Enseignement Scientifique - Bac 2022
Métropole - Session normale
Epreuve du 17 juin 2022
Consigne officielle
Le candidat traite les trois exercices.
Exercice 1
Enonce
L'histoire de l'âge de la Terre
Traitez ce sujet de manière complète et argumentée.
Criteres d'evaluation
Methode
Pour traiter cet exercice sur l'histoire de l'âge de la Terre, il faut adopter une démarche structurée en trois temps. Premièrement, il convient de présenter les premières estimations géologiques et physiques (comme celle de Lord Kelvin) et d'expliquer pourquoi elles étaient erronées (ignorance de la radioactivité comme source de chaleur interne). Deuxièmement, il faut expliquer le principe de la datation radiométrique, en insistant sur la notion de désintégration radioactive, de demi-vie et d'horloge isotopique. Il est crucial de bien distinguer l'élément père et l'élément fils. Troisièmement, il faut appliquer ce principe à la datation de la Terre, en mentionnant les méthodes spécifiques (comme l'utilisation du couple uranium-plomb sur des météorites considérées comme des vestiges de la formation du système solaire) et la valeur actuellement acceptée (environ 4,55 milliards d'années). L'argumentation doit relier les progrès scientifiques (découverte de la radioactivité) à la résolution d'un problème historique.
Points cles
- 1Les estimations pré-radiométriques : Avant le 20e siècle, les estimations (comme celle de Lord Kelvin à ~100 millions d'années basée sur le refroidissement) étaient bien trop courtes car elles ne prenaient pas en compte la chaleur produite par la désintégration radioactive à l'intérieur de la Terre, source d'énergie longtemps inconnue.
- 2La révolution de la radioactivité : La découverte de la radioactivité naturelle par Becquerel (1896) et son étude par les Curie ont révélé une nouvelle source de chaleur et fourni une 'horloge' naturelle basée sur la désintégration régulière des noyaux atomiques instables.
- 3Le principe de la datation absolue : Un isotope radioactif (élément père) se désintègre en un isotope stable (élément fils) à un taux constant, caractérisé par sa période radioactive (ou demi-vie). En mesurant le rapport des quantités d'élément père et d'élément fils dans un échantillon minéral qui n'a pas subi de perturbations, on peut calculer le temps écoulé depuis sa fermeture.
- 4Le choix des chronomètres : Pour dater la Terre, on utilise des minéraux très anciens terrestres (zircons) mais aussi des météorites (en particulier des chondrites) et des échantillons lunaires. Ces corps du système solaire se sont formés en même temps que la Terre. La cohérence des âges obtenus (autour de 4,55 Ga) par différentes méthodes (U-Pb, Rb-Sr, Sm-Nd) confirme la robustesse de la mesure.
- 5L'âge de la Terre aujourd'hui : Le consensus scientifique, établi par Clair Patterson en 1953 en datant des météorites ferreuses au plomb, fixe l'âge de la Terre à 4,55 milliards d'années (avec une incertitude de l'ordre de 1%). Cet âge marque la fin de l'accrétion planétaire et la différenciation du noyau.
Exercice 2
Enonce
L'énergie et l'économie
Traitez ce sujet de manière complète et argumentée.
Criteres d'evaluation
Methode
Pour traiter un exercice sur l'énergie et l'économie, il faut adopter une démarche structurée en plusieurs parties. Commencez par analyser précisément les termes du sujet et les notions mentionnées. Développez ensuite une argumentation équilibrée qui lie les aspects scientifiques et socio-économiques. Pour les ressources énergétiques, il est essentiel de distinguer les renouvelables des non renouvelables, en précisant leur origine, leur disponibilité et leur coût d'exploitation. Le rendement doit être abordé à différentes échelles : conversion énergétique, transport et utilisation finale, en utilisant les formules appropriées. L'impact environnemental doit être analysé sur l'ensemble du cycle de vie (extraction, transformation, utilisation, déchets), en mentionnant les gaz à effet de serre, les pollutions et l'empreinte écologique. Concluez par une synthèse qui met en perspective les enjeux de transition énergétique, en évoquant des solutions comme l'efficacité énergétique et le mix énergétique.
Points cles
- 1Classification des ressources énergétiques : Distinguer les ressources renouvelables (solaire, éolien, hydraulique, biomasse) des ressources non renouvelables (fossiles : pétrole, charbon, gaz ; et nucléaire). Pour chaque type, il faut connaître l'origine, le principe d'exploitation, les réserves mondiales estimées et le coût économique associé à leur extraction et transformation.
