CAPES physique-chimie externe 2025, épreuve 2Sujet et rapport du jury

INFORMATION AUX CANDIDATS

• -Concours externe du CAPES de l'enseignement public :
  

  

• -Concours externe du CAFEP/CAPES de l'enseignement privé :
  

  

ÉNONCÉ

• -Mettre en œuvre une évaluation diagnostique en lien avec la décroissance radioactive.
• -Mettre en œuvre en classe une activité de modélisation de la décroissance radioactive.
• -Construire une analogie entre les phénomènes d'ordre 1 en vue de la préparation de l'épreuve du Grand oral.
• -Évaluer par compétences une résolution de problème.
• -Faire le lien entre les difficultés conceptuelles rencontrées par les élèves et les choix expérimentaux de l'enseignant(e).

Q1. À propos des transformations nucléaires

Q2. Modélisation de la décroissance radioactive

Q4. Datation au carbone 14 : résolution de problème

Q5. Cinétique d'ordre 1 dans le cas de transformations chimiques

• -Proposition A : évolution de la concentration en quantité de matière d'un produit.
• -Proposition B : évolution de la concentration en quantité de matière d'un réactif limitant dans le cas d'une transformation totale.
• -Proposition C : évolution de la concentration en quantité de matière d'un réactif dans le cas d'une transformation limitée.
• -Proposition D : évolution de la concentration en quantité de matière d'un réactif en excès dans le cas d'une transformation totale.

Partie 2. Contrôle qualité de « véritables cristaux de soude ».

Objectifs de cette partie

• -Identifier les étapes de la démarche scientifique.
• -Discuter l'intérêt de la mise en place d'un cahier de laboratoire au cours d'une activité expérimentale.
• -Identifier des étapes de l'histoire des sciences et de la construction des savoirs scientifiques.
• -Identifier les conceptions erronées des élèves sur les phénomènes de dissolution et de fusion d'un solide.
• -Prévoir l'allure d'une courbe de titrage acido-basique.
• -Élaborer une séquence pédagogique sur l'extrait de programme de terminale STL, en enseignement de spécialité Physique Chimie et Mathématiques (PCM).

Ressources à disposition dans l'annexe 2

Q1. Restitution d'énergie chimique par transfert thermique lors de la dissolution d'un solide ionique

• -la représentation erronée de l'élève ;
• -les deux hypothèses formulées ;
• -trois investigations scientifiques mises en place ;
• -la situation problème.

Q2. Autour du cahier de laboratoire

Q3. Histoire du mot « soude »

Q5. Titrage acido-basique avec suivi pH-métrique

Q6. Élaboration de la séquence pédagogique

• -formulera une contextualisation et une problématique pour la séquence ;
• -proposera un découpage des séances en explicitant les notions introduites à chaque séance ;

• -proposera des séances favorisant la mise en activité des élèves (activité expérimentale, documentaire, résolution d'exercices, etc.) dont les modalités seront précisées.

Partie 3. À propos du réchauffement climatique.

Objectifs de cette partie

• -Analyser des activités permettant d'aborder les notions de déséquilibre de bilan radiatif et de gaz à effet de serre.
• -Étudier les conséquences du réchauffement climatique sur la hauteur du niveau marin et identifier dans ce contexte des caractéristiques associées à la nature des savoirs scientifiques.
• -Identifier des caractéristiques des observations satellitaires.
• -Élaborer une séquence pédagogique pour traiter la partie du programme d'enseignement scientifique de terminale de la voie générale présentée ci-dessous.

Ressources à disposition dans l'annexe 3

Q1. À propos du bilan radiatif terrestre et de l'effet de serre

Q2. À propos des gaz à effet de serre

Q3. À propos de la hausse du niveau marin

Q5. Élaboration d'une séquence pédagogique

• -proposera une contextualisation et une problématique pour la séquence ;
• -explicitera les objectifs de chaque séance, en s'appuyant notamment sur la description des objectifs généraux du programme d'enseignement scientifique (document 3.5) ;
• -précisera et contextualisera les caractéristiques associées aux savoirs scientifiques qui sont abordés au cours des séances (document 3.4b) ;
• -détaillera le contenu des séances (type d'activité, contenu succinct de la phase d'institutionnalisation, type et contenu des évaluations envisagées).

