Le bac 2025 de physique-chimie en Nouvelle-Calédonie, jour 2

Ce sujet de spécialité physique-chimie a été proposé en Nouvelle-Calédonie pour la session 2025, lors du deuxième jour d'épreuves. Il se compose de trois exercices indépendants, notés sur 20 points au total, pour une durée de 3 h 30. L'équilibre entre chimie et physique est assez net : le premier exercice, le plus lourd, est entièrement consacré à la chimie, tandis que les deux suivants relèvent de la mécanique et de la physique des ondes et de la lumière.

Les contextes sont concrets et variés : la synthèse d'un édulcorant, une action de jeu au rugby et un panneau routier qui détecte les véhicules trop rapides. Aucune question n'est hors programme, mais le sujet exige une vraie rigueur dans la rédaction, dans les conversions d'unités et dans la lecture des documents. C'est un excellent sujet d'entraînement pour vérifier que les grands chapitres de terminale sont maîtrisés.

Les compétences évaluées

Comme tous les sujets de spécialité, celui-ci mobilise plusieurs compétences : s'approprier des documents (diagrammes de distribution, courbe de titrage, spectre solaire, fiche technique d'un panneau), analyser et raisonner pour choisir une loi ou une méthode, réaliser des calculs avec les bonnes unités, valider un résultat en le confrontant au contexte et communiquer par une rédaction claire. Plusieurs questions sont purement qualitatives et demandent une justification construite, comme le caractère amphotère d'une espèce, le sens du décalage Doppler ou l'attribution des courbes d'énergie. D'autres, plus ouvertes, laissent le choix de la démarche : le taux d'avancement final en chimie ou la comparaison entre la course du joueur et le vol du ballon en mécanique.

Exercice 1 : synthèse d'un édulcorant, l'aspartame (9 points)

Avec 20 questions et un temps conseillé d'environ 1 h 35, cet exercice pèse près de la moitié de la note. Il suit la fabrication de l'aspartame à partir de l'acide aspartique et de la phénylalanine méthylée.

Les équilibres acide-base de l'acide aspartique

L'acide aspartique existe sous quatre formes, H₃Asp⁺, H₂Asp, HAsp⁻ et Asp²⁻. Le diagramme de prédominance les range de la plus protonée à la moins protonée, séparées par les trois pK_A. La valeur de pK_A2, 3,6, se lit au croisement des courbes de H₂Asp et de HAsp⁻ sur le diagramme de distribution. H₂Asp est amphotère, puisqu'il est à la fois la base d'un couple et l'acide d'un autre. Pour écrire HAsp⁻, on retire le proton du groupe carboxyle, de pK_A le plus faible. Au pH initial de 2,8, c'est H₂Asp qui prédomine.

Deux pièges guettent le candidat dans cette partie. Le premier est de lire pK_A2 au maximum de la courbe de H₂Asp, à 2,8, ou au premier croisement, qui redonne pK_A1 = 1,9. Le second est de retirer le proton du groupe ammonium pour écrire HAsp⁻ : ce départ correspond en réalité au couple suivant, de pK_A3 = 9,6.

Le titrage pH-métrique

Le schéma du montage doit légender la verrerie et les solutions, sans oublier le pH-mètre. Après la définition de l'équivalence, la méthode des tangentes parallèles donne V_E = 9,8 mL, et la masse d'acide aspartique dans l'échantillon vaut 0,13 g. Il faut convertir le volume en litres et ne pas faire intervenir le volume d'eau de dissolution.

La phénylalanine méthylée et le mécanisme

On identifie un groupe ester et un groupe amine, puis on justifie le caractère basique de R–NH₂ par le doublet non liant de l'azote. Le calcul du taux d'avancement final passe par le produit ionique de l'eau : [HO⁻] = 7,9 × 10^-2 mol/L, puis τ = 0,79, ce qui caractérise une base faible. La fin de l'exercice porte sur le mécanisme : la transformation est une substitution, le site donneur est l'azote, le site accepteur le carbone δ+ du groupe carboxyle, et les flèches courbes partent toujours d'un doublet. Comme plusieurs couples donneur-accepteur sont possibles, une stratégie de protection puis de déprotection des groupes caractéristiques est nécessaire pour n'obtenir que l'aspartame.

Exercice 2 : la physique s'invite sur un terrain de rugby (6 points)

Ce deuxième exercice, en 11 questions et environ 1 h 03, étudie une chandelle : le botteur envoie le ballon en l'air pour le récupérer lui-même.

Le mouvement dans le champ de pesanteur

Le système est le ballon, dans le référentiel terrestre supposé galiléen, les frottements de l'air étant négligés. La deuxième loi de Newton donne a_x = 0 et a_z = −g, et deux intégrations successives conduisent aux équations horaires, avec une altitude initiale h à ne pas oublier. Le sujet comporte une coquille sur l'unité de v₀ : il faut lire 20,5 m/s. La durée du vol, solution positive de z(t) = 0, vaut 3,97 s, et l'altitude du ballon à 3,82 s est de 2,9 m.

