Sujets de grand oral physique-chimie : 20 idées originales et 2 oraux rédigés

9. Pourquoi un ballon gonflé à l'hélium monte-t-il puis cesse-t-il de monter ? Angle : poussée d'Archimède et diminution de la masse volumique de l'air avec l'altitude.
10. Pourquoi l'eau jaillit-elle plus vite quand on pince l'extrémité d'un tuyau ? Angle : conservation du débit volumique et relation de Bernoulli.
11. Une balle de ping-pong et une boule de pétanque lâchées ensemble touchent-elles le sol en même temps ? Angle : chute libre et rôle des frottements selon la masse et la forme.

L'énergie : conversions et transferts

12. Pourquoi une canette fraîche se réchauffe-t-elle vite au début puis de plus en plus lentement ? Angle : loi de Newton pour les transferts thermiques et évolution exponentielle (traité en oral rédigé).
13. Pourquoi le flash d'un appareil photo met-il quelques secondes à se recharger ? Angle : charge d'un condensateur et constante de temps d'un circuit RC.
14. Une maison très bien isolée a-t-elle encore besoin d'être chauffée ? Angle : résistance thermique, flux thermique et apports internes.

Ondes et signaux

15. Comment un radar mesure-t-il la vitesse d'une voiture sans la toucher ? Angle : effet Doppler sur une onde réfléchie (traité en oral rédigé).
16. D'où viennent les couleurs d'une bulle de savon ? Angle : interférences lumineuses, en prolongeant le programme vers les lames minces.
17. Pourquoi ne peut-on pas voir un virus avec un microscope optique ? Angle : diffraction et limite de résolution liée à la longueur d'onde.
18. Comment une lunette astronomique grossit-elle sans faire paraître les étoiles plus grosses ? Angle : grossissement angulaire d'une lunette afocale, étoiles assimilées à des points.
19. Pourquoi une cellule photovoltaïque ne réagit-elle pas à un rayonnement de trop grande longueur d'onde, même intense ? Angle : énergie d'un photon et seuil, en lien avec l'effet photoélectrique.
20. Deux chanteurs font-ils deux fois plus de bruit qu'un seul ? Angle : intensité sonore et niveau en décibels, qui n'augmente que de trois décibels environ.

Premier oral rédigé — Pourquoi une canette fraîche se réchauffe-t-elle vite au début puis de plus en plus lentement ?

Démonstration d'une prise de parole de cinq minutes environ ; à étudier pour sa construction, pas à apprendre par cœur.

Accroche et motivation. Lors d'un pique-nique au bord d'un lac, j'ai sorti des canettes de la glacière et je les ai posées sur une nappe. Au bout de dix minutes, elles avaient nettement tiédi ; au bout d'une heure, elles n'étaient guère plus chaudes qu'après une demi-heure. J'ai trouvé étrange que le réchauffement ralentisse alors que le soleil, lui, ne faiblissait pas. Comme je veux devenir ingénieur en thermique du bâtiment, ce petit phénomène m'a paru une porte d'entrée vers mon futur métier.

Problématique. Comment modéliser l'évolution de la température d'un objet placé dans un milieu plus chaud, et pourquoi cette évolution ralentit-elle à mesure qu'elle progresse ?

Annonce du plan. J'identifierai d'abord les transferts thermiques en jeu, puis j'établirai l'équation qui décrit la température de la canette, avant de discuter les limites du modèle.

Premier temps : un transfert thermique dirigé du chaud vers le froid. La canette et son contenu forment mon système. L'air ambiant est plus chaud : de l'énergie passe spontanément de l'air vers la canette, par convection autour de la paroi et par conduction à travers le métal. Le soleil ajoute un transfert par rayonnement. La loi phénoménologique de Newton indique que le flux thermique reçu est proportionnel à l'écart entre la température extérieure et celle du système, ainsi qu'à la surface d'échange. Autrement dit, plus l'écart est grand, plus l'énergie arrive vite. Voilà déjà l'intuition du phénomène : au début, la canette est très froide, l'écart est grand, le réchauffement est rapide.

Deuxième temps : l'équation et sa solution. Le premier principe de la thermodynamique, appliqué à ce système incompressible, relie la variation d'énergie interne à l'énergie reçue. La variation d'énergie interne vaut la masse fois la capacité thermique massique fois la variation de température. On obtient une équation différentielle du premier ordre : la dérivée de la température par rapport au temps est proportionnelle à l'écart entre la température extérieure et la température de la canette. Sa solution s'écrit : T de t égale T extérieure plus, entre parenthèses, T initiale moins T extérieure, multiplié par exponentielle de moins t sur tau. La grandeur tau, homogène à un temps, vaut le produit de la masse et de la capacité thermique divisé par le coefficient d'échange multiplié par la surface. Au bout d'une durée tau, la canette a comblé environ 63 % de l'écart initial ; au bout de trois tau, environ 95 %. La courbe monte vite, puis s'aplatit en approchant de la température extérieure, qu'elle n'atteint jamais exactement dans ce modèle.

