Le sujet de baccalauréat de Physique, Chimie et Mathématiques 2024 en spécialité STI2D, est composé de 4 exercices :

Exercice : Il y avait les Ondes sonores avec une partie mathématiques ( 4 points) 

 Exercice 2 : Sur la Radioactivité ( 4 points) 

Exercice 3 : Mathématiques – Etude d’une équation différentielle de 2er ordre ( 4 points) 

 Exercice 4 : Première partie sur le travail d’une force de frottement – La deuxième partie sur la combustion et l’empreinte Carbone ( 8 points). 

L’usage de la calculatrice reste autorisé, mais en mode examen.

On vous propose une correction, qu’on doit encore vérifier dans les prochains 48h.

Sujet Bac Physique Chimie et Mathématiques en STI2D 2024 

Correction du Sujet Bac Physique Chimie et Mathématiques en STI2D 2024 

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En physique, l’énergie cinétique est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement dans un référentiel donné. Dans le Système international, son unité de mesure est le joule (J).

L’énergie cinétique d’un point matériel dans un référentiel galiléen est égale à la somme des travaux des forces appliquées pour faire passer le point du repos à un mouvement. Ce n’est pas un invariant galiléen, sa valeur dépend du référentiel choisi.

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Après la température, la pression est l’une des variables physiques les plus importantes. La pression est définie comme une force (FN) qui agit uniformément sur une surface définie (A). Les différents types de pression ne sont différenciés que par la pression de référence.

Qu’il s’agisse de pression absolue, de pression manométrique ou de pression différentielle.

Qu’est-ce que la pression atmosphérique?
La pression probablement la plus importante pour la vie sur terre est la pression atmosphérique, pamb (amb = ambiens = ambiant). Elle est créée par le poids de l’atmosphère qui entoure la terre jusqu’à une altitude d’environ 500 km. Jusqu’à cette altitude, où la pression absolue pabs = zéro, son amplitude diminue continuellement. En outre, la pression atmosphérique est soumise à des fluctuations en fonction des conditions météorologiques, comme le montre le bulletin météorologique quotidien. Au niveau de la mer, pamb est en moyenne de 1013,25 hectopascal (hPa), ce qui correspond à 1013,25 millibar (mbar). Avec les “cyclones” et les “anticyclones”, cette pression varie d’environ 5 %.

Qu’est-ce que la pression absolue?
La pression de référence la plus claire est la pression zéro (vide), qui existe dans l’espace sans air de l’univers. La pression liée à cette pression de référence est appelée pression absolue. Ainsi, dans le cas de la pression absolue, c’est toujours la différence par rapport au vide idéal qui est mesurée. Cela signifie que la pression ambiante, et donc les influences externes telles que les conditions météorologiques ou la hauteur au-dessus du niveau de la mer, n’affectent pas la mesure de la pression. Pour la différencier des autres types de pression, elle est désignée par l’indice “abs”, dérivé du latin “absolutus”, qui signifie détaché, indépendant.

Pour la formule de la pression absolue, les paramètres pression relative (pg) et pression atmosphérique (patm) sont nécessaires. La formule de la pression absolue est la suivante : pabs = pg + patm.

Qu’est-ce que la pression relative?
La pression la plus fréquemment mesurée dans le domaine technologique est la différence de pression atmosphérique, Pe (e = excedens =dépassant). Il s’agit de la différence entre une pression absolue, pabs, et la pression atmosphérique (absolue) correspondante (pe = pabs – pamb) ; elle est connue, en bref, sous le nom de pression manométrique.

Une pression positive se produit lorsque la pression absolue est supérieure à la pression atmosphérique. Dans le cas contraire, on parle de pression négative.

Qu’est-ce que la pression différentielle?
La différence entre deux pressions, p1 et p2, est appelée différence de pression, Δp = p1 – p2. Dans les cas où la différence entre deux pressions représente elle-même la variable mesurée, on parle de pression différentielle.