- 2Notion de rendement énergétique : Le rendement (η) est le rapport entre l'énergie utile effectivement obtenue et l'énergie primaire consommée. Il est toujours inférieur à 1 (ou 100%) en raison des pertes inévitables (chaleur, frottements). Il faut savoir le calculer et l'appliquer à des chaînes énergétiques complètes (ex : de la centrale électrique à la prise domestique).
- 3Analyse du cycle de vie et impacts environnementaux : Évaluer les conséquences d'une filière énergétique sur l'environnement nécessite de considérer toutes les étapes : extraction/collecte de la ressource, transport, transformation en énergie utilisable, utilisation, et gestion des déchets. Les impacts incluent les émissions de gaz à effet de serre (CO2, CH4), les pollutions (air, eau, sols), la consommation d'eau et l'occupation des sols.
- 4Aspects économiques et géopolitiques : Le prix de l'énergie influence directement l'économie des pays et des ménages. La dépendance à certaines ressources (comme le pétrole) crée des enjeux géopolitiques majeurs. Le coût d'une énergie doit intégmer les coûts d'investissement, de fonctionnement, mais aussi les externalités (coûts environnementaux et sanitaires souvent non inclus dans le prix de marché).
- 5Transition énergétique et développement durable : Face à l'épuisement des ressources fossiles et au changement climatique, la transition vers un mix énergétique plus durable est nécessaire. Cela passe par l'amélioration de l'efficacité énergétique (rendement), le développement des énergies renouvelables, la sobriété énergétique et l'innovation technologique (stockage, smart grids).
Exercice 3
Enonce
Les cristaux et la matière
Traitez ce sujet de manière complète et argumentée.
Criteres d'evaluation
Methode
Pour traiter un exercice sur les cristaux et la matière, il faut d'abord analyser précisément les termes du sujet et les notions mentionnées. La démarche scientifique requiert de définir clairement les concepts de base : structure cristalline, mailles élémentaires et propriétés des cristaux. Il convient ensuite d'organiser la réponse en plusieurs parties logiques. Une première partie doit expliquer ce qu'est un cristal et sa structure ordonnée, en contraste avec les solides amorphes. Une deuxième partie doit décrire les différents types de mailles (cubique simple, cubique centrée, cubique à faces centrées) avec des schémas mentaux ou décrits. Une troisième partie doit relier ces structures aux propriétés macroscopiques des matériaux (dureté, conductivité, clivage). Il est essentiel d'illustrer avec des exemples concrets (sel, diamant, métaux) et d'argumenter chaque affirmation en expliquant le lien entre l'échelle microscopique (arrangement des atomes) et l'échelle macroscopique (propriétés observables). La conclusion doit synthétiser l'importance de la structure cristalline dans la détermination des propriétés de la matière.
Points cles
- 1Définition d'un cristal : Un cristal est un solide dont les atomes, ions ou molécules sont arrangés de manière périodique et ordonnée dans les trois dimensions de l'espace. Cet arrangement géométrique régulier, appelé réseau cristallin, se répète à l'identique et confère au matériau des propriétés anisotropes (qui dépendent de la direction).
- 2La maille élémentaire : C'est le plus petit volume du cristal qui, par translation dans les trois directions de l'espace, permet de reconstituer l'ensemble du réseau. Les principales mailles en cristallographie sont la maille cubique simple (atomes aux sommets), cubique centrée (atomes aux sommets et au centre) et cubique à faces centrées (atomes aux sommets et au centre de chaque face). La connaissance de la maille permet de calculer des paramètres comme la compacité ou la masse volumique.
- 3Liaison entre structure et propriétés : La nature et la géométrie des liaisons chimiques (ioniques, covalentes, métalliques) au sein de la maille déterminent les propriétés physiques. Par exemple, un réseau covalent tridimensionnel (diamant) est très dur et isolant, tandis qu'un réseau métallique (cuivre) est ductile et conducteur. La direction des plans atomiques explique aussi le clivage de certains minéraux.
- 4Exemples de cristaux et leurs mailles : Le chlorure de sodium (NaCl) possède une structure de type cubique à faces centrées d'ions Na+ et Cl- imbriqués. Le diamant (C) a une structure cubique à faces centrées avec des atomes de carbone liés de façon tétraédrique. Le fer à température ambiante cristallise dans une structure cubique centrée. Ces exemples doivent être décrits pour illustrer la diversité des arrangements.
- 5Caractéristiques macroscopiques : Les propriétés comme la forme géométrique externe (facettes), le point de fusion élevé, la dureté ou la conductivité électrique sont des conséquences directes de l'ordre à longue distance et de la nature des interactions dans le réseau. L'anisotropie peut se manifester par des propriétés optiques ou mécaniques différentes selon la direction d'observation ou de contrainte.
