Terminale Physique-Chimie Annale du bac 26-PYCJ1JA1

Bac physique-chimie 2026 — Asie — Jour 1 : sujet et corrigé

Un sujet équilibré : l’acidité des sols et leur chaulage pour l’acide-base, les satellites de communication pour le mouvement dans un champ de gravitation, et la sécurité acoustique pour l’intensité sonore. Deux coquilles de l’énoncé officiel sont signalées et corrigées dans notre PDF.

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Corrigé rédigé comme une copie modèle, puis relu par un second correcteur : applications numériques recalculées, équations vérifiées, avec des « notes du professeur » sur les pièges du barème.

Le corrigé en ligne, question par question

L'énoncé abrégé de chaque question est affiché : cherche d'abord au brouillon, puis clique sur « Voir la correction » pour comparer avec la rédaction attendue sur une copie.

Exercice 1 — Acidité des sols (9 points)

1. pH d’un sol

Q1

Compléter le tableau de l’annexe en identifiant les familles associées aux trois groupes caractéristiques entourés sur la formule topologique de l’acide fulvique (liste imposée : acide carboxylique, alcool, aldéhyde, amide, cétone, ester).

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Pour identifier une famille, on ne regarde pas seulement le groupe entouré : on regarde ce qui lui est accroché.

N° du groupe caractéristiqueNom de la famille
1alcool
2acide carboxylique
3cétone

Justifications.

  • Groupe 1 : le groupe hydroxyle OH-\text{OH} est porté par un atome de carbone tétragonal qui n’est lié qu’à des atomes de carbone et d’hydrogène (CH2–OH-\text{CH}_2\text{–OH}) : c’est un alcool (ici un alcool primaire) ;
  • Groupe 2 : un atome de carbone doublement lié à un atome d’oxygène et simplement lié à un groupe OH-\text{OH} forme le groupe carboxyle COOH-\text{COOH}, caractéristique des acides carboxyliques ;
  • Groupe 3 : le groupe carbonyle C=O\text{C=O} a son atome de carbone lié à deux atomes de carbone : c’est une cétone. Ce serait un aldéhyde si ce carbone portait un atome d’hydrogène, un ester s’il portait un O–C-\text{O–C}, un amide s’il portait un atome d’azote.
Q2

Préciser, parmi la liste précédente, la famille qui contribue à l’acidité de la molécule.

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Un acide au sens de Brönsted est une espèce capable de céder un proton H+\text{H}^+. Parmi les familles proposées, seul le groupe carboxyle possède une liaison O–H\text{O–H} assez polarisée pour libérer un proton en solution aqueuse, l’ion carboxylate formé étant stabilisé :

R–COOH(aq)+H2O()R–COO(aq)+H3O(aq)+\text{R–COOH}_{(aq)} + \text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \rightleftarrows \text{R–COO}^-_{(aq)} + \text{H}_3\text{O}^+_{(aq)}

C’est la famille des acides carboxyliques (groupe carboxyle COOH-\text{COOH}).

La molécule d’acide fulvique en compte six : elle peut donc libérer plusieurs protons, d’où son fort pouvoir acidifiant sur le sol — et son nom.

Q3

Donner la formule des espèces 1, 2 et 3 mentionnées sur le diagramme de distribution (figure 2).

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Sur un diagramme de distribution, on lit de gauche à droite dans le sens des pH croissants : l’espèce la plus acide (la plus riche en protons) prédomine aux pH les plus faibles, et l’on perd un proton à chaque changement de domaine. Les trois espèces à placer sont, dans l’ordre décroissant d’acidité : H2CO3\text{H}_2\text{CO}_3, puis HCO3\text{HCO}_3^-, puis CO32\text{CO}_3^{2-}.

Espèce 1 : H2CO3(aq)\text{H}_2\text{CO}_{3\,(aq)} • Espèce 2 : HCO3(aq)\text{HCO}_{3\,(aq)}^{-} • Espèce 3 : CO3(aq)2\text{CO}_{3\,(aq)}^{2-}

Q4

Préciser, en justifiant, le terme qualifiant le comportement acido-basique de l’espèce 2.

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L’ion hydrogénocarbonate HCO3\text{HCO}_3^- appartient aux deux couples acide-base fournis :

  • il est la base du couple H2CO3/HCO3\text{H}_2\text{CO}_3/\text{HCO}_3^- (il peut capter un proton) ;
  • il est l’acide du couple HCO3/CO32\text{HCO}_3^-/\text{CO}_3^{2-} (il peut céder un proton).

L’espèce 2 est amphotère (on dit aussi que c’est un ampholyte).

Le diagramme de distribution le confirme : le domaine de prédominance de l’espèce 2 est encadré par celui de son acide conjugué (espèce 1, à gauche) et celui de sa base conjuguée (espèce 3, à droite).

Q5

Donner l’expression littérale de la constante d’acidité KA1K_{A1} en fonction de [H2CO3][\text{H}_2\text{CO}_3], [HCO3][\text{HCO}_3^-], [H3O+][\text{H}_3\text{O}^+] et c0c^{0}.