Troisième temps : ce que le modèle oublie. J'ai supposé une température uniforme dans la canette, ce qui n'est pas exact si on ne la remue pas. J'ai aussi considéré un coefficient d'échange constant, alors qu'il augmente avec le vent. Surtout, un phénomène m'avait échappé : la buée. La vapeur d'eau de l'air se condense sur la paroi froide, et cette condensation libère de l'énergie qui réchauffe la canette plus vite que prévu. Enfin, au soleil, le rayonnement absorbé ajoute un apport qui ne dépend pas de l'écart de température. Le modèle de Newton reste pourtant un excellent point de départ, que l'on peut affiner.

Conclusion. Le réchauffement ralentit parce que le flux thermique dépend de l'écart de température, et que cet écart diminue à mesure que la canette se réchauffe : c'est la signature d'une évolution exponentielle. Pour garder une boisson fraîche, il faut donc agir sur la constante de temps : augmenter la masse, réduire la surface d'échange, ou freiner les transferts avec un manchon isolant. C'est exactement ce que fait l'isolation d'un bâtiment, à une tout autre échelle.

Questions que les examinateurs pourraient poser

« Quelle est l'unité du coefficient d'échange de la loi de Newton ? » Le flux thermique s'exprime en watts. Comme il vaut le coefficient multiplié par une surface et par un écart de température, le coefficient s'exprime en watts par mètre carré et par kelvin.

« Pourquoi peut-on utiliser des degrés Celsius dans votre équation ? » Parce que seules des différences de température interviennent. Un écart d'un degré Celsius est égal à un écart d'un kelvin. Il faut en revanche des kelvins pour les lois où la température intervient seule, comme la loi des gaz parfaits.

« Comment détermineriez-vous tau expérimentalement ? » On mesure la température au cours du temps avec un capteur, puis on repère la durée au bout de laquelle environ 63 % de l'écart initial est comblé. On peut aussi tracer le logarithme de l'écart en fonction du temps : on obtient une droite dont la pente vaut moins un sur tau.

« La condensation réchauffe la canette : n'est-ce pas contre-intuitif ? » Le passage de l'état gazeux à l'état liquide est une transformation qui libère de l'énergie. Cette énergie, cédée par la vapeur d'eau, est reçue en partie par la paroi. C'est pourquoi une canette couverte de buée se réchauffe plus vite qu'une canette sèche dans un air très sec.

Second oral rédigé — Comment un radar mesure-t-il la vitesse d'une voiture sans la toucher ?

Deuxième démonstration, sur le thème des ondes et signaux.

Accroche et motivation. En regardant passer une ambulance, toute sirène hurlante, j'ai remarqué que le son devenait plus grave à l'instant précis où elle me dépassait. Le lendemain, en passant devant un radar sur la route du lycée, je me suis demandé si le même phénomène pouvait servir à mesurer une vitesse. Je m'intéresse à l'électronique et aux capteurs, et je souhaite intégrer un BUT dans ce domaine.

Problématique. Comment une onde renvoyée par un véhicule peut-elle révéler sa vitesse, et avec quelle précision ?

Annonce du plan. J'expliquerai d'abord l'effet Doppler, puis son application au radar, avant d'évoquer ses limites et ses autres usages.

Premier temps : l'effet Doppler. Une source émet une onde de fréquence donnée. Si elle se rapproche de l'observateur, chaque crête est émise un peu plus près que la précédente : les crêtes arrivent plus rapprochées, et la fréquence reçue est plus élevée. Si la source s'éloigne, c'est l'inverse. Pour l'ambulance, le son paraît plus aigu à l'approche et plus grave quand elle s'éloigne. On l'entend aussi au bord d'un circuit automobile : le bruit du moteur bascule de l'aigu au grave au moment où la voiture passe devant la tribune, alors que son régime n'a pas changé. Seul le sens du mouvement par rapport à l'oreille s'est inversé. Lorsque la vitesse de la source est très petite devant la célérité de l'onde, le décalage de fréquence est proportionnel à cette vitesse : il vaut la fréquence émise multipliée par le rapport entre la vitesse de la source et la célérité de l'onde.

