Bac S 2020 Centres étrangers : présentation de l'épreuve
Le sujet de physique-chimie du bac S 2020 des Centres étrangers (ancien programme) se compose de trois exercices indépendants, pour un total de 20 points et une durée de 3 h 30. Il couvre un spectre large du programme de Terminale S : la chimie organique et l'analyse avec la gomme arabique, la thermodynamique avec une tour de stockage d'énergie, et la mécanique céleste associée aux ondes électromagnétiques avec un nanosatellite. Chaque exercice repose sur un contexte concret et alterne questions de cours, calculs guidés et questions ouvertes où il faut construire soi-même une démarche. Le corrigé détaillé reprend chaque question dans l'ordre du sujet, avec les calculs posés, les pièges signalés et des rappels de méthode.
Ce sujet est particulièrement utile pour s'entraîner à deux compétences qui reviennent souvent au bac : rédiger un protocole expérimental complet et juger de la cohérence de données chiffrées. Il permet aussi de réviser des démonstrations incontournables, comme le calcul de la période d'un satellite à partir de la deuxième loi de Newton.
Exercice 1 : la gomme arabique (7,5 points)
Le premier exercice s'intéresse à l'hydrolyse de la gomme arabique, un polysaccharide qui libère trois glucides : l'arabinose, le galactose et le rhamnose.
Mécanisme et structure des molécules
Il faut d'abord reconnaître une réaction de substitution, puisqu'un groupe -OR est remplacé par un groupe -OH, puis identifier le rôle de l'ion H+, consommé puis régénéré au cours du mécanisme : c'est un catalyseur. La flèche courbe de l'étape a part du doublet non liant de l'atome d'oxygène, site donneur, et pointe vers l'ion H+, site accepteur. L'erreur fréquente est de tracer la flèche dans l'autre sens. Sur la molécule d'arabinose, on repère un groupe carbonyle en bout de chaîne (famille des aldéhydes) et quatre groupes hydroxyle (famille des alcools). Ses trois carbones asymétriques et l'absence de plan de symétrie la rendent chirale : son image dans un miroir est son énantiomère.
Spectroscopie et chromatographie
La comparaison des spectroscopies est un classique : l'infrarouge ne permet pas de distinguer les trois glucides, qui portent les mêmes groupes caractéristiques, alors que la RMN du proton le permet, en particulier grâce au doublet intégrant pour 3 H du groupe CH3 du rhamnose. La partie expérimentale demande ensuite la formule de l'acide méthanoïque, l'intérêt du chauffage à reflux, les dépôts à réaliser sur la plaque de CCM (mélange réactionnel, trois témoins purs, gomme non hydrolysée) et le choix du protocole d'hydrolyse : le protocole 3, à 25 % d'acide méthanoïque, est le seul à donner une hydrolyse complète sans dégradation.
Le protocole de dosage par étalonnage
La dernière question, ouverte, demande un protocole détaillé pour doser l'arabinose. Le corrigé propose une gamme étalon de cinq solutions filles obtenues par dilution, qui encadrent la concentration attendue, un traitement identique de tous les tubes, une mesure d'absorbance à la longueur d'onde de la couleur complémentaire de l'orange, vers 480 nm, puis une lecture sur la droite d'étalonnage. C'est une excellente question pour apprendre à rédiger un protocole structuré.
Les points de vigilance de l'exercice 1
Plusieurs réponses se jouent sur un mot précis. Pour la catégorie de réaction, le critère est la nature de la modification : un groupe d'atomes en remplace un autre, c'est une substitution ; une addition supprimerait une liaison multiple, une élimination en créerait une. Pour le carbonyle de l'arabinose, la position en bout de chaîne et l'atome d'hydrogène porté par le carbone imposent la famille des aldéhydes, et l'on distingue le nom du groupe, hydroxyle, de celui de la famille, alcool. Pour l'énantiomère, on dessine l'image de la molécule dans un miroir, ou l'on échange les liaisons sur les trois carbones asymétriques à la fois. Dans le protocole de dosage, la longueur d'onde se choisit sur la couleur absorbée, diamétralement opposée sur le cercle chromatique, et non sur la couleur perçue : régler l'appareil sur l'orange est l'erreur à éviter.
Exercice 2 : une tour énergétique (7,5 points)
Le deuxième exercice porte sur une cuve d'eau chauffée la nuit par une usine de valorisation des déchets et qui restitue l'énergie le jour aux locaux d'une université.
Énergie interne et transferts thermiques
Après les trois modes de transfert thermique et le rôle de la convection dans l'homogénéisation de l'eau, on écrit ΔU = m c ΔT et on montre que l'énergie à fournir pour chauffer l'eau de 72 °C à 98 °C vaut 1,1 × 1011 J. Il faut penser à convertir le volume en masse et ne pas ajouter 273 à un écart de température. Le schéma des échanges sur 24 h fait apparaître l'énergie reçue de l'usine et les énergies cédées aux locaux et à l'environnement, chaque transfert allant du chaud vers le froid.
Dimensionner l'isolation
Le calcul de la surface de 653 m² ne retient que la surface latérale et le disque supérieur, puisque le fond repose sur le sol. Vient ensuite la question la plus technique : l'épaisseur minimale de laine de verre pour limiter les pertes à 1,0 % de l'énergie reçue. En combinant Q = φ Δt, la loi du flux thermique et l'expression de la résistance thermique, on trouve environ 13 cm. La conversion des 24 h en secondes est indispensable.