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KA1K_{A1} est la constante d’équilibre associée à la réaction de l’acide du couple H2CO3/HCO3\text{H}_2\text{CO}_3/\text{HCO}_3^- avec l’eau :

H2CO3(aq)+H2O()HCO3(aq)+H3O(aq)+\text{H}_2\text{CO}_{3\,(aq)} + \text{H}_2\text{O}_{(\ell)} \rightleftarrows \text{HCO}_{3\,(aq)}^{-} + \text{H}_3\text{O}^+_{(aq)}

Chaque concentration y est rapportée à la concentration standard c0c^{0} et l’eau, solvant, n’y figure pas :

KA1=[HCO3]eˊq×[H3O+]eˊq[H2CO3]eˊq×c0\boxed{K_{A1} = \frac{\left[\text{HCO}_3^-\right]_{\text{éq}}\times\left[\text{H}_3\text{O}^+\right]_{\text{éq}}}{\left[\text{H}_2\text{CO}_3\right]_{\text{éq}}\times c^{0}}}

KA1K_{A1} est bien une grandeur sans dimension.

Q6

En déduire la relation pH=pKA1+log ⁣([HCO3][H2CO3])\text{pH} = \text{p}K_{A1} + \log\!\left(\dfrac{[\text{HCO}_3^-]}{[\text{H}_2\text{CO}_3]}\right).

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On prend le logarithme décimal des deux membres de l’expression de KA1K_{A1}, en utilisant log(a×b)=loga+logb\log(a\times b) = \log a + \log b :

logKA1=log ⁣([HCO3][H2CO3])+log ⁣([H3O+]c0)\log K_{A1} = \log\!\left(\frac{\left[\text{HCO}_3^-\right]}{\left[\text{H}_2\text{CO}_3\right]}\right) + \log\!\left(\frac{\left[\text{H}_3\text{O}^+\right]}{c^{0}}\right)

Or, par définition, pKA1=logKA1\text{p}K_{A1} = -\log K_{A1} et pH=log ⁣([H3O+]/c0)\text{pH} = -\log\!\left(\left[\text{H}_3\text{O}^+\right]/c^{0}\right). En remplaçant :

pKA1=log ⁣([HCO3][H2CO3])pH-\text{p}K_{A1} = \log\!\left(\frac{\left[\text{HCO}_3^-\right]}{\left[\text{H}_2\text{CO}_3\right]}\right) - \text{pH}

pH=pKA1+log ⁣([HCO3][H2CO3])\boxed{\text{pH} = \text{p}K_{A1} + \log\!\left(\frac{\left[\text{HCO}_3^-\right]}{\left[\text{H}_2\text{CO}_3\right]}\right)}

Vérification du sens : si la base HCO3\text{HCO}_3^- est majoritaire, le rapport dépasse 1, son logarithme est positif, donc pH>pKA1\text{pH} > \text{p}K_{A1} — c’est bien le comportement attendu.

Q7

Estimer la valeur de pKA1\text{p}K_{A1} en utilisant la figure 2, en justifiant à partir de la relation précédente.

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D’après la relation établie en Q6, on a pH=pKA1\text{pH} = \text{p}K_{A1} exactement lorsque le logarithme s’annule, c’est-à-dire lorsque

[HCO3][H2CO3]=1[HCO3]=[H2CO3]\frac{\left[\text{HCO}_3^-\right]}{\left[\text{H}_2\text{CO}_3\right]} = 1 \qquad\Longleftrightarrow\qquad \left[\text{HCO}_3^-\right] = \left[\text{H}_2\text{CO}_3\right]

Les deux espèces sont alors présentes dans les mêmes proportions, soit 50 % chacune. Il suffit donc de relever l’abscisse du point d’intersection des courbes 1 et 2 à l’ordonnée 50 %.

pKA16,4\text{p}K_{A1} \approx 6{,}4 (lecture graphique à ± 0,1 près)

La même construction sur le second point d’intersection (courbes 2 et 3) donnerait pKA210,4\text{p}K_{A2} \approx 10{,}4.

Q8

Indiquer, en justifiant, l’espèce acido-basique issue du carbone atmosphérique prédominante dans la terre de Bruyère, dont le pH est proche de 5.

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Appliquons la relation de la question Q6 avec pH=5\text{pH} = 5 et pKA1=6,4\text{p}K_{A1} = 6{,}4 :

log ⁣([HCO3][H2CO3])=pHpKA1=56,4=1,4\log\!\left(\frac{\left[\text{HCO}_3^-\right]}{\left[\text{H}_2\text{CO}_3\right]}\right) = \text{pH} - \text{p}K_{A1} = 5 - 6{,}4 = -1{,}4

[HCO3][H2CO3]=101,4=4×102\frac{\left[\text{HCO}_3^-\right]}{\left[\text{H}_2\text{CO}_3\right]} = 10^{-1{,}4} = 4\times 10^{-2}

L’ion hydrogénocarbonate est donc environ 25 fois moins concentré que l’acide carbonique. Quant à l’ion carbonate, il est totalement négligeable puisque pH=5pKA2=10,4\text{pH} = 5 \ll \text{p}K_{A2} = 10{,}4.

L’espèce prédominante dans la terre de Bruyère est l’acide carbonique H2CO3(aq)\text{H}_2\text{CO}_{3\,(aq)} (dioxyde de carbone dissous).

La figure 2 le confirme directement : à pH=5\text{pH} = 5, la courbe de l’espèce 1 est encore voisine de 96 %.

2. Chaulage d’un sol

Q9

Écrire l’équation de la réaction modélisant la dissolution de Ca(OH)2(s)\text{Ca(OH)}_{2\,(s)} dans l’eau, considérée comme totale.

