Banque PT Physique A PT 2021Sujet, corrigé et rapport du jury
Temps – Fréquence : oscillateurs mécaniques, hydrauliques et électroniques
Faisable en sup ?
Faisable en partie en PTSI : 22 questions sur 68. Autres questions faisables en PTSI
Autres premières années : PCSI 25 · MP2I 20 · BCPST1 15 questions.
Détail par partie
- Partie A : Aspects mécaniques13/14En partie
- Partie B : Oscillateurs hydrauliques0/132e année
- Partie C : Oscillateurs électroniques9/41En partie
Téléchargements
Présentation du sujet
DifficileTemps-Fréquence : du calendrier lunaire aux oscillateurs mécaniques et électroniquesAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
DifficileLe sujet explore différentes façons de mesurer le temps, du calendrier lunaire à des oscillateurs électroniques de haute précision, en passant par des oscillateurs mécaniques et hydrauliques. Il comporte six parties indépendantes qui mobilisent la mécanique (gravitation, pendules), la mécanique des fluides (oscillateur hydraulique de type siphon) et l'électronique (comparateur à hystérésis, oscillateur de relaxation, oscillateur quasi sinusoïdal).
- 1Ébauche de calendrier lunaireÉtude du mouvement de la Lune autour de la Terre à l'aide de la loi de gravitation et de la troisième loi de Kepler.
- 2Le pendule simpleMise en équation du pendule pesant et détermination de la longueur qui bat la seconde.
- 3Le pendule en rotationÉtude d'un balancier couplé à un ressort spiral à l'aide du théorème du moment cinétique.
- 4Oscillateurs hydrauliquesÉtude d'un oscillateur de relaxation hydraulique de type siphon, avec la relation de Bernoulli pour les phases de remplissage et de vidange.
- 5Oscillateur de relaxation en électroniqueÉtude d'un comparateur à hystérésis puis de l'oscillateur de relaxation RC qui en découle, à partir d'un enregistrement expérimental.
- 6Oscillateur quasi sinusoïdalÉtude d'un filtre puis d'un amplificateur, association des deux blocs pour obtenir des oscillations, puis étude de la stabilité en fréquence de l'oscillateur.
Difficile. Le rapport signale des résultats globalement inégaux et souvent très insuffisants, avec un nombre trop important de copies indigentes, même si quelques candidats ont pu traiter la presque totalité du sujet avec des notes excellentes.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLoi de gravitation méconnue · Force de la tige oubliée dans le bilan des forces · Confusion entre théorème de l'énergie cinétique et théorème du moment cinétiqueAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLe jury déplore une aggravation de la qualité de présentation des copies, un manque quasi systématique de schémas et un nombre important de copies très faibles, tout en soulignant que certains candidats ont traité la quasi-totalité du sujet avec d'excellentes notes. Les erreurs les plus fréquentes concernent la mise en équation en mécanique, les conditions d'application des lois physiques et les propriétés de base des amplificateurs linéaires intégrés.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Loi de gravitation méconnue
Un très grand nombre de candidats ne connaît pas la loi de gravitation, pourtant nécessaire dès le début du sujet.
« On est surpris ici du très grand nombre de candidats qui ne connaissent pas la loi de gravitation ! »
- 2Force de la tige oubliée dans le bilan des forcesQ7
Sur le pendule pesant, le schéma est souvent absent et la force exercée par la tige sur la masse est oubliée dans la mise en équation.
« beaucoup de candidats oublient de prendre en compte la force exercée par la tige sur la masse m. »
- 3Confusion entre théorème de l'énergie cinétique et théorème du moment cinétique
Pour le pendule en rotation, de nombreux candidats confondent les deux théorèmes et commettent des erreurs de signe dans l'équation différentielle du mouvement.
« On note ici des confusions entre le théorème de l'énergie cinétique et le théorème du moment cinétique. »
- 4Conditions d'application de la relation de Bernoulli oubliéesQ15
Les conditions de validité de la relation de Bernoulli sont souvent omises, et certaines écritures de la relation sont incorrectes.
« Il manque souvent une ou plusieurs conditions d'application de la relation de Bernoulli, et quelques relations de Bernoulli sont de formes surprenantes. »
- 5Confusion entre impédances d'entrée et de sortie de l'ALIQ28
De nombreux candidats confondent l'impédance d'entrée de l'amplificateur linéaire intégré, qui est infinie, avec celle de sortie, qui est nulle.
« une confusion récurrente entre l'impédance d'entrée de l'ALI qui est infinie, et celle de sortie qui est nulle »
- 6Cycle d'hystérésis mal raisonné
Le cycle d'hystérésis du comparateur est souvent traité sans raisonnement clair, ou avec un raisonnement compliqué partant de la sortie plutôt que de l'entrée.
« La partie sur le cycle d'hystérésis a en général été assez mal traitée, avec soit il n'y a aucun raisonnement »
Ce qui a été bien réussi
- L'étude des symétries et invariances du champ gravitationnel a été bien traitée par la plupart des candidats.
- La partie sur la phase de vidange de l'oscillateur hydraulique a été bien traitée par un assez grand nombre de candidats.
- Le calcul de la fonction de transfert du filtre (Q45) et l'établissement des fonctions de transfert des amplificateurs (Q48) ont été bien menés par la plupart des candidats.