Exercices corrigés sur les pressions absolue, différentielle et relative 

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Qu’est-ce que l’énergie mécanique ?
L’énergie mécanique d’un corps est notée Em. Elle est définie comme étant la somme de l’énergie cinétique d’un corps et de son énergie de position : Em = Ec + Ep .

L’énergie mécanique d’un corps dépend donc de sa vitesse, de sa masse et de sa hauteur par rapport au sol.
 Conservation de l’énergie mécanique
Lorsqu’un corps n’est soumis qu’à son poids et ne subit pas de frottements ou d’autres actions, son énergie mécanique se conserve.

Si un corps est immobile, son énergie cinétique est nulle ; donc son énergie mécanique est égale à son énergie de position : Em = Ep.

Lorsqu’un corps n’est soumis qu’à son poids et ne subit pas de frottements ou d’autres actions, l’énergie mécanique se conserve.

 Exercices corrigés sur l’énergie mécanique : 

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Le travail d’une force est l’énergie fournie par cette force lorsque son point d’application se déplace (l’objet subissant la force se déplace ou se déforme). Il est responsable de la variation de l’énergie cinétique du système qui subit cette force. Si par exemple on pousse une bicyclette, le travail de la poussée est l’énergie produite par cette poussée.

Une force constante qui s’applique sur un objet parcourant un trajet rectiligne  fournit un travail W.Le travail d’une force constante F pour un déplacement rectiligne AB de son point d’application est le produit scalaire de F par AB . Il est noté : WAB( F ) = F . AB = F*AB*cos α

WAB( F ) : travail exprimé en Joules (J).
F : valeur de la force en Newton (N).
AB : longueur du déplacement (m)
α : angle entre F et AB (° ou rad)

Différents types de travail :
a. Si α<90° alors cos α >0 et W>0 (travail positif). On remarque que la force va favoriser le mouvement dans le sens du déplacement AB . On dit que le travail est moteur.
b. Si α>90° alors cos α <0 et W<0 (travail négatif). La force va alors s’opposer au mouvement du solide, on dit qu’elle effectue un travail résistant.
c. Si α=90° alors cos α =0 et W=0 (travail nul).

Exercices corrigés sur le travail d’une force 

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l’Oxydoréduction

Introduction à l’Oxydoréduction

Les réactions d’oxydoréduction, ou réactions redox, sont des réactions chimiques au cours desquelles il y a transfert d’électrons entre deux espèces chimiques. Elles jouent un rôle crucial dans de nombreux processus chimiques et biologiques, y compris la respiration cellulaire, la corrosion des métaux, et la production d’énergie dans les piles et batteries.

Définitions et Concepts de Base

Oxydant et Réducteur

• Oxydant: Une substance qui accepte des électrons lors d’une réaction chimique. En acceptant des électrons, l’oxydant est réduit.
• Réducteur: Une substance qui donne des électrons lors d’une réaction chimique. En donnant des électrons, le réducteur est oxydé.

Réaction d’Oxydoréduction

Une réaction d’oxydoréduction peut être décomposée en deux demi-réactions:

• Demi-réaction d’oxydation: Le réducteur perd des électrons. Reducteur→Oxydant+e
• Demi-réaction de réduction: L’oxydant gagne des électrons. Oxydant+electrons→Reducteur

Exemple de Réaction d’Oxydoréduction

Prenons l’exemple de la réaction entre le zinc (Zn) et les ions cuivre : Zn+Cu²⁺→Zn²⁺+Cu

Demi-réaction d’oxydation (le zinc perd des électrons): Zn→Zn²⁺+2eˊ

Demi-réaction de réduction (les ions cuivre gagnent des électrons): Cu²⁺+2eˊ−→Cu 

Potentiel Redox

Le potentiel redox, ou potentiel d’électrode, est une mesure de la tendance d’une substance à gagner ou perdre des électrons. Il est mesuré en volts (V) par rapport à une électrode de référence. Plus le potentiel redox est élevé, plus la substance a tendance à se réduire (agir comme un oxydant).