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L’hydroxyde de calcium est un solide ionique constitué d’ions calcium Ca2+\text{Ca}^{2+} et d’ions hydroxyde HO\text{HO}^- dans les proportions 1:21:2 (formule Ca(OH)2\text{Ca(OH)}_2). Sa dissolution, totale, libère ces ions dans la solution :

Ca(OH)2(s)Ca(aq)2++2HO(aq)\boxed{\text{Ca(OH)}_{2\,(s)} \longrightarrow \text{Ca}^{2+}_{(aq)} + 2\,\text{HO}^-_{(aq)}}

Vérifications : conservation des éléments (Ca : 1=11=1 ; O : 2=22=2 ; H : 2=22=2) et conservation de la charge (0=+22×10 = +2 - 2 \times 1). \checkmark

Q10

Montrer que la concentration en ion hydroxyde de la solution S vaut [HO]=3,38×102 molL1\left[\text{HO}^-\right] = 3{,}38\times 10^{-2}\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}.

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Quantité de matière d’hydroxyde de calcium dissous.

n(Ca(OH)2)=mM=0,25074,0=3,378×103 moln\left(\text{Ca(OH)}_2\right) = \frac{m}{M} = \frac{0{,}250}{74{,}0} = 3{,}378\times 10^{-3}\ \text{mol}

Quantité de matière d’ions hydroxyde libérés. D’après les nombres stœchiométriques de l’équation de la question Q9, la dissolution d’une mole de Ca(OH)2\text{Ca(OH)}_2 libère deux moles d’ions hydroxyde :

n(HO)=2×n(Ca(OH)2)=2×3,378×103=6,757×103 moln\left(\text{HO}^-\right) = 2\times n\left(\text{Ca(OH)}_2\right) = 2 \times 3{,}378\times 10^{-3} = 6{,}757\times 10^{-3}\ \text{mol}

Concentration. Avec V=200V = 200 mL =0,200= 0{,}200 L :

[HO]=n(HO)V=6,757×1030,200\left[\text{HO}^-\right] = \frac{n\left(\text{HO}^-\right)}{V} = \frac{6{,}757\times 10^{-3}}{0{,}200}

[HO]=3,38×102 molL1\left[\text{HO}^-\right] = 3{,}38\times 10^{-2}\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1} : la valeur annoncée est bien vérifiée.

Q11

En déduire la valeur du pH de la solution S.

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Le produit ionique de l’eau relie les concentrations des ions H3O+\text{H}_3\text{O}^+ et HO\text{HO}^- :

Ke=[H3O+]×[HO](c0)2[H3O+]=Ke×(c0)2[HO]K_e = \frac{\left[\text{H}_3\text{O}^+\right]\times\left[\text{HO}^-\right]}{\left(c^{0}\right)^{2}} \qquad\Longrightarrow\qquad \left[\text{H}_3\text{O}^+\right] = \frac{K_e \times \left(c^{0}\right)^{2}}{\left[\text{HO}^-\right]}

[H3O+]=1,00×10143,38×102=2,96×1013 molL1\left[\text{H}_3\text{O}^+\right] = \frac{1{,}00\times 10^{-14}}{3{,}38\times 10^{-2}} = 2{,}96\times 10^{-13}\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}

pH=log ⁣([H3O+]c0)=log ⁣(2,96×1013)=12,53\text{pH} = -\log\!\left(\frac{\left[\text{H}_3\text{O}^+\right]}{c^{0}}\right) = -\log\!\left(2{,}96\times 10^{-13}\right) = 12{,}53

pH=12,53\text{pH} = 12{,}53

Autre méthode, plus rapide, mais valable seulement à 25 °C où pKe=14,0\text{p}K_e = 14{,}0 :

pH=14,0+log ⁣([HO]/c0)=14,01,47=12,53\text{pH} = 14{,}0 + \log\!\left(\left[\text{HO}^-\right]/c^{0}\right) = 14{,}0 - 1{,}47 = 12{,}53

La solution S est très basique, ce qui est cohérent avec la forte concentration en ions hydroxyde : c’est bien ce qui permettra de faire remonter le pH d’un sol acide. Attention à ne pas s’arrêter à 1,471{,}47, qui est le pOH et non le pH.

Q12

Déterminer la valeur de la masse d’hydroxyde de calcium m(Ca(OH)2)m(\text{Ca(OH)}_2) nécessaire pour amener à 6,50 le pH d’une parcelle de 1,00 ha chaulée sur 10,0 cm de profondeur.

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Démarche suivie : (1) lire sur la figure 3 la quantité d’ions calcium à apporter pour 100 g de terre ; (2) calculer la masse de sol à chauler ; (3) en déduire la quantité de matière totale d’ions calcium nécessaire ; (4) la convertir en masse d’hydroxyde de calcium.