- Un petit nombre de candidats sont allés jusqu'à la fin du problème et ont correctement traité les questions sur la stabilité de l'oscillateur.
Conseils du jury
- Faire systématiquement des schémas complets, avec vecteurs unitaires, angles et orientations des tensions et courants.
- Vérifier l'homogénéité des formules, en particulier dans les calculs en complexe en électronique.
- Éviter les égalités du type vecteur égal scalaire, notamment en gravitation.
- Travailler avec bon sens plutôt que d'appliquer des formules de façon automatique, en particulier pour passer d'une équation différentielle à un comportement fréquentiel.
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
Corrigé détaillé
68 questionsIndice, stratégie puis corrigé complet pour chaque question.Afficher ou masquer la section
Corrigé détaillé
68 questions68 questions corrigées une à une : un indice, puis la stratégie, puis le corrigé complet avec le résultat encadré. Chaque question est vérifiée avant publication.
- Q1Etablir la forme du champ de gravitation à l'extérieur de la Terre en supposant celle-ci sphérique et de…
- Q2Donner l'expression de la force que la terre exerce sur la lune.
- Q3Montrer que le mouvement du centre de la Lune est uniforme et déterminer sa période de révolution. On…
- Q4Établir dans ce cas la troisième loi de Kepler. Déterminer un ordre de grandeur de.
- Q5Quelles sont à chaque nouvelle lune les positions respectives du soleil, de la Terre et de la Lune ?
- Q6Considérons le cas d'un calendrier "lunaire" de 12 mois, pour lequel le début du mois est fixé par une…
- Q7Déterminer l'équation différentielle régissant l'écartement angulaire du pendule pesant par rapport à sa…
- Q8Linéariser l'équation précédente en considérant « petit »; en déduire l'équation horaire.
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- Q9Déterminer la longueur du pendule permettant d'obtenir une période des oscillations égale à 2 s. Pourquoi…
- Q10Quel pendule pesant assez célèbre permet de faire des observations fines du comportement du globe terrestre.
- Q11À quel objet familier dans les habitations d'il y a quelques vingtaines d'années, correspond à ce type…
- Q12Déterminer l'équation différentielle qui régit le mouvement en appliquant le théorème du moment cinétique…
- Q13En déduire l'expression de la position angulaire en fonction du temps et l'expression de la période du…
- Q14La figure F3 montre un mécanisme d'horlogerie avec le ressort spiral et le balancier mais aussi un système…
- Q15Rappeler la relation de Bernoulli en indiquant les conditions de validité.
- Q16Comment se comporte l'eau dans le siphon après le passage à la cote ? Quelle approximation peut-on faire ?
- Q17Déterminer l'équation différentielle donnant le niveau d'eau dans le réservoir en fonction du temps, en…
- Q18Quel durée, notée, faut-il pour que le niveau d'eau passe de la cote à la cote.
- Q19Que se passe-t-il alors ? Dessiner alors le système dans cette nouvelle configuration.
- Q20Déterminer l'expression de la vitesse de sortie de l'eau au point D, en tenant compte de la forte différence…
- Q21En déduire l'expression du débit volumique en sortie du siphon au point D.
- Q22En tenant compte que le récipient se remplit avec le débit volumique et se vide avec le débit volumique…
- Q23En raisonnant sur au début de la vidange et à la fin de la vidange montrer qu'il ne peut y avoir de vidange…
- Q24Montrer que pour certaines valeurs de la vidange peut s'arrêter pour une cote telle que. Déterminer…
- Q25On suppose que est suffisamment petit pour être négligeable pendant toute la phase de vidange. Donner alors…
- Q26Donner l'expression de la période des oscillations.
- Q27Représenter graphiquement en fonction du temps sur 2 périodes.
- Q28Quelles sont les principales caractéristiques d'un amplificateur linéaire intégré, en le supposant tout…
- Q29Donner des ordres de grandeurs pour les caractéristiques d'un amplificateur réel standard.
- Q30Que peut-on dire du fonctionnement du circuit U0 ?
- Q31Exprimer la tension au niveau de l'entrée (+), notée, en fonction des éléments du schéma et de la tension.
- Q32La tension croit de à. Montrer qu'il existe une tension de basculement. Tracer la courbe donnant en fonction…
- Q33Même question si maintenant la tension décroit de à. Tracer la courbe donnant en fonction de sur le même…
- Q34Pourquoi appelle-t-on ce circuit un comparateur à hystérésis ?
- Q35Reproduire cette courbe sur la copie et y superposer le tracé de la courbe donnant en fonction du temps, à…
- Q36On suppose qu'à l'instant le condensateur est déchargé et que la tension de sortie de l'amplificateur U0…
- Q37En déduire l'équation horaire de et l'instant de fin de cette phase.
- Q38Expliquer pourquoi se met à décroitre.
- Q39Établir l'équation différentielle de dans cette phase.
- Q40En déduire l'équation horaire de, et l'instant de fin de cette phase.
- Q41Déterminer, d'après la durée de la deuxième phase, l'expression littérale de la période de.
- Q42Déduire de l'enregistrement de la Figure F8 les valeurs numériques approchées des quantités suivantes:; le…
- Q43Quelles caractéristiques de l'amplificateur peuvent entraîner une possible limitation de la fréquence de cet…
