Bac 2022 Nouvelle-Calédonie, jour 2 : présentation de l'épreuve de physique-chimie

Le sujet du jour 2 de l'épreuve de spécialité physique-chimie, session 2022 en Nouvelle-Calédonie, se compose de quatre exercices pour un total de 20 points, en 3 h 30. Sa structure est déséquilibrée : un long exercice de chimie de 10 points ouvre le sujet, suivi de trois exercices de 5 points en thermodynamique, en mécanique et en électricité. Les contextes sont concrets, du plastique polycarbonate à la piscine d'un jardin, du court de tennis à l'intérieur d'un condensateur. Les questions restent proches du cours, mais chaque exercice contient une ou deux questions de démarche où la rédaction compte autant que le résultat. Voici une analyse exercice par exercice, avec les points clés et les pièges relevés dans les corrigés.

Exercice 1 : synthèse du polycarbonate de bisphénol A (10 points)

Cet exercice, qui représente la moitié de la note, suit la fabrication du polycarbonate en trois étapes. La première question demande les groupes caractéristiques : deux groupes hydroxyle pour le bisphénol A, un groupe carbonyle et deux atomes de chlore pour le phosgène. Répondre par des familles, « alcool » ou « cétone », ne convient pas.

La partie cinétique est le cœur de l'exercice. L'avancement final de l'expérience 1 se lit sur le palier de la courbe, 1,0 mol ; comme le dichlore est limitant, x_f = x_max et la transformation est totale. Pour l'expérience 2, mélange stœchiométrique, x_f = 1,0 mol se déduit du raisonnement et non du graphique, dont la courbe monte encore à 30 min. Ce point commande la suite : la demi-réaction correspond à 0,50 mol, d'où t_1/2 ≈ 14,5 min. Prendre la moitié de la dernière valeur tracée, environ 0,65 mol, donnerait 7 min. L'expérience 1, avec dix fois plus de monoxyde de carbone, est bien plus rapide : la concentration est un facteur cinétique. La vitesse volumique de formation à 20 min est nulle dans l'expérience 1 et vaut environ 3,3 × 10^-4 mol·L^-1·min^-1 dans l'expérience 2, à condition de bien diviser la pente de la tangente par le volume de 30 L. À 200 °C, la courbe reste sous celle de l'expérience 2 mais tend vers la même valeur finale.

La suite est plus rapide : l'acétone est la propan-2-one, la conservation des éléments identifie l'eau comme sous-produit, et le spectre infrarouge montre une bande large à 3300 cm^-1 (O-H liés) et une bande fine à 2950 cm^-1 (C-H). Enfin, une macromolécule compte environ 1,2 × 10² motifs, et la synthèse mondiale d'urée consomme 2,0 × 10¹² mol de CO₂ par an, l'équivalent des émissions d'environ 60 millions de véhicules. Attention à convertir les kilogrammes en grammes.

Exercice 2 : solarisation d'une piscine hors sol (5 points)

Ce bilan énergétique commence par l'énergie solaire reçue par le bassin en 12 h : Q₁ = 5,9 × 10⁷ J, à condition de convertir la durée en secondes. Le premier principe, ΔU = W + Q, s'énonce pour un système fermé et au repos ; appliqué à 10 400 kg d'eau sans travail reçu, il donne un échauffement de 1,4 °C. La nuit, l'eau à 24 °C cède de l'énergie à l'air à 15 °C, du corps chaud vers le corps froid ; une bâche isolante limite ces pertes.

La partie B étudie des tapis solaires. Leur matériau noir s'échauffe par rayonnement, l'eau qui y circule par conduction au contact de la paroi : citer la convection pour le tapis est une erreur. Un tapis de 1,44 m² reçoit environ 245 W et, avec un rendement de 0,21, fournit 51 W à l'eau. La dernière question est une démarche ouverte : 3 tapis sont recommandés pour 10,4 m³, soit 60 euros ; sur une saison de 1080 h, ils apportent environ 1,7 × 10² kWh, que l'électricité facturerait 27 euros. L'achat n'est donc pas amorti en une saison, mais au cours de la troisième. Les hypothèses, mois de 30 jours et chauffage électrique sans pertes, doivent être écrites.

Exercice 3 : modélisation d'un service au tennis (5 points)

Exercice de méthode par excellence. Dans le référentiel terrestre supposé galiléen, la balle n'est soumise qu'à son poids : la deuxième loi de Newton, à énoncer en toutes lettres, donne a_x = 0 et a_y = -g. Par primitives successives, avec les conditions initiales v_x(0) = v₀, v_y(0) = 0 et y(0) = H, on obtient les équations horaires puis l'équation de la trajectoire, un arc de parabole. L'oubli de la constante H est l'erreur la plus courante.