Étape 1 — lecture graphique de la quantité de matière à apporter. La terre de Bruyère non traitée est bien à pH=5\text{pH} = 5 (point n=0n = 0 de la courbe). On repère l’ordonnée pH=6,50\text{pH} = 6{,}50, on rejoint la courbe, puis on projette sur l’axe des abscisses.

n(Ca2+)2,5n(\text{Ca}^{2+}) \approx 2{,}5 mmol pour 100 g de terre (lecture à ± 0,1 mmol près)

Étape 2 — masse de sol à chauler. La superficie vaut S=1,00S = 1{,}00 ha =1,00×104 m2= 1{,}00\times 10^{4}\ \text{m}^{2} et l’épaisseur e=10,0e = 10{,}0 cm =0,100= 0{,}100 m :

mc=1,4×S×e=1,4×1,00×104×0,100=1,4×103 tonnesm_{\text{c}} = 1{,}4 \times S \times e = 1{,}4 \times 1{,}00\times 10^{4}\times 0{,}100 = 1{,}4\times 10^{3}\ \text{tonnes}

mc=1,4×103×1,00×103=1,4×106 kg=1,4×109 gm_{\text{c}} = 1{,}4\times 10^{3}\times 1{,}00\times 10^{3} = 1{,}4\times 10^{6}\ \text{kg} = 1{,}4\times 10^{9}\ \text{g}

Étape 3 — quantité de matière totale d’ions calcium. La lecture graphique porte sur des portions de 100 g de terre ; la parcelle en contient :

N=1,4×109100=1,4×107 portions de 100 gN = \frac{1{,}4\times 10^{9}}{100} = 1{,}4\times 10^{7}\ \text{portions de 100 g}

ntot(Ca2+)=2,5×103×1,4×107=3,5×104 moln_{\text{tot}}(\text{Ca}^{2+}) = 2{,}5\times 10^{-3} \times 1{,}4\times 10^{7} = 3{,}5\times 10^{4}\ \text{mol}

Étape 4 — masse d’hydroxyde de calcium correspondante. D’après l’équation de dissolution (Q9), une mole de Ca(OH)2\text{Ca(OH)}_2 libère une mole d’ions calcium :

n(Ca(OH)2)=ntot(Ca2+)=3,5×104 moln\left(\text{Ca(OH)}_2\right) = n_{\text{tot}}(\text{Ca}^{2+}) = 3{,}5\times 10^{4}\ \text{mol}

m(Ca(OH)2)=n×M=3,5×104×74,0=2,6×106 gm\left(\text{Ca(OH)}_2\right) = n \times M = 3{,}5\times 10^{4}\times 74{,}0 = 2{,}6\times 10^{6}\ \text{g}

m(Ca(OH)2)=2,6×106m\left(\text{Ca(OH)}_2\right) = 2{,}6\times 10^{6} g =2,6×103= 2{,}6\times 10^{3} kg, soit environ 2,6 tonnes de chaux éteinte

Cela représente environ 260 g de chaux par mètre carré — un ordre de grandeur tout à fait réaliste, les préconisations agronomiques se situant entre 1 et 3 tonnes par hectare.

Exercice 2 — Satellites de communication (6 points)

Q1

Nommer le référentiel par rapport auquel le mouvement du centre de masse du satellite est étudié.

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Le satellite décrit une orbite autour de la Terre : le référentiel adapté est celui dont l’origine est le centre de la Terre et dont les axes pointent vers trois étoiles lointaines supposées fixes.

Il s’agit du référentiel géocentrique, supposé galiléen pendant la durée de l’étude.

Le référentiel terrestre ne conviendrait pas : il tourne avec la Terre, et le satellite y aurait un mouvement bien plus compliqué (immobile pour un géostationnaire !).

Q2

Compléter le schéma de l’annexe en représentant, sans souci d’échelle, la force d’interaction gravitationnelle FO/S\vec{F}_{\text{O/S}}.

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L’interaction gravitationnelle est toujours attractive : la force exercée par la Terre (centre O) sur le satellite (centre de masse S) est portée par la droite (OS) et dirigée de S vers O. Son point d’application est S. Elle a donc exactement la direction et le sens du vecteur unitaire uN\vec{u}_{\text{N}} du repère de Frenet, qui pointe vers le centre de la trajectoire.

+OTerreSSatelliteuTuNFO/S

FO/S\vec{F}_{\text{O/S}} est appliquée en S, colinéaire à uN\vec{u}_{\text{N}} et de même sens : elle est centripète.

Q3

Donner l’expression vectorielle de FO/S\vec{F}_{\text{O/S}} dans le repère de Frenet, en fonction de GG, mm, MTM_{\text{T}}, RTR_{\text{T}} et hh.

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La distance qui sépare les centres O et S est le rayon de l’orbite :

r=RT+hr = R_{\text{T}} + h

La loi de gravitation universelle donne la valeur de la force, et la question Q2 son sens (celui de uN\vec{u}_{\text{N}}) :

FO/S=GmMT(RT+h)2uN\boxed{\vec{F}_{\text{O/S}} = \frac{G\,m\,M_{\text{T}}}{\left(R_{\text{T}} + h\right)^{2}}\,\vec{u}_{\text{N}}}

Contrôle d’homogénéité : l’unité imprimée dans le sujet (m2kg1s2\text{m}^{2}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{s}^{-2}) comporte une coquille — GG s’exprime en m3kg1s2\text{m}^{3}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{s}^{-2}, soit Nm2kg2\text{N}\cdot\text{m}^{2}\cdot\text{kg}^{-2}. Avec cette unité, GmMT/r2G\,m\,M_{\text{T}}/r^{2} s’exprime bien en kgms2\text{kg}\cdot\text{m}\cdot\text{s}^{-2}, c’est-à-dire en newtons. \checkmark

Q4

En appliquant la deuxième loi de Newton, montrer que le mouvement circulaire de S est uniforme.

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Système : le satellite, de masse mm, assimilé à son centre de masse S.

Référentiel : géocentrique, supposé galiléen.

Bilan des forces : le satellite n’est soumis qu’à la force d’interaction gravitationnelle FO/S\vec{F}_{\text{O/S}} exercée par la Terre (énoncé).