Exercices Sur l’Oxydoreduction  : 

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l’Énergie Solaire

Introduction à l’Énergie Solaire

L’énergie solaire est une source d’énergie renouvelable qui provient de la lumière et de la chaleur du soleil. Cette énergie peut être captée et convertie en électricité ou en chaleur à l’aide de diverses technologies telles que les panneaux solaires photovoltaïques, les centrales solaires thermiques et les systèmes de chauffage solaire.

Les Différents Types d’Énergie Solaire

1. Énergie Solaire Photovoltaïque

L’énergie solaire photovoltaïque utilise des cellules photovoltaïques pour convertir directement la lumière du soleil en électricité. Ces cellules sont généralement fabriquées à partir de silicium et peuvent être installées sur les toits des bâtiments, des terrains vagues, ou intégrées dans des dispositifs portables.

2. Énergie Solaire Thermique

L’énergie solaire thermique utilise la chaleur du soleil pour chauffer un fluide (comme de l’eau ou de l’huile) qui peut ensuite être utilisé pour produire de l’électricité ou fournir du chauffage. Les systèmes solaires thermiques peuvent être utilisés pour le chauffage domestique de l’eau, le chauffage des bâtiments, ou dans des centrales thermiques solaires à grande échelle.

3. Énergie Solaire Passive

L’énergie solaire passive désigne les techniques de conception architecturale qui permettent de maximiser l’utilisation de la lumière naturelle et de la chaleur du soleil pour chauffer et éclairer les bâtiments sans recourir à des dispositifs mécaniques. Cela inclut l’orientation des bâtiments, l’utilisation de matériaux à forte capacité thermique et des fenêtres bien placées.

Concepts Fondamentaux de l’Énergie Solaire

Énergie d’un Photon

L’énergie d’un photon est donnée par la formule : E=h.ν 

• E : est l’énergie du photon,
• $h$ : est la constante de Planck ($\text{J}\cdot \text{s}$),
• ν : est la fréquence de la lumière.

Alternativement, l’énergie peut être exprimée en fonction de la longueur d’onde (λ) de la lumière : E=(h×c)/λ

• E est l’énergie du photon,
• h est la constante de Planck 
• c est la vitesse de la lumière (3×10⁸ m/s)
• λ : est la longueur d’onde de la lumière.

Notion d’Irradiance

L’irradiance est la puissance du rayonnement solaire reçue par unité de surface. Elle est mesurée en watts par mètre carré (W/m²). L’irradiance dépend de plusieurs facteurs, notamment l’heure de la journée, la latitude, l’altitude, et les conditions météorologiques.

Avantages de l’Énergie Solaire

1. Renouvelable et Inépuisable: L’énergie solaire est une source d’énergie renouvelable et inépuisable, contrairement aux combustibles fossiles qui sont limités.
2. Réduction des Émissions de CO2: L’utilisation de l’énergie solaire contribue à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, ce qui aide à lutter contre le changement climatique.
3. Indépendance Énergétique: L’énergie solaire peut être produite localement, réduisant la dépendance aux importations de combustibles fossiles et augmentant la sécurité énergétique.
4. Faibles Coûts d’Exploitation: Une fois installés, les systèmes solaires nécessitent peu d’entretien et ont des coûts d’exploitation très faibles.

Inconvénients de l’Énergie Solaire

1. Investissement Initial Élevé: Le coût initial des systèmes solaires peut être élevé, bien que les coûts aient tendance à diminuer avec le temps.
2. Intermittence: La production d’énergie solaire dépend de la disponibilité du soleil, ce qui peut poser des problèmes d’intermittence et nécessiter des solutions de stockage de l’énergie ou des systèmes de secours.
3. Espace et Environnement: Les grandes installations solaires peuvent nécessiter beaucoup d’espace et peuvent avoir des impacts environnementaux sur l’utilisation des terres.