ANNEXES

• 1.L'arsenic 72 de symbole ^(72)As possède :
  • a)72 nucléons
  • b)72 neutrons
  • c)72 protons
• 2.Un atome radioactif est
  • a)stable
  • b)chargé électriquement
  • c)instable
• 3.La population de noyaux radioactifs d'un échantillon :
  • a)diminue au cours du temps
  • b)est divisée par 2 au bout d'une demi-vie
  • c)est nulle au bout de deux demi-vies

• • 1.Expliquer en quoi le fait de jouer un dé à six faces permet de modéliser le comportement d'un noyau radioactif.

• -Un dé modélise un noyau qui se désintègre lorsqu'il tombe sur la face « 1 ».
  • -Un dé qui est tombé sur la face « 1 » est sorti du lot et n'est plus relancé (au début on lance les douze dés en même temps, puis de moins en moins au fil des dés qui tombent sur la face « 1 »).
  • 2.Réaliser une vingtaine de lancers successifs et compléter le tableau suivant en vous appuyant sur les consignes précédentes.

• 3.Tracer l'allure du graphique représentant le nombre de dés restants en fonction du nombre de lancers. Préciser la grandeur que modélise le nombre de lancers, en lien avec le phénomène de désintégration.

• 4.Identifier les lignes du programme Python qui correspondent aux étapes a, b et c détaillées ci-dessous :
  • a.intégrer le caractère aléatoire d'une désintégration radioactive ;
  • b.remplir la liste contenant le nombre de dés restants au fur et à mesure des tirages ;
  • c.tracer la courbe représentant le nombre de dés restant en fonction du nombre de lancers.
• 5.Exécuter le programme puis déterminer sur la courbe la durée au terme duquelle il reste la moitié du nombre de dés initial.
• 6.On souhaite modéliser un échantillon radioactif de nature différente et de taille différente que le précédent. Identifier le(s) paramètre(s) à modifier dans le programme Python.

Document 1.2b - Programme en langage Python associé à l'activité du document 1.2a.

import random
import matplotlib.pyplot as plt
nbDesDepart = 100000
nbFaces = 6
def tireLesDes(nombreDesInitial) :
    nbDes = nombreDesInitial
    for i in range(nombreDesInitial) :
        valeurDe = random.randint(1, nbFaces)
        if valeurDe == 1 :
            nbDes = nbDes - 1
    return nbDes
nbDes = nbDesDepart
historiqueNbDes = [nbDes]
while nbDes > 0 :
    nbDes = tireLesDes(nbDes)
    historiqueNbDes.append(nbDes)

def affichageCourbe(historiqueNbDes) :
    plt.plot([float(y) for y in historiqueNbDes])
    plt.grid(True)
    plt.title("Modélisation de la décroissance radioactive par un
lancer de dés")
    plt.xlabel("Nombre de lancers")
    plt.ylabel("Nombre de dés restants")
    plt.show()
affichageCourbe(historiqueNbDes)

Document 1.3a - Énoncé d'une activité de modélisation mathématique.

• 1.À l'aide du document 1 , établir l'équation différentielle vérifiée par le nombre de noyaux N(t).
• 2.Vérifier que la loi de décroissance radioactive donnée dans le document 2 est bien une solution de l'équation différentielle précédente.

Document 1.5a - Allure de l'évolution de la concentration en quantité de matière d'espèces chimiques dans le cas d'une transformation chimique d'ordre 1.
Source : modélisation réalisée par l'auteur/autrice

1. le temps de demi-réaction est la durée au bout de laquelle la quantité initiale de matière du réactif a été divisée par deux ;
2. le temps de demi-réaction est la durée au bout de laquelle la concentration du produit a atteint la moitié de sa concentration finale ;
3. le temps de demi-réaction est la durée au bout de laquelle l'avancement volumique x est égal à la moitié de l'avancement maximal x_(max).

• 1.D'après la dénomination du produit commercial, proposer le nom et la formule, dans la nomenclature officielle, de l'espèce chimique constituant majoritairement les « véritables cristaux de soude » du commerce.
• 2.Écrire l'équation de dissolution de cette espèce chimique solide dans l'eau.
• 3.D'après les données tabulées, conclure sur le caractère exothermique ou endothermique de la dissolution de ce solide dans l'eau.

• 4.En accord avec l'hypothèse formulée à la question 1 , prévoir si, au sein d'un calorimètre idéal, la température du milieu doit augmenter ou diminuer après dissolution d'une masse non négligeable des « véritables cristaux de soude » dans un certain volume d'eau.