D’après la deuxième loi de Newton :

Fext=maa=FO/Sm=GMT(RT+h)2uN\sum\vec{F}_{\text{ext}} = m\,\vec{a} \qquad\Longrightarrow\qquad \vec{a} = \frac{\vec{F}_{\text{O/S}}}{m} = \frac{G\,M_{\text{T}}}{\left(R_{\text{T}}+h\right)^{2}}\,\vec{u}_{\text{N}}

Le vecteur accélération est donc entièrement porté par uN\vec{u}_{\text{N}} : sa composante tangentielle est nulle.

Or, pour un mouvement circulaire de rayon rr, l’accélération s’écrit dans le repère de Frenet :

a=dvdtuT+v2ruN\vec{a} = \frac{d v}{d t}\,\vec{u}_{\text{T}} + \frac{v^{2}}{r}\,\vec{u}_{\text{N}}

L’identification des composantes selon uT\vec{u}_{\text{T}} donne :

dvdt=0v=constante\frac{d v}{d t} = 0 \qquad\Longrightarrow\qquad v = \text{constante}

La valeur de la vitesse est constante : le mouvement circulaire de S est bien uniforme.

L’identification des composantes selon uN\vec{u}_{\text{N}} fournit en prime la valeur de cette vitesse :

v2RT+h=GMT(RT+h)2v=GMTRT+h\frac{v^{2}}{R_{\text{T}}+h} = \frac{G\,M_{\text{T}}}{\left(R_{\text{T}}+h\right)^{2}} \qquad\Longrightarrow\qquad v = \sqrt{\frac{G\,M_{\text{T}}}{R_{\text{T}}+h}}

Q5

Définir la période de révolution TT du satellite de centre de masse S.

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La période de révolution TT est la durée nécessaire au satellite pour effectuer un tour complet de son orbite autour de la Terre.

Le mouvement étant uniforme (Q4), la distance parcourue pendant cette durée est le périmètre du cercle, d’où :

T=2π(RT+h)vT = \frac{2\pi\left(R_{\text{T}}+h\right)}{v}

Q6

Montrer que la valeur de l’altitude hh du satellite géostationnaire est environ h36000h \approx 36\,000 km.

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Démarche suivie : (1) identifier la période de révolution d’un satellite géostationnaire ; (2) exploiter le coefficient directeur de la droite de la figure 1 pour obtenir le rayon de l’orbite ; (3) en déduire l’altitude.

Étape 1 — période de révolution du satellite géostationnaire. Un satellite géostationnaire « survole toujours la même zone » : il tourne donc exactement à la même vitesse angulaire que la Terre. Sa période de révolution est égale à la période de rotation propre de la Terre autour de l’axe des pôles :

T=TT=23 h 56 min 4 s=23×3600+56×60+4=8,6164×104 sT = T_{\text{T}} = 23\ \text{h}\ 56\ \text{min}\ 4\ \text{s} = 23\times 3600 + 56\times 60 + 4 = 8{,}6164\times 10^{4}\ \text{s}

Étape 2 — rayon de l’orbite. La figure 1 montre que T2T^{2} est proportionnelle à r3r^{3} (troisième loi de Kepler), le coefficient de proportionnalité étant le coefficient directeur kk de la droite modélisée :

T2=kr3r3=T2k=(8,6164×104)29,85×1014=7,4242×1099,85×1014=7,537×1022 m3T^{2} = k\,r^{3} \qquad\Longrightarrow\qquad r^{3} = \frac{T^{2}}{k} = \frac{\left(8{,}6164\times 10^{4}\right)^{2}}{9{,}85\times 10^{-14}} = \frac{7{,}4242\times 10^{9}}{9{,}85\times 10^{-14}} = 7{,}537\times 10^{22}\ \text{m}^{3}

r=(7,537×1022)1/3=4,224×107 mr = \left(7{,}537\times 10^{22}\right)^{1/3} = 4{,}224\times 10^{7}\ \text{m}

Étape 3 — altitude. Le rayon de l’orbite est compté depuis le centre de la Terre : r=RT+hr = R_{\text{T}} + h, avec RT=6,38×103R_{\text{T}} = 6{,}38\times 10^{3} km =6,38×106= 6{,}38\times 10^{6} m.

h=rRT=4,224×1070,638×107=3,586×1073,59×107 mh = r - R_{\text{T}} = 4{,}224\times 10^{7} - 0{,}638\times 10^{7} = 3{,}586\times 10^{7} \approx 3{,}59\times 10^{7}\ \text{m}

h=3,59×107h = 3{,}59\times 10^{7} m =3,6×104= 3{,}6\times 10^{4} km : l’altitude annoncée (36000\approx 36\,000 km) est bien vérifiée.

Q7

Comparer la durée de transmission Δt1\Delta t_1 d’un signal électromagnétique émis depuis la surface de la Terre vers un satellite géostationnaire à celle, Δt2\Delta t_2, vers un satellite LEO en orbite à 1000 km d’altitude.

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Une onde électromagnétique se propage à la célérité cc ; la durée de transmission est donc le quotient de la distance parcourue par cc. En supposant le satellite à la verticale de l’émetteur, cette distance est simplement l’altitude du satellite.

Satellite géostationnaire.

Δt1=h1c=3,59×1073,00×108\Delta t_1 = \frac{h_1}{c} = \frac{3{,}59\times 10^{7}}{3{,}00\times 10^{8}}

Δt1=1,2×101\Delta t_1 = 1{,}2\times 10^{-1} s, soit environ 0,12 s

Satellite LEO.