Technologies de Stockage de l’Énergie Solaire

Pour pallier les problèmes d’intermittence, diverses technologies de stockage de l’énergie solaire sont utilisées, notamment :

1. Batteries: Les systèmes de batteries, comme les batteries au lithium-ion, sont couramment utilisés pour stocker l’énergie solaire pour une utilisation ultérieure.
2. Stockage Thermique: Les systèmes de stockage thermique utilisent des matériaux tels que le sel fondu pour stocker la chaleur captée durant la journée, qui peut ensuite être convertie en électricité ou utilisée pour le chauffage lorsque le soleil ne brille pas.

Exercices Corrigés : 

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La combustion complète et incomplète et le calcul des enthalpies 

1. Introduction à la combustion

La combustion est une réaction chimique exothermique entre un combustible et un comburant, généralement l’oxygène de l’air, produisant de la chaleur et souvent de la lumière. La combustion peut être complète ou incomplète en fonction de la disponibilité de l’oxygène.

2. Combustion complète

Définition : La combustion complète se produit lorsque le combustible brûle en présence d’une quantité suffisante d’oxygène, produisant des produits de combustion parfaitement oxydés, comme le dioxyde de carbone (CO2) et l’eau (H2O).

Équation générale de la combustion complète : Combustible + O2 → CO2 + H2O + Énergie

Exemples de combustion complète :

• Combustion du méthane (CH4) : CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
• Combustion du propane (C3H8) : C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O

3. Combustion incomplète

Définition : La combustion incomplète se produit lorsque le combustible brûle en présence d’une quantité insuffisante d’oxygène, produisant des produits de combustion partiellement oxydés, comme le monoxyde de carbone (CO) et de l’eau (H2O).

Équation générale de la combustion incomplète : Combustible + O2 → CO + H2O + Énergie (moins d’énergie que la combustion complète)

Exemple de combustion incomplète :

• Combustion du méthane (CH4) : 2 CH4 + 3 O2 → 2 CO + 4 H2O

4. Calcul des enthalpies de réaction

L’enthalpie de réaction (ΔHr) est la variation d’enthalpie au cours d’une réaction chimique. Elle peut être calculée en utilisant les enthalpies de formation standard (ΔHf°) des réactifs et des produits.

Formule : ΔHr = Σ ΔHf°(produits) – Σ ΔHf°(réactifs)

Exemples de calcul des enthalpies de combustion complète :

• Combustion du méthane (CH4) :Équation équilibrée : CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2OEnthalpies de formation standard (ΔHf°) :
  • ΔHf°(CH4) = -74,8 kJ/mol
  • ΔHf°(O2) = 0 kJ/mol
  • ΔHf°(CO2) = -393,5 kJ/mol
  • ΔHf°(H2O) = -241,8 kJ/mol

  Calcul de l’enthalpie de réaction (ΔHr) : ΔHr = [ΔHf°(CO2) + 2 ΔHf°(H2O)] – [ΔHf°(CH4) + 2 ΔHf°(O2)] ΔHr = [-393,5 + 2(-241,8)] – [-74,8 + 2(0)] ΔHr = [-393,5 – 483,6] – [-74,8] ΔHr = -877,1 + 74,8 ΔHr = -802,3 kJ/mol

  La combustion de 1 mol de méthane libère donc 802,3 kJ d’énergie.

• Combustion du propane (C3H8) :Équation équilibrée : C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2OEnthalpies de formation standard (ΔHf°) :
  • ΔHf°(C3H8) = -103,8 kJ/mol
  • ΔHf°(O2) = 0 kJ/mol
  • ΔHf°(CO2) = -393,5 kJ/mol
  • ΔHf°(H2O) = -241,8 kJ/mol

  Calcul de l’enthalpie de réaction (ΔHr) : ΔHr = [3 ΔHf°(CO2) + 4 ΔHf°(H2O)] – [ΔHf°(C3H8) + 5 ΔHf°(O2)] ΔHr = [3(-393,5) + 4(-241,8)] – [-103,8 + 5(0)] ΔHr = [-1180,5 – 967,2] – [-103,8] ΔHr = -2147,7 + 103,8 ΔHr = -2043,9 kJ/mol

  La combustion de 1 mol de propane libère donc 2043,9 kJ d’énergie.