Une question de cohérence
Après l'équation de combustion du méthane, il faut vérifier si 2 500 MWh récupérés par an correspondent bien à 12 700 tonnes de CO2 évitées sur 20 ans. Le calcul conduit à environ 9,2 × 103 t, soit le même ordre de grandeur mais un écart d'environ 28 %. La conclusion doit être argumentée : les données ne sont pas rigoureusement cohérentes, et le corrigé propose des pistes pour expliquer cet écart.
Les points de vigilance de l'exercice 2
Cet exercice récompense la rigueur sur les unités. L'énergie s'obtient à partir d'une masse, il faut donc multiplier le volume par la masse volumique avant d'appliquer ΔU = m c ΔT. Un flux thermique s'exprime en watts, c'est-à-dire en joules par seconde : la durée de 24 h devient 86 400 s. Dans l'étude de cohérence, on compare des masses de CO2 sur la même durée, 20 ans, et dans la même unité, la tonne. Enfin, une question qui commence par « montrer que » attend un calcul complet qui retrouve la valeur annoncée avec le bon nombre de chiffres significatifs, et pas seulement une vérification rapide.
Exercice 3 : un nanosatellite (5 points)
Le dernier exercice étudie un nanosatellite en orbite basse, chargé de mesurer l'oxygène atomique de la thermosphère.
Orbite et période de révolution
L'orbite est montrée quasi-circulaire par un écart relatif d'environ 0,10 % entre les distances au centre de la Terre au périgée et à l'apogée ; le piège est de comparer les altitudes au lieu des rayons. Viennent ensuite la vitesse v = 2πR/T et l'accélération normale v²/R dans le repère de Frenet. La deuxième loi de Newton appliquée avec la force de gravitation conduit à un mouvement uniforme et à la période T = 2π√(R³/(GMT)). Le calcul donne environ 15,5 révolutions par jour, très proche des 15,56 annoncées, ce qui valide le modèle circulaire. Le rayon doit impérativement être exprimé en mètres.
Ondes électromagnétiques et atmosphère
La seconde partie exploite un graphique d'opacité de l'atmosphère. L'ultraviolet lointain, sous 200 nm, est totalement absorbé : les mesures ne peuvent se faire que depuis l'espace. Les fréquences de communication de 436 MHz et 146 MHz correspondent à des longueurs d'onde de 0,688 m et 2,05 m, situées dans le domaine où l'atmosphère est transparente. Il faut calculer ces longueurs d'onde avant de lire le graphique, dont l'axe est logarithmique.
Les points de vigilance de l'exercice 3
La démonstration de la période est un passage obligé des sujets de mécanique céleste : système, référentiel géocentrique supposé galiléen, force de gravitation, deuxième loi de Newton, projection dans le repère de Frenet. La masse du satellite se simplifie, ce qui montre que la période ne dépend que du rayon de l'orbite et de la masse de la Terre. Pour la partie sur les ondes, la lecture du graphique doit être précédée du calcul des longueurs d'onde, avec la conversion des mégahertz en hertz. Une réponse qui se contente d'affirmer que les ondes radio traversent l'atmosphère, sans valeur lue ni calculée, n'est pas justifiée.
Gestion du temps
Avec 3 h 30 pour 20 points, une répartition proportionnelle au barème donne environ 1 h 20 pour chacun des deux premiers exercices et un peu moins d'une heure pour le nanosatellite. Commencez par lire l'ensemble du sujet pour repérer les questions de cours rapides, qui sécurisent des points : modes de transfert thermique, catégories de réactions, expressions de la vitesse et de l'accélération. Réservez du temps pour les questions ouvertes, le protocole de dosage de l'exercice 1 et l'étude de cohérence de l'exercice 2, qui demandent une rédaction soignée. Si un calcul bloque, utilisez les valeurs données dans l'énoncé, comme l'énergie de 1,1 × 1011 J ou la surface de 653 m², pour poursuivre l'exercice. Gardez quelques minutes à la fin pour vérifier les unités et les chiffres significatifs.
Comment utiliser le corrigé
Le corrigé est organisé question par question, dans la même numérotation que le sujet. Pour chaque réponse, il présente la rédaction attendue sur une copie, puis, selon les cas, une méthode réutilisable, une explication pour comprendre le résultat, les pièges courants et les calculs tels qu'on les tape sur la calculatrice. Les figures à compléter en annexe, comme la flèche courbe du mécanisme, les groupes caractéristiques entourés ou l'énantiomère de l'arabinose, sont redessinées dans leur version complétée. Le plus efficace est de chercher chaque question seul, puis de confronter votre raisonnement au corrigé, en vous attardant sur les justifications plutôt que sur le seul résultat numérique.
Conclusion
Ce sujet des Centres étrangers 2020 constitue un entraînement complet et équilibré. Il fait travailler la rigueur du vocabulaire en chimie organique, la maîtrise des bilans d'énergie et des conversions d'unités en thermodynamique, et la démonstration type du mouvement d'un satellite. Les questions ouvertes apprennent à construire une démarche et à conclure de façon argumentée. Certaines notions, comme la RMN du proton ou l'énantiomérie, ne figurent plus au programme actuel de la spécialité : le corrigé le signale, ce qui permet d'adapter vos révisions. Traitez le sujet en temps limité, puis comparez votre copie au corrigé question par question pour repérer vos points faibles.