Δt2=h2c=1,000×1063,00×108\Delta t_2 = \frac{h_2}{c} = \frac{1{,}000\times 10^{6}}{3{,}00\times 10^{8}}

Δt2=3,3×103\Delta t_2 = 3{,}3\times 10^{-3} s, soit environ 3,3 ms

Comparaison.

Δt1Δt2=1,20×1013,33×103=36\frac{\Delta t_1}{\Delta t_2} = \frac{1{,}20\times 10^{-1}}{3{,}33\times 10^{-3}} = 36

Δt136Δt2\Delta t_1 \approx 36\,\Delta t_2 : le signal met environ 36 fois plus de temps à atteindre le satellite géostationnaire.

Ce rapport n’est autre que celui des altitudes (36000/100036\,000 / 1000), puisque la célérité est la même dans les deux cas. Pour juger du confort d’une liaison, c’est d’ailleurs l’aller-retour qui compte : environ 0,240{,}24 s avec un géostationnaire — un quart de seconde de décalage avant d’entendre la réponse de son interlocuteur, parfaitement perceptible — contre 7 ms avec un LEO.

Q8

En utilisant les calculs et les informations du document, donner les avantages et les inconvénients des satellites géostationnaire et LEO pour la transmission de données par internet.

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Satellite géostationnaire (altitude ≈ 36 000 km).

  • Avantage — il survole toujours la même zone : l’antenne au sol reste fixe, il n’y a ni suivi mécanique ni basculement d’un satellite à l’autre ;
  • Avantage — vu de très haut, il couvre une zone très large : un petit nombre de satellites suffit à couvrir l’intégralité du globe ;
  • Inconvénient — la durée de transmission est longue (Δt1=0,12\Delta t_1 = 0{,}12 s, soit 0,240{,}24 s pour un aller-retour) : c’est pénalisant pour tous les usages interactifs (visioconférence, jeu en ligne, transactions).

Satellite LEO (orbite basse, 400 à 1000 km).

  • Avantage — la durée de transmission est 36 fois plus courte (Δt2=3,3\Delta t_2 = 3{,}3 ms) : les échanges sont beaucoup plus rapides, ce qui est « très intéressant pour la rapidité d’échange » ;
  • Inconvénient — chaque satellite ne couvre qu’une petite zone et défile rapidement : il faut plusieurs milliers de satellites fonctionnant « en groupe », et l’antenne doit changer en permanence de satellite ;
  • Inconvénient — cette multiplication accroît les risques d’encombrement, de pannes et de débris spatiaux : l’impact environnemental est aujourd’hui pointé du doigt.

Pour l’accès à internet, le LEO est choisi pour sa réactivité, le géostationnaire pour la simplicité et l’étendue de sa couverture : les deux solutions sont complémentaires.

Exercice 3 — Sécurité acoustique (5 points)

Q1

Calculer le niveau d’intensité sonore L1L_1 perçu par l’ouvrier travaillant sans protection sur une machine émettant un son d’intensité I1=3,0×104 Wm2I_1 = 3{,}0\times 10^{-4}\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}.

Voir la correction

On applique directement la relation fournie, avec I0=1,0×1012 Wm2I_0 = 1{,}0\times 10^{-12}\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2} :

L1=10log ⁣(I1I0)=10log ⁣(3,0×1041,0×1012)=10log ⁣(3,0×108)=10×8,48L_1 = 10\log\!\left(\frac{I_1}{I_0}\right) = 10\log\!\left(\frac{3{,}0\times 10^{-4}}{1{,}0\times 10^{-12}}\right) = 10\log\!\left(3{,}0\times 10^{8}\right) = 10 \times 8{,}48

L1=85L_1 = 85 dB (valeur non arrondie : 84,884{,}8 dB)

Q2

En déduire la conséquence auditive pour l’ouvrier, en utilisant l’échelle des niveaux d’intensité sonore fournie dans le document.

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On place L1=85L_1 = 85 dB sur l’échelle du document : cette valeur appartient à la plage 80 dB – 90 dB.

L’ouvrier subit un niveau sonore qualifié d’inconfort.

Surtout, 8585 dB est exactement le seuil à partir duquel la législation impose le port d’un système de protection individuel contre le bruit (PICB) : ici L1=84,8L_1 = 84{,}8 dB, soit tout juste au seuil des 85 dB ; la question Q3 montrera que l’exposition réelle (86 dB) le dépasse effectivement. Cet ouvrier, qui travaille sans protection auditive, s’expose donc, à terme, à une fatigue auditive puis à une perte d’audition.

Q3

Montrer que l’ouvrier perçoit un niveau d’intensité sonore Ltotal=86L_{\text{total}} = 86 dB lorsque son collègue utilise à proximité un outillage de niveau L2=80L_2 = 80 dB.

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Les niveaux d’intensité sonore, qui sont des logarithmes, ne s’additionnent pas : ce sont les intensités sonores (des puissances par unité de surface) qui s’ajoutent.

Étape 1 — intensité sonore de l’outillage du collègue. On inverse la relation L=10log ⁣(I/I0)L = 10\log\!\left(I/I_0\right) :

I2=I0×10L2/10=1,0×1012×1080/10=1,0×1012×108=1,0×104 Wm2I_2 = I_0 \times 10^{L_2/10} = 1{,}0\times 10^{-12}\times 10^{80/10} = 1{,}0\times 10^{-12}\times 10^{8} = 1{,}0\times 10^{-4}\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}

Étape 2 — intensité sonore totale.