- Q44Ces limitations sont-elles visibles sur la Figure F8 ?
- Q45Déterminer l'expression de et la mettre sous la forme avec, étant la pulsation propre du filtre. Expliciter…
- Q46Donner l'expression reliant le facteur de qualité, la fréquence propre et la bande passante à - 3 dB.
- Q47Faire une représentation graphique approchée du gain en décibel en fonction de; préciser quelques valeurs…
- Q48Déterminer, en précisant bien les hypothèses faites, les fonctions de transfert de ces deux structures…
- Q49Déterminer les impédances d'entrée et de chaque montage et expliquer pourquoi la structure n°2 est a priori…
- Q50En déduire alors l'expression de la fonction de transfert globale du montage associant les deux blocs…
- Q51Déterminer l'équation différentielle régissant l'évolution de la tension; on fera apparaître dans cette…
- Q52À quelle condition sur cela sera-t-il possible ?
- Q53Que vaut la fréquence d'oscillation pendant la phase de démarrage ?
- Q54À quelles conditions la fréquence des oscillations peut-elle être considérée comme égale à la fréquence…
- Q55En considérant d'une part l'étude précédente, et d'autre part le fait que le circuit U1 n'est pas idéal…
- Q56Quelle différence voit-on entre les schémas des figures F12 et F13 ?
- Q57Quel composant du schéma Figure F13 peut expliquer, par une étude de son modèle physique, le fait que les…
- Q58Quelle est l'expression littérale de la résistance de la bobine en fonction des grandeurs déjà introduites ?
- Q59Expliquer pourquoi on peut considérer que deux spires adjacentes forment un condensateur.
- Q60En considérant comment sont placés les condensateurs formés par Sp1-Sp2 d'une part et Sp2-Sp3 d'autre part…
- Q61Comment tenir compte de ce condensateur, que l'on peut qualifier de "parasite", dans un nouveau schéma…
- Q62Quelles sont les conséquences de la présence de ce condensateur parasite ?
- Q63Exprimer en fonction de, en fonction de et en fonction de. En déduire une relation entre et valable s'il y a…
- Q64Montrer que la condition d'oscillation conduit à la relation.
- Q65Quelle est la nouvelle condition d'oscillation relative à la phase de ?
- Q66Déduire, à partir de la condition d'oscillation et de l'expression de simplifiée grâce à l'hypothèse…
- Q67Que se passe-t-il si la fluctuation varie au cours du temps mais avec une amplitude faible ? Quel serait…
- Q68Conclure sur la façon d'améliorer la qualité de l'oscillateur.
Description
Le sujet explore différentes façons de mesurer le temps, du calendrier lunaire à des oscillateurs électroniques de haute précision, en passant par des oscillateurs mécaniques et hydrauliques. Il comporte six parties indépendantes qui mobilisent la mécanique (gravitation, pendules), la mécanique des fluides (oscillateur hydraulique de type siphon) et l'électronique (comparateur à hystérésis, oscillateur de relaxation, oscillateur quasi sinusoïdal).
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Lecture du sujet en ligne
L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.Afficher ou masquer la section
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Epreuve de Physique A
L'usage de calculatrices est interdit.
AVERTISSEMENT
CONSIGNES:
- Composer lisiblement sur les copies avec un stylo à bille à encre foncée : bleue ou noire.
- L'usage de stylo à friction, stylo plume, stylo feutre, liquide de correction et dérouleur de ruban correcteur est interdit.
- Remplir sur chaque copie en MAJUSCULES toutes vos informations d'identification : nom, prénom, numéro inscription, date de naissance, le libellé du concours, le libellé de l'épreuve et la session.
- Une feuille dont l'entête n'a pas été intégralement renseignée, ne sera pas prise en compte.
- Il est interdit aux candidats de signer leur composition ou d'y mettre un signe quelconque pouvant indiquer sa provenance
Temps-Frequence
L'observation du mouvement de la lune autour de la terre a permis d'établir un calendrier en Chine, dit calendrier lunaire, depuis plus de mille ans avant
Dans une journée on devait faire des subdivisions, et pour cela on a pu utiliser des horloges hydrauliques pour compter le temps, et cela en Chine dès la dynastie des Hans (206 av. J.-C. - 220 apr. J.-C.). Les clepsydres, basée sur l'écoulement d'un récipient rempli d'eau permettaient la mesure d'un intervalle de temps.
De nos jours on utilise couramment des montres à quartz. Les télécommunications font appel à des références de temps, des oscillateurs électroniques de très haute pureté spectrale.
L'unité fondamentale de mesure du temps, la seconde est la durée de 9192631770 périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l'état fondamental de l'atome de césium 133, à 0 K . Il en résulte que la fréquence de la transition hyperfine de l'état fondamental de l'atome de césium est égale à 9192631770 Hz .
A. Aspects mécaniques
A.I. Ébauche de calendrier lunaire
On donne la masse de la lune
Q3. Montrer que le mouvement du centre
La période de révolution de la Lune autour de la Terre est de
$ Un moyen de repérer le temps non plus par rapport aux saisons ou à des phénomènes naturels est de fabriquer des oscillateurs, qui peuvent être de natures très variées.
A.II. Les horloges
A.II. 1 Le pendule simple
On considère une masse
À l'instant