Pour savoir si le joueur peut réussir la chandelle, on compare sa vitesse moyenne de 25,7 km/h à la composante horizontale de la vitesse du ballon, environ 25 km/h. Le joueur est légèrement plus rapide : il peut récupérer le ballon. Comparer sa vitesse à v₀ serait une erreur.

Une autre démarche est acceptée : comparer les distances parcourues en 3,82 s. Le ballon se trouve alors à environ 27 m de son point de départ horizontal, tandis que le joueur peut parcourir environ 27,3 m pendant la même durée. Dans tous les cas, il faut convertir les vitesses dans la même unité avant de les comparer, en multipliant les m/s par 3,6 pour obtenir des km/h.

Le programme Python et l'étude énergétique

La seconde partie s'appuie sur un programme Python : relever la masse du ballon, 0,440 kg, identifier la vitesse et l'énergie cinétique, puis compléter les lignes de calcul des énergies cinétique, potentielle et mécanique. Les courbes de la figure 3 s'attribuent par leur allure : l'énergie potentielle suit l'altitude, l'énergie cinétique passe par un minimum non nul au sommet et l'énergie mécanique reste constante, ce qui confirme que les frottements ont été négligés. Enfin, la conservation de l'énergie mécanique donne une vitesse de 19,5 m/s, soit 70,3 km/h, au moment de la réception à 2,90 m.

Exercice 3 : installation d'un panneau routier (5 points)

Le dernier exercice, en 10 questions et environ 53 minutes, décrit un panneau de signalisation alimenté par un panneau solaire et commandé par un radar.

L'effet photoélectrique et le rendement

La description de l'effet photoélectrique doit citer le photon, le seuil d'énergie et le passage de l'électron dans la bande de conduction. La longueur d'onde seuil du silicium, calculée après conversion de 1,12 eV en joules, vaut 1,11 × 10^-6 m, soit environ 1 110 nm. La plus grande partie du spectre solaire se situe en dessous de ce seuil : le silicium est adapté. Le rendement, rapport de la puissance électrique sur la puissance lumineuse reçue, vaut 12 %, comme l'annonce le fabricant, à condition de convertir les dimensions du panneau en mètres.

L'effet Doppler et la batterie

Le radar exploite l'effet Doppler. Le véhicule s'approchant, la fréquence reçue est supérieure à la fréquence émise. La relation fournie donne une vitesse de 12,5 m/s, soit 45,0 km/h, supérieure au seuil de déclenchement de 25 km/h : le panneau s'éclaire. Enfin, la batterie de 4 000 mA·h, sous une intensité moyenne de 0,79 A, permet 5,1 h de clignotement cumulé, ce qui suffit puisque le panneau ne clignote qu'au passage des véhicules trop rapides.

Cet exercice accumule les conversions : électronvolts en joules, millimètres en mètres, gigahertz en hertz et milliampères-heures en ampères-heures. Chacune peut fausser un résultat d'un facteur considérable, par exemple une autonomie de plus de 5 000 heures si la capacité n'est pas convertie. Le nombre de chiffres significatifs compte aussi : la longueur d'onde seuil s'écrit avec trois chiffres, le rendement avec deux.

Gérer son temps pendant l'épreuve

Le barème guide la répartition du temps : environ 1 h 35 pour l'exercice 1, 1 h 03 pour l'exercice 2 et 53 minutes pour l'exercice 3. Commencez par lire l'ensemble du sujet pendant quelques minutes pour repérer les questions rapides, comme les définitions, la lecture de la masse dans le programme ou l'effet Doppler qualitatif. Si une question bloque, notez-la et passez à la suite : de nombreuses questions sont indépendantes ou s'appuient sur des valeurs fournies, comme la durée de 3,97 s ou l'altitude de 2,90 m.

Gardez une dizaine de minutes en fin d'épreuve pour relire : unités, chiffres significatifs et phrases de conclusion. N'oubliez pas de rendre l'annexe avec la copie, puisque la méthode des tangentes et le mécanisme réactionnel se tracent directement dessus.

Les erreurs les plus fréquentes à éviter

En chimie, les confusions de vocabulaire coûtent cher : un groupe ester n'est pas un groupe carboxyle, une amine n'est pas un amide, un intermédiaire réactionnel n'est pas un catalyseur. Une flèche courbe tracée d'un atome ou dans le mauvais sens ne rapporte aucun point. En mécanique, le signe de l'accélération verticale et la constante d'intégration h sont des oublis classiques, tout comme une calculatrice restée en radians. En physique des ondes, il faut se souvenir que l'énergie d'un photon diminue quand la longueur d'onde augmente, et que le rapprochement entre émetteur et récepteur augmente la fréquence reçue.

Conclusion

Ce sujet de Nouvelle-Calédonie 2025 couvre un large éventail du programme : acide-base, titrage, synthèse organique, mécanique newtonienne, énergie, effet photoélectrique et effet Doppler. Ses principales difficultés tiennent moins à la complexité des calculs qu'à la rigueur demandée : conversions d'unités nombreuses, justifications attendues à chaque réponse qualitative et lecture attentive des graphiques. Traitez-le en temps limité, puis comparez votre copie au corrigé détaillé de chaque exercice, en vous attardant sur les pièges signalés question par question.