En isolant v₀, on calcule les vitesses extrêmes d'un service valide. Le sommet du filet a pour coordonnées (11,90 m ; 0,91 m) et la ligne de service adverse se trouve à 18,30 m : il ne faut prendre ni 1,07 m, hauteur aux poteaux, ni la ligne de fond. Avec H = 2,6 m, on trouve 20 m·s^-1 au minimum, imposé par le filet, et 25 m·s^-1 au maximum, imposé par la ligne de service. Un service réel, bien plus rapide, montre les limites du modèle : frappe vers le bas, frottements de l'air, rotation de la balle. La partie C le confirme par l'énergie mécanique, qui passe de 68 J à 37 J en 0,27 s : l'action de l'air n'est pas négligeable. La masse doit être en kilogrammes.

Exercice 4 : anatomie d'un condensateur (5 points)

La partie A est une charge de condensateur dans un circuit RC série. Le schéma oriente les tensions en convention récepteur ; la loi des mailles, la loi d'Ohm et i = C·du_C/dt conduisent à l'équation différentielle avec τ = R·C, une durée puisque u_C/τ s'exprime en volts par seconde. La lecture à 63 % de la valeur finale, 7,6 V, donne τ ≈ 0,9 ms, puis C = τ/R = 30 nF, proche des 33 nF annoncés. Attention aux millisecondes et aux kilo-ohms.

La partie B modélise le composant comme un empilement de n condensateurs plans. La capacité augmente avec la surface des armatures et diminue avec l'épaisseur de l'isolant ; comme chaque couche a une épaisseur e/n, on établit C = n²·ε·L·h / e, puis n ≈ 279. Le fabricant annonce 300 armatures, soit 299 condensateurs élémentaires. Les incertitudes du tableau encadrent n entre 252 et 309 : l'indication est compatible avec le modèle.

Les notions à maîtriser avant de s'entraîner sur ce sujet

Ce sujet mobilise sept grands thèmes du programme de terminale. En chimie : la cinétique chimique (avancement, temps de demi-réaction, vitesse volumique, facteurs cinétiques), la chimie organique (groupes caractéristiques, nomenclature, polymères) et la spectroscopie infrarouge. En physique : la thermodynamique avec le premier principe et les modes de transfert thermique, la mécanique avec la deuxième loi de Newton et le mouvement dans le champ de pesanteur, et l'électricité avec le circuit RC et le condensateur plan. Les incertitudes interviennent aussi, dans la dernière question de l'exercice 4. Avant de vous lancer, revoyez en particulier la définition du temps de demi-réaction, l'énoncé du premier principe, l'énoncé de la deuxième loi de Newton et l'établissement de l'équation différentielle d'un circuit RC : ces quatre points de cours sont demandés presque mot pour mot.

Les pièges communs aux quatre exercices

D'un exercice à l'autre, les mêmes erreurs reviennent. La première est la lecture graphique hâtive : un avancement final pris au bout d'une courbe qui monte encore, ou une constante de temps lue sans tracer les constructions. La deuxième concerne les unités : des heures au lieu de secondes pour une énergie en joules, des grammes au lieu de kilogrammes pour une énergie mécanique, des millimètres au lieu de mètres pour une capacité, des kilogrammes au lieu de grammes avec une masse molaire. La troisième est la lecture trop rapide des documents : hauteur du filet aux poteaux au lieu du centre, surface du bassin au lieu de celle du tapis, nombre d'armatures confondu avec le nombre de condensateurs. Enfin, les questions de commentaire attendent des arguments chiffrés et non une impression : comparer des euros à des euros, des énergies mécaniques calculées, un nombre encadré par ses incertitudes.

Gestion du temps sur les 3 h 30

Le barème guide la répartition : environ 1 h 45 pour l'exercice 1, puis une cinquantaine de minutes pour chacun des trois autres. Lisez tout le sujet avant de commencer et gardez une dizaine de minutes pour la relecture. L'exercice 1 étant long, il peut être judicieux de traiter d'abord un exercice de 5 points que vous maîtrisez bien, pour sécuriser des points et gagner en confiance. Dans l'exercice 1, ne restez pas bloqué sur une lecture graphique : les questions sur le bisphénol A et sur le polymère n'utilisent pas les lectures graphiques de la cinétique. Les questions ouvertes, le bilan économique des tapis solaires et la comparaison avec le fabricant du condensateur, demandent plus de temps : rédigez une démarche claire, même si le calcul n'aboutit pas.

Conclusion

Ce sujet récompense la maîtrise des méthodes du cours plus que l'astuce. Les erreurs qui coûtent cher sont des erreurs de lecture et d'unités : un avancement final lu sur une courbe inachevée, une durée laissée en heures, une hauteur de filet mal choisie, des millimètres non convertis. Entraînez-vous en conditions réelles, puis comparez votre copie au corrigé détaillé de chaque exercice, question par question.