Expérience à réaliser

• 5.D'après les mesures effectuées, conclure sur le caractère exothermique ou endothermique de la dissolution de ce solide. Conclure quant à l'hypothèse formulée à la question 1.

• 6.D'après le numéro CAS et la recherche internet, proposer le nom et la formule, dans la nomenclature officielle, de l'espèce chimique constituant majoritairement les « véritables cristaux de soude ».
• 7.Écrire l'équation de dissolution de cette espèce chimique solide dans l'eau.
• 8.À partir des valeurs tabulées des enthalpies standard de formation, calculer la valeur de l'enthalpie standard de dissolution de cette espèce chimique en utilisant la loi de Hess.
• 9.D'après la valeur de l'enthalpie standard de dissolution calculée à la question 8, conclure sur le caractère exothermique ou endothermique de la dissolution de ce solide. En déduire si la nouvelle hypothèse est en accord avec le relevé de température de l'expérience.

• • 10.Effectuer l'application numérique à partir de vos valeurs expérimentales. On considèrera que la solution dans le calorimètre n'est constituée que de la masse m_e d'eau.
  • 11.. . . . . à élaborer par le(la) candidat(e)...................................................

• -Valeur tabulée de l'enthalpie standard de dissolution de la soude NaOH(s) à 25^∘C : Δ_(diss)H^0 = − 44, 5 kJ ⋅ mol^(− 1)
• -Valeurs des enthalpies standards de formation Δ_f H^∘ des corps composés à 25°C exprimées en kJ ⋅ mol^(− 1)

• -Masse molaire : M(Na_2 CO_3, 10H_2 O) = 286 g ⋅ mol^(− 1)

Prénom, nom
Date :
Titre de l'activité expérimentale : Contrôle qualité « véritables cristaux de soude»
Objectifs du TP : Mettre en œuvre une expérience de calorimétrie, identifier le caractère exothermique, endothermique ou athermique d'une réaction, mettre en œuvre la démarche scientifique par la formulation et vérification d'hypothèse, valider un résultat expérimental.
Hypothèse 1: La soude c'est Na
Expérience : Mesure de l'enthalpie de dissolution des « véritables cristaux de soude»
Schéma de l'expérience :

Document 2.3 - Étapes de la démarche scientifique présentées de façon simplifiée.
D'après : Bulletin de l'Union des Physiciens, n°118 janvier 2024

Document 2.5 - Extrait d'un document relatif aux caractéristiques associées à la construction des savoirs scientifiques.

• -Le fonctionnement universel de la communauté scientifique garantit la meilleure objectivité de la construction du savoir (argumentation, niveau de preuve, débat, reproductibilité des études, vérification par les pairs, explicitation des procédures, universalité du langage scientifique, ...).
• -Un savoir scientifique est caractérisé par sa réfutabilité (distinction science / croyance).
• -Du fait de leur réfutabilité, les savoirs évoluent au cours du temps (par continuité et/ou rupture et controverses) ; un savoir scientifique est fiable et robuste mais jamais certain et absolu.
• -La démarche scientifique conduit à la construction de modèles qui permettent d'expliquer les observations, de décrire et de prévoir des phénomènes.
• -Pour construire des savoirs scientifiques, il est nécessaire de distinguer les observations des interprétations qui en sont faites.

• 1.La fusion d'un corps nécessite :
  • a.l'augmentation de la température ;
  • b.la présence d'un liquide (l'eau par exemple).
• 2.La dissolution d'un corps nécessite :
  • a.l'augmentation de la température ;
  • b.la présence d'un liquide (l'eau par exemple).

• 1.La fusion est la transformation de la matière de l'état solide à l'état liquide.
• 2.La fusion est la disparition à l'échelle macroscopique d'un corps (le soluté) dans un liquide (le solvant).
• 3.La dissolution est la transformation de la matière de l'état solide à l'état liquide.
• 4.La dissolution est la disparition à l'échelle macroscopique d'un corps (soluté) dans un liquide (solvant).

Courbe A

Courbe B

Courbe C

Courbe D

Courbe E

Partie 3. À propos du réchauffement climatique

Différents matériaux sont placés entre une tasse contenant de l'eau chaude et une caméra thermique.

• 1.À partir des expériences photographiées précédemment, compléter le tableau ci-dessous en cochant les cases qui conviennent :

• 2.Identifier le matériau qui interagit avec le rayonnement visible et le rayonnement infrarouge de manière similaire à l'atmosphère terrestre. Décrire cette interaction en utilisant notamment le terme « absorber ».