Itotal=I1+I2=3,0×104+1,0×104=4,0×104 Wm2I_{\text{total}} = I_1 + I_2 = 3{,}0\times 10^{-4} + 1{,}0\times 10^{-4} = 4{,}0\times 10^{-4}\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}

Étape 3 — niveau d’intensité sonore correspondant.

Ltotal=10log ⁣(4,0×1041,0×1012)=10log ⁣(4,0×108)=10×8,602L_{\text{total}} = 10\log\!\left(\frac{4{,}0\times 10^{-4}}{1{,}0\times 10^{-12}}\right) = 10\log\!\left(4{,}0\times 10^{8}\right) = 10\times 8{,}602

Ltotal=86L_{\text{total}} = 86 dB : la valeur annoncée est bien vérifiée.

Q4

Indiquer si un mode de protection auditive est plus adapté qu’un autre pour l’ouvrier, parmi ceux indiqués sur la figure 1.

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L’ouvrier reçoit Ltotal=86L_{\text{total}} = 86 dB (question Q3). On lit sur la figure 1 l’atténuation offerte à ce niveau par chacune des deux protections : jusqu’à 85 dB, les deux courbes sont pratiquement confondues sur un palier voisin de 20 dB.

Niveaux perçus après atténuation.

  • bouchons d’oreille (atténuation 2020 dB) : 8620=6686 - 20 = 66 dB ;
  • casque serre-tête (atténuation 1919 dB) : 8619=6786 - 19 = 67 dB.

Or le document impose un niveau perçu compris entre 65 dB et 80 dB pour être acceptable :

656680et65678065 \leqslant 66 \leqslant 80 \qquad\text{et}\qquad 65 \leqslant 67 \leqslant 80

Les deux protections conviennent et donnent, à 1 dB près, le même résultat : aucun mode de protection n’est plus adapté que l’autre à ce niveau d’exposition.

Q5

Si l’on ne prend en compte que la machine d’usinage (110 dB à d=20d = 20 m), calculer la distance dd' à laquelle devrait se trouver l’ouvrier pour que le niveau sonore soit inférieur à Lmax=85L_{\max} = 85 dB. Commenter.

Voir la correction

On cherche dd' telle que LLmaxL' \leqslant L_{\max}, en partant de la relation fournie :

L=L10log ⁣(dd)8510log ⁣(dd)11085=25L' = L - 10\log\!\left(\frac{d'}{d}\right) \leqslant 85 \qquad\Longrightarrow\qquad 10\log\!\left(\frac{d'}{d}\right) \geqslant 110 - 85 = 25

log ⁣(dd)2,5dd102,5=3,16×102\log\!\left(\frac{d'}{d}\right) \geqslant 2{,}5 \qquad\Longrightarrow\qquad \frac{d'}{d} \geqslant 10^{2{,}5} = 3{,}16\times 10^{2}

d20×3,16×102d' \geqslant 20 \times 3{,}16\times 10^{2}

d6,3×103d' \geqslant 6{,}3\times 10^{3} m, soit plus de 6 kilomètres

Commentaire. Une telle distance est manifestement irréalisable : aucun atelier de fabrication ne mesure six kilomètres de long. S’éloigner de la machine n’est donc pas une solution envisageable pour protéger l’ouvrier. Il faut soit agir à la source (capotage, isolation acoustique de la machine d’usinage), soit — c’est l’objet de la question suivante — équiper l’ouvrier d’une protection auditive individuelle.

Q6

Déterminer, en justifiant, le mode de protection que doit utiliser l’ouvrier en période de travail intensif, parmi les deux présentés sur la figure 1.

Voir la correction

Démarche suivie : (1) cumuler les trois sources pour obtenir le niveau réellement reçu par l’ouvrier ; (2) lire sur la figure 1 l’atténuation de chaque protection à ce niveau ; (3) vérifier laquelle ramène le niveau perçu dans l’intervalle acceptable [65 dB;80 dB][65\ \text{dB}\,;\,80\ \text{dB}].

Étape 1 — niveau d’intensité sonore reçu en période de travail intensif. Trois sources se cumulent ; on repasse par les intensités (question Q3) :

  • sa propre machine : I1=3,0×104 Wm2I_1 = 3{,}0\times 10^{-4}\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2} ;
  • l’outillage du collègue : I2=1,0×104 Wm2I_2 = 1{,}0\times 10^{-4}\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2} ;
  • la machine d’usinage, qui délivre L3=110L_3 = 110 dB à la distance d=20d = 20 m où se trouve l’ouvrier : I3=I0×10110/10=1,0×1012×1011=1,0×101 Wm2I_3 = I_0\times 10^{110/10} = 1{,}0\times 10^{-12}\times 10^{11} = 1{,}0\times 10^{-1}\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}.

Itot=3,0×104+1,0×104+1,0×101=1,004×101 Wm2I_{\text{tot}} = 3{,}0\times 10^{-4} + 1{,}0\times 10^{-4} + 1{,}0\times 10^{-1} = 1{,}004\times 10^{-1}\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}

Ltot=10log ⁣(1,004×1011,0×1012)=10log ⁣(1,004×1011)L_{\text{tot}} = 10\log\!\left(\frac{1{,}004\times 10^{-1}}{1{,}0\times 10^{-12}}\right) = 10\log\!\left(1{,}004\times 10^{11}\right)

Ltot=110L_{\text{tot}} = 110 dB

La machine d’usinage impose à elle seule le niveau reçu : son intensité est environ 250 fois celle des deux autres sources réunies, qui ne font gagner que 0,020{,}02 dB.