Q9. Déterminer la longueur du pendule permettant d'obtenir une période des oscillations égale à 2 s . Pourquoi dit-on dans ce cas que le pendule bat la seconde ?
Q11. À quel objet familier dans les habitations d'il y a quelques vingtaines d'années, correspond à ce type d'oscillateur ? Quel est a priori l'inconvénient d'un tel système pour pouvoir garder avec soi une référence de temps ?
A.II. 2 Pendule en rotation
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Q13. En déduire l'expression de la position angulaire en fonction du temps et l'expression de la période du mouvement.
Q14. La figure F3 montre un mécanisme d'horlogerie avec le ressort spiral et le balancier mais aussi un système dit d'échappement avec une "ancre". À quoi peut servir ce système ?

B. Oscillateurs hydrauliques.

Le siphon fonctionne de la manière suivante :
- Lorsque
z croit, il s'amorce et débite de l'eau par la section en D dès quez ≥ z_C . - Lorsque
z décroit, le siphon continue de débiter tant quez > z_B et il se désamorce (le débit sortant est alors nul) dès quez = z_B .
⇒ Étude de la phase de remplissage
Q17. Déterminer l'équation différentielle donnant le niveau d'eau
Q19. Que se passe-t-il alors ? Dessiner alors le système dans cette nouvelle configuration.
⇒ Étude de la phase de vidange
Q22. En tenant compte que le récipient se remplit avec le débit volumique
Q23. En raisonnant sur
⇒ Bilan sur les oscillations
Q27. Représenter graphiquement
C. Oscillateurs électroniques
Q29. Donner des ordres de grandeurs pour les caractéristiques d'un amplificateur réel standard.
C.I. Oscillateur de relaxation
C.I.1. Comparateur à hystérésis