Spectres de transmittance
Ces spectres représentent le pourcentage de rayonnement transmis dans l'infrarouge (entre 2 micromètres et 16 micromètres environ) par quelques gaz atmosphériques, c'est ce qu'on appelle la transmittance.

• 1.( 2 points) Parmi les cinq gaz indiqués dans le document précédent, seulement trois sont des gaz à effet de serre : le méthane, le dioxyde de carbone et l'eau. À l'aide des spectres ci-dessus, indiquer ce qui caractérise un gaz à effet de serre.
• 2.(3 points) Indiquer pourquoi l'identification des gaz à effet de serre permet de passer d'une corrélation à une causalité au sujet de l'effet de l'activité humaine sur le réchauffement climatique observé depuis les dernières décennies. Expliciter votre réponse.

Document 3.2b - Copie d'élève associée à l'activité du document 3.2a.

Document 3.2c - Modélisation du bilan radiatif terrestre.
Source : schéma réalisé par l'auteur(trice)

• -d'être capable d'évaluer cette information sous l'angle de la fiabilité :
  • ○est-ce que l'information en question est appuyée par des arguments convaincants ?
  • ○est-ce qu'elle est cohérente avec des connaissances solidement établies ?
  • ○est-ce qu'elle est étayée par des preuves ? S'agit-il de preuves de bonne qualité, obtenues par des méthodes rigoureuses, qui permettent d'être aussi objectif que possible ?
• -d'être capable d'évaluer la fiabilité des sources :
  • ○est-ce que la source de l'information est bien identifiable ?
  • ○est-ce qu'on peut raisonnablement exclure que la source a un conflit d'intérêt par rapport au contenu, ou qu'elle agit avec la volonté de nous tromper ?
  • ○s'agit-il d'une source compétente en la matière ?

Le document suivant présente l'impact des différentes contributions au phénomène de montée des eaux.
Le niveau marin est mesuré par des marégraphes et des altimètres satellitaires. Les marégraphes fournissent des données sur les marées depuis plus d'un siècle. Depuis les années 1990, les altimètres radar spatiaux mesurent le niveau de la mer. Les moyennes mondiales sont calculées en utilisant les données de nombreuses stations. Pour estimer l'expansion thermique, la température de surface est mesurée par des bouées et des satellites. Les températures plus profondes sont mesurées par des robots aquatiques et des instruments depuis des navires de recherche.
Pour estimer la part due à la fonte des glaces continentales, les scientifiques combinent des mesures de fonte de glaciers avec des mesures satellitaires de variation du champ de gravité terrestre en raison des variations de la masse d'eau dans les océans.

Schéma de principe de l'altimétrie satellitaire

Schéma de principe de l'altimétrie satellitaire

Document 3.4c - Adaptation d'un sujet de baccalauréat.

• -masse de la terre : M_T = 5, 97 × 10^(24) kg;
• -rayon terrestre : R_T = 6, 38 × 10^3 km;
• -constante de gravitation universelle : G = 6, 67 × 10^(− 11) m^3 ⋅ kg^(− 1) ⋅ s^(− 2).
• 1.Exprimer, dans le repère de Frenet associé, la force gravitationnelle qui s'applique au satellite Jason-CS/Sentinel-6. Représenter, sans souci d'échelle, cette force dans le repère de Frenet.
• 2.Montrer que, dans un référentiel judicieusement choisi, le mouvement du satellite considéré est circulaire uniforme.
• 3.Établir l'expression de la norme du vecteur vitesse du satellite.
• 4.Déterminer le nombre de fois que le satellite parcourt son orbite avant de repasser au- dessus du même point.
  Le candidat est invité à prendre des initiatives, notamment sur les valeurs numériques éventuellement manquantes, et à présenter la démarche suivie même si elle n'a pas abouti.

• 5.Comparer la vitesse du satellite Topex-Poséidon à celle du satellite Jason-CS/Sentinel-6. Justifier simplement votre réponse, sans calculs.

Document 3.4d - Extrait d'une copie d'élève associée au sujet du document 3.4c.

1. F⃗ = G × (m_s × M_T)/(d^2)n⃗
2. On applique T ⋅ k/F^(− a⃗E⃗^(t⃗))
   de Newton dans le rélérentie galiken:

Document 3.5 - Extrait du préambule des programmes d'enseignement scientifique. Objectifs généraux de formation.