Physique-Chimie - mécanique, solutions et chimie organique
L'épreuve de physique-chimie de la série D associe une partie physique - mécanique (cinématique, dynamique, travail et énergie), électricité, ondes et radioactivité - et une partie chimie : structure de la matière, solutions aqueuses, acides et bases, oxydoréduction, chimie organique. Elle exige des unités correctes, des schémas propres et des équations-bilans équilibrées.
Mécanique : la démarche type
Tout problème commence par le bilan des forces et le choix d'un référentiel galiléen ; on applique ensuite le principe fondamental de la dynamique (deuxième loi de Newton). Dans un lancement dans le champ de pesanteur, l'accélération vaut a = g ≈ 9,8 m·s⁻² et la vitesse horizontale reste constante : le mouvement est la superposition d'un déplacement rectiligne uniforme et d'une chute librement accélérée, d'où une trajectoire parabolique. La portée s'écrit R = v₀² sin(2α)/g et le temps de vol t = 2v₀ sin α/g.
Solutions aqueuses et oxydoréduction
Pour un acide fort de concentration C, pH = −log C ; pour une base forte, pH = 14 + log C. Lors d'un dosage, à l'équivalence, les quantités de matière sont dans le rapport des coefficients stœchiométriques : C_aV_a = C_bV_b pour un monoacide et une monobase. En oxydoréduction, on écrit les deux demi-équations, on équilibre les charges avec les électrons, puis on additionne en égalisant le nombre d'électrons échangés.
Chimie organique
Alcool + acide carboxylique → ester + eau : l'estérification est lente, limitée et catalysée par l'acide sulfurique. L'hydrolyse basique d'un ester (saponification) est en revanche totale et produit un carboxylate et un alcool. On identifie les groupes fonctionnels, on nomme la chaîne carbonée la plus longue et on précise les ramifications.
Exemple travaillé
Un ballon est lancé depuis le sol avec v₀ = 20 m·s⁻¹ sous un angle α = 45°, frottements négligés. La portée vaut R = v₀² sin(2α)/g = 400 × sin 90° / 9,8 = 400/9,8 ≈ 40,8 m. Le calcul repose sur sin 90° = 1 ; on note que la portée est maximale pour α = 45° et que le temps de vol vaut environ 2,9 s.
Les pièges qui coûtent des points
- Convertir les centimètres en mètres, les grammes en kilogrammes, les minutes en secondes : une unité oubliée fausse tout le résultat.
- Écrire une équation de réaction sans l'équilibrer, ou oublier les électrons dans une demi-équation.
- Confondre masse volumique (en kg·m⁻³) et densité (sans unité).
- Dans un dosage, confondre l'équivalence stœchiométrique avec l'égalité des volumes versés.
- Oublier que la décroissance radioactive suit N = N₀e^(−λt), avec T = ln2/λ.