Q31. Exprimer la tension au niveau de l'entrée
Pour tester le comparateur à hystérésis on impose à présent, à l'aide d'un générateur de fonctions, une tension
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C.I.2. Application du circuit comparateur : oscillateur de relaxation

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⇒ Étude de la phase de croissance.
⇒ Étude la phase de décroissance.
Q39. Établir l'équation différentielle de
Q40. En déduire l'équation horaire de
Q41. Déterminer, d'après la durée de la deuxième phase, l'expression littérale de la période de
Q42. Déduire de l'enregistrement de la Figure F8 les valeurs numériques approchées des quantités suivantes:
⇒ Limites de fonctionnement de l'oscillateur
Q44. Ces limitations sont-elles visibles sur la Figure F8 ?
C.II. Oscillateur quasi sinusoïdal
C.II.1. Étude du filtre

Expliciter littéralement
Q46. Donner l'expression reliant le facteur de qualité, la fréquence propre et la bande passante à -3 dB .
C.II. 2 Étude de l'amplificateur

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Q50. En déduire alors l'expression de la fonction de transfert globale du montage associant les deux blocs fonctionnels filtre puis amplificateur en la mettant sous la forme
C.II. 3 Étude des oscillations
La sortie de l'amplificateur U1, toujours supposé dans un premier temps comme idéal, est connectée à l'entrée du filtre au travers d'un interrupteur K.
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Q51. Déterminer l'équation différentielle régissant l'évolution de la tension
Q53. Que vaut la fréquence d'oscillation pendant la phase de démarrage ?
Q54. À quelles conditions la fréquence des oscillations peut-elle être considérée comme égale à la fréquence propre du filtre ?
C.II. 4 Oscillateur réel et modélisation de dipôle
C.II.4.1 Schéma réel de l'oscillateur

Q57. Quel composant du schéma Figure F13 peut expliquer, par une étude de son modèle physique, le fait que les deux schémas des Figures F12 et F13 puissent être bien équivalents?
C.II.4.2 Réalisation d'une inductance
Une expression approchée de l'inductance d'une bobine est la suivante :
On donne
Cette inductance peut par exemple être fabriquée avec du fil de cuivre, enrobé d'un isolant. On pourrait choisir par exemple un fil de référence AWG-38, correspondant, selon la norme américaine ASTMB258 très largement utilisée même en Europe, à un diamètre
Q58. Quelle est l'expression littérale de la résistance de la bobine en fonction des grandeurs déjà introduites?
On considère trois spires successives,

Q62. Quelles sont les conséquences de la présence de ce condensateur parasite ?
C.II. 5 Stabilité de l'oscillateur
C.II.5.1 Oscillateur quasi-sinusoïdal
Le filtre (entrée
L'amplificateur (entrée

C.II.5.2 Stabilité à court-terme
On considère que la fluctuation de phase
Q68. Conclure sur la façon d'améliorer la qualité de l'oscillateur.
Fin de l'épreuve
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet physique A banque PT 2021 (Temps-Fréquence) ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet physique A banque PT 2021 (Temps-Fréquence) ?
Le sujet couvre la gravitation et le calendrier lunaire, le pendule pesant et le pendule en rotation, un oscillateur hydraulique avec la relation de Bernoulli, puis deux oscillateurs électroniques construits autour d'amplificateurs linéaires intégrés.
Ce sujet de physique A banque PT 2021 est-il difficile ?
Le rapport le juge difficile : les résultats sont globalement inégaux et souvent très insuffisants, avec un nombre important de copies indigentes, même si quelques candidats ont obtenu d'excellentes notes en traitant la quasi-totalité du sujet.
Quelles sont les erreurs les plus fréquentes relevées par le jury sur ce sujet ?
Le jury pointe l'absence de schémas, une méconnaissance de la loi de gravitation, une confusion entre le théorème de l'énergie cinétique et celui du moment cinétique, des conditions de Bernoulli oubliées, et une confusion entre les impédances d'entrée et de sortie de l'ALI.
Faut-il bien maîtriser l'électronique et les amplificateurs linéaires intégrés pour ce sujet ?
Oui, les deux dernières parties du sujet portent entièrement sur des oscillateurs électroniques construits autour d'amplificateurs linéaires intégrés et représentent une part importante de l'épreuve.
Pas de description pour le moment