Étape 2 — atténuation de chaque protection à 110 dB (figure 1).

Casque serre-tête : 3535 dB • Bouchons d’oreille : 2626 dB

Étape 3 — niveaux perçus et conclusion.

  • avec le casque serre-tête : 11035=75110 - 35 = 75 dB, et 65758065 \leqslant 75 \leqslant 80 : acceptable \checkmark ;
  • avec les bouchons d’oreille : 11026=84110 - 26 = 84 dB, et 84>8084 > 80 : inacceptable.

L’ouvrier doit utiliser le casque serre-tête : c’est le seul qui ramène le niveau perçu (75 dB) dans l’intervalle acceptable [65 dB;80 dB][65\ \text{dB}\,;\,80\ \text{dB}].

On vérifie de plus qu’il n’atténue pas trop : à 75 dB, l’ouvrier reste au-dessus de 65 dB et continue donc de percevoir les alarmes et les consignes de sécurité de son environnement de travail.

Récapitulatif des résultats numériques

Exercice 1. Groupes : 1 = alcool, 2 = acide carboxylique, 3 = cétone • acidité due au groupe carboxyle • espèce 1 = H2CO3\text{H}_2\text{CO}_3, espèce 2 = HCO3\text{HCO}_3^- (amphotère), espèce 3 = CO32\text{CO}_3^{2-}pKA16,4\text{p}K_{A1} \approx 6{,}4 (et pKA210,4\text{p}K_{A2}\approx 10{,}4) • à pH=5\text{pH} = 5, H2CO3\text{H}_2\text{CO}_3 prédomine (96\approx 96 %) • Ca(OH)2(s)Ca(aq)2++2HO(aq)\text{Ca(OH)}_{2\,(s)} \longrightarrow \text{Ca}^{2+}_{(aq)} + 2\,\text{HO}^-_{(aq)}[HO]=3,38×102 molL1\left[\text{HO}^-\right] = 3{,}38\times 10^{-2}\ \text{mol}\cdot\text{L}^{-1}, pH=12,53\text{pH} = 12{,}53 • lecture n=2,5n = 2{,}5 mmol pour 100 g → mc=1,4×103m_{\text{c}} = 1{,}4\times 10^{3} t de sol, n(Ca2+)=3,5×104n(\text{Ca}^{2+}) = 3{,}5\times 10^{4} mol, m(Ca(OH)2)=2,6×106m(\text{Ca(OH)}_2) = 2{,}6\times 10^{6} g 2,6\approx 2{,}6 t par hectare.

Exercice 2. Référentiel géocentrique • FO/S\vec{F}_{\text{O/S}} centripète, portée par uN\vec{u}_{\text{N}}FO/S=GmMT(RT+h)2uN\vec{F}_{\text{O/S}} = \dfrac{G\,m\,M_{\text{T}}}{\left(R_{\text{T}}+h\right)^{2}}\,\vec{u}_{\text{N}}dv/dt=0dv/dt = 0 : mouvement uniforme • T=TT=8,6164×104T = T_{\text{T}} = 8{,}6164\times 10^{4} s → r=4,22×107r = 4{,}22\times 10^{7} m et h=3,59×107h = 3{,}59\times 10^{7} m 36000\approx 36\,000 km • Δt1=1,2×101\Delta t_1 = 1{,}2\times 10^{-1} s, Δt2=3,3×103\Delta t_2 = 3{,}3\times 10^{-3} s, Δt136Δt2\Delta t_1 \approx 36\,\Delta t_2.

Exercice 3. L1=85L_1 = 85 dB (inconfort ; seuil du PICB) • I2=1,0×104 Wm2I_2 = 1{,}0\times 10^{-4}\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}, Ltotal=86L_{\text{total}} = 86 dB • à 86 dB, les deux protections donnent 66 dB et 67 dB : équivalentes • d6,3×103d' \geqslant 6{,}3\times 10^{3} m (irréaliste) • Itot=1,00×101 Wm2I_{\text{tot}} = 1{,}00\times 10^{-1}\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}, Ltot=110L_{\text{tot}} = 110 dB → casque : 75 dB (acceptable), bouchons : 84 dB (refusé) : casque serre-tête.

Corrigé non officiel, proposé par Génies des Sciences — il ne s'agit pas du barème du jury.

Ce qui tombe dans ce sujet

Exercice 1 — Acidité des sols (9 points)

Pour réviser : Transformations acide-base et pH · Force des acides et des bases

Exercice 2 — Satellites de communication (6 points)

Pour réviser : Mouvement dans un champ de gravitation

Exercice 3 — Sécurité acoustique (5 points)

Pour réviser : Intensité et niveau d'intensité sonore

Chaque lien mène au chapitre complet : le cours en vidéo, la fiche méthode, les exercices corrigés et le quiz.

Coquilles repérées dans le sujet officiel

  • Exercice 2, Q3 : le sujet donne la constante de gravitation G en m²·kg⁻¹·s⁻² ; l’unité correcte est m³·kg⁻¹·s⁻². Le corrigé le signale en « note du professeur ».
  • Exercice 3, Q5 : l’énoncé impose une atténuation en 10·log(d′/d) alors que la loi physique usuelle est en 20·log. Le corrigé suit l’énoncé et explique la différence.

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