeur intermédiaire erronée. Commencer par les questions de cours de chaque exercice permet aussi de sécuriser des points rapidement.

Conclusion

Ce sujet du bac S 2012 en Asie est un excellent support de révision : il couvre la lumière et la quantification de l'énergie, la spectrophotométrie, les oscillateurs mécaniques et l'électrolyse, avec des questions progressives et des contextes concrets. Travaillez-le en conditions réelles, puis comparez votre copie au corrigé détaillé, question par question, en repérant les pièges signalés. Vous pouvez aussi travailler chaque exercice séparément grâce aux fiches dédiées.