5. Importance de la combustion complète et incomplète

Efficacité énergétique :

• La combustion complète maximise l’énergie extraite du combustible.
• La combustion incomplète produit moins d’énergie et est moins efficace.

Impact environnemental :

• La combustion complète minimise la production de polluants nocifs tels que le monoxyde de carbone (CO) et les hydrocarbures non brûlés.
• La combustion incomplète produit des polluants qui sont dangereux pour la santé humaine et l’environnement.

Applications pratiques :

• La combustion complète est utilisée dans les moteurs à combustion interne, les chaudières, les fours et autres dispositifs où une combustion efficace est nécessaire.
• La combustion incomplète doit être évitée pour améliorer l’efficacité énergétique et réduire les émissions polluantes.

La compréhension des processus de combustion complète et incomplète est essentielle pour optimiser les systèmes de combustion, améliorer l’efficacité énergétique et minimiser les impacts environnementaux. Les calculs d’enthalpie permettent de quantifier l’énergie libérée lors de ces réactions, ce qui est crucial pour la conception et l’optimisation des applications industrielles et domestiques utilisant la combustion.

EXERCICE AVEC CORRECTION SUR LA COMBUSTION 

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Le suet du bac blanc de science – physique et mathématiques porte sur les chapitres ci-dessous :

• Principe fondamental de la Dynamique appliqué à un mouvement en translation
• Théorème de l’énergie  Cinétique 
• Stockage de l’énegie électrique
• Les acides et les bases
• Mouvement des fluides
• Les nombres complexes
• Fonction exponentielle
• Etude de fonction

SUJET DU BAC BLANC : Physique – Chimie et  Maths 

Sujet de la Partie D 

La Correction de la partie Science – Physique 

La correction de la partie : Mathématiques 

A venir

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On vous présente le bac blanc d’une classe dfe terminale STI2D en Physique – Chimie et mathématique. La correction détaillée est en bas de la page.

Les chapitres traités lors de ce bac blanc : 

Théorème d’énergie cinétique : L’énergie cinétique d’un point matériel dans un référentiel galiléen est égale à la somme des travaux des forces appliquées pour faire passer le point du repos à un mouvement.

 Travail d’une force : Le travail d’une force est l’énergie fournie par cette force lorsque son point d’application se déplace (l’objet subissant la force se déplace sur une distance AB ou se déforme). Il est responsable de la variation de l’énergie cinétique du système qui subit cette force.

La combustion est une réaction chimique d’oxydoréduction entre un combustible et un comburant (le plus souvent, le comburant est le dioxygène de l’air).

Une réaction d’oxydoréduction se caractérise par un transfert d’électron(s) d’un réducteur d’un couple rédox vers un oxydant d’un autre couple. Une espèce chimique qui intervient dans un couple en tant que réducteur et comme oxydant dans un autre couple est un ampholyte. L’adjectif correspondant est amphotère.

Les réactions acido-basiques. Une réaction acido-basique est une réaction qui résulte du transfert d’un proton (H+) d’une espèce, l’acide, à une autre, la base.

Un nombre complexe est un nombre z qui s’écrit z=a+ib z = a + i b , avec a,b∈R a , b ∈ R et i2=−1 i 2 = − 1 . …
Le conjugué de z=a+ib est le complexe ¯z=a−ib z ¯ = a − i b .
Le module de z=a+ib est le réel positif |z|=√a²+b².

LE SUJET DU BAC BLANC PHYSIQUE CHIMIE ET MATHEMATIQUES TSTI2D

LA CORRECTION DU BAC BLANC PHYSIQUE CHIMIE ET MATHEMATIQUES TSTI2D

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