Deuxième temps : le principe du radar. Le radar émet une onde électromagnétique, dont la fréquence est de l'ordre de quelques dizaines de gigahertz, et qui se propage à la vitesse de la lumière. La voiture la réfléchit. L'effet joue alors deux fois : la voiture reçoit une onde décalée parce qu'elle se déplace, puis la renvoie en se comportant comme une source en mouvement. Pour une vitesse faible devant celle de la lumière, le décalage total vaut donc environ deux fois la fréquence émise multipliée par la vitesse du véhicule, divisé par la célérité de la lumière. Prenons un ordre de grandeur : une fréquence de trente gigahertz et une voiture à 25 mètres par seconde, soit 90 kilomètres par heure. Le décalage vaut deux fois 25 fois trois fois dix puissance dix, divisé par trois fois dix puissance huit : 5 000 hertz. Un décalage de quelques kilohertz sur des dizaines de milliards de hertz : c'est minuscule, mais l'électronique sait le mesurer en comparant l'onde émise et l'onde reçue.

Troisième temps : limites et autres usages. Le radar mesure seulement la composante de la vitesse dirigée vers lui. S'il vise la route en biais, il sous-estime la vitesse, et l'appareil doit tenir compte de l'angle d'installation. Plusieurs véhicules dans le faisceau peuvent aussi brouiller la mesure. Pour qu'une sanction soit valable, les appareils sont homologués et contrôlés régulièrement, et une marge de tolérance est retranchée à la vitesse mesurée. Le même principe sert ailleurs : l'échographie Doppler mesure la vitesse du sang dans les vaisseaux grâce aux ultrasons, et les astronomes ont détecté des planètes autour d'autres étoiles en mesurant le léger décalage des raies de lumière de ces étoiles, qui oscillent sous l'effet de leur planète.

Conclusion. Le radar transforme une vitesse en décalage de fréquence, grâce à l'effet Doppler appliqué à une onde réfléchie. La même physique relie la sirène d'une ambulance, le contrôle routier et la découverte de mondes lointains. Depuis, quand j'entends une sirène s'éloigner, j'entends aussi une mesure de vitesse.

Questions que les examinateurs pourraient poser

« Pourquoi le facteur deux ? » Parce que l'onde subit deux décalages successifs. D'abord, la voiture, qui se rapproche, reçoit une fréquence plus élevée que celle émise. Ensuite, elle renvoie cette onde en se déplaçant, ce qui la décale encore. Pour des vitesses faibles devant la célérité de la lumière, les deux décalages s'additionnent.

« L'effet Doppler existe-t-il si c'est l'observateur qui bouge ? » Oui. Un observateur qui se rapproche d'une source immobile rencontre les crêtes plus souvent et perçoit une fréquence plus élevée. Pour une onde sonore, les formules ne sont pas exactement les mêmes dans les deux cas, mais pour des vitesses faibles le décalage est voisin.

« Pourquoi utiliser des ondes électromagnétiques plutôt que des ultrasons pour un radar routier ? » Les ondes électromagnétiques se propagent bien dans l'air sur de grandes distances, et leur célérité ne dépend presque pas du vent ni de la température. Les ultrasons s'atténuent vite dans l'air et seraient perturbés par les mouvements de l'air.

« Connaissez-vous un autre moyen de mesurer une vitesse à distance ? » On peut mesurer le temps de parcours d'impulsions lumineuses envoyées par un laser à intervalles réguliers. La variation de distance entre deux impulsions, divisée par la durée qui les sépare, donne la vitesse. Certains contrôles de vitesse utilisent ce principe.

Ce qui fait perdre des points

• Donner une formule sans dire ce que représente chaque grandeur ni son unité.
• Confondre fréquence et célérité, ou température et énergie : le jury relève immédiatement ce type de glissement.
• Annoncer un résultat numérique sans le confronter à un ordre de grandeur plausible.
• Choisir un sujet sans loi physique ni réaction chimique identifiable, du type « l'énergie de demain », qui se perd dans les généralités.
• Ignorer les limites du modèle. Les citer spontanément montre une vraie maîtrise.

Check-list finale

• Mon phénomène de départ est observable par tout le monde.
• Je cite au moins une loi du programme et ses conditions de validité.
• Je sais donner les unités de chaque grandeur.
• J'ai un ordre de grandeur calculé et vérifié.
• Je peux décrire une expérience qui permettrait de tester mon modèle.
• Mon exposé tient en cinq minutes, chronométré sans support.
• Le lien avec mon orientation est sincère et précis.