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Banque PT Physique A PT 2022Sujet, corrigé et rapport du jury

Étude physico-chimique et modélisation du lac de Joux

4,0(2 votes)
Faisable en Sup

Faisable en sup ?

Faisable en partie en PTSI : 24 questions sur 50. Autres questions faisables en PTSI

Autres premières années : PCSI 33 · MP2I 18 · BCPST1 13 questions.

Détail par partie

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Présentation du sujet

Accessible
Le lac de Joux : mesure de température et de profondeur, mouvement de vacanciers et gel du lac
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L'épreuve de physique A PT de la Banque PT 2022 (4 heures) porte sur le lac de Joux en Suisse et comporte trois parties largement indépendantes. La première étudie des capteurs pour mesurer la température et la profondeur du lac (thermistance, amplificateur linéaire intégré, ultrasons, propagation électromagnétique). La deuxième étudie le mouvement mécanique de deux vacanciers sur le lac. La troisième analyse l'évolution temporelle du gel du lac en hiver.

  1. 1Partie A : mesure des caractéristiques du lacMesure de la température par thermistance et montage à amplificateur linéaire intégré, mesure de la profondeur par sonar à ultrasons, propagation électromagnétique dans le vide, champ magnétique créé par un solénoïde et étude d'un circuit électrique.
  2. 2Partie B : mouvement de deux vacanciersÉtude mécanique de deux dispositifs en mouvement sur le lac, avec calcul de vitesse, d'énergie cinétique, de travail des forces de frottement et de puissance des forces de Laplace.
  3. 3Partie C : le gel du lac en hiverÉtude de l'évolution temporelle du gel du lac, avec bilans de transfert thermique lors du passage de la glace de -10°C à 0°C et de la solidification, puis évolution en régime quasi-stationnaire.

Accessible. Le jury indique que beaucoup de calculs demandés étaient d'une difficulté très raisonnable, avec des applications numériques également simples.

Ce qu'a observé le jury

6 erreurs relevées
Sensibilité confondue avec l'incertitude · Facteur 2 du sonar oublié · Densité de courant non annulée dans le vide
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Le sujet fait appel à des notions très diverses du programme de PTSI et PT (électricité, électronique, électromagnétisme, mécanique, diffusion thermique) et a rempli son objectif de tester ces connaissances variées. Le jury relève de nombreuses erreurs de signe dans les calculs de champs, de moments, de courants et de transferts thermiques, ainsi que des résultats numériques donnés sans unité ou sans démonstration.

Les erreurs les plus sanctionnées

  1. 1
    Sensibilité confondue avec l'incertitudequestion 4 de la partie A

    La notion de sensibilité n'a donné que très peu de points ; elle est le plus souvent confondue avec l'incertitude, et certains pensent que 0,5% est supérieur à 0,04.

    « pensant que 0,5% est supérieur à 0,04 »
  2. 2
    Facteur 2 du sonar oubliéquestions sur le sonar

    La mesure de la profondeur du lac selon le principe du sonar, bien que très simple, n'est pas toujours traitée correctement : le facteur 2 dû à l'aller-retour est souvent oublié.

    « on oublie souvent le facteur 2 dû à l'aller-retour »
  3. 3
    Densité de courant non annulée dans le videquestions sur les équations de Maxwell

    Dans les équations de Maxwell, on pense souvent à annuler la densité de charge dans le vide mais pas toujours la densité de courant, ce qui conduit à des équations erronées.

    « on pense souvent à annuler ρ dans le vide, mais pas toujours j »
  4. 4
    Énergie cinétique réduite à une seule composantepartie B

    Bien que l'expression de la vitesse soit souvent écrite correctement, l'énergie cinétique se réduit trop souvent à un seul terme au lieu de prendre en compte toutes les composantes.

    « l'énergie cinétique se réduit trop souvent à »
  5. 5
    Puissance des forces de Laplace mal calculéepartie B

    La plupart des candidats oublient que la force de Laplace s'applique au centre de la tige, ce qui rend rarement correcte l'expression de la puissance de ces forces.

    « la plupart des candidats oubliant que cette force s'applique au centre de la tige »
  6. 6
    Transfert thermique de fusion confondu avec l'échauffementpartie C

    Le transfert thermique dû à la fusion est assez souvent confondu avec celui induit par le passage de la glace de -10°C à 0°C.

    « Le transfert thermique dû à la fusion est assez souvent confondu avec celui induit par le passage de la glace »

Ce qui a été bien réussi

  • Les premières questions de la partie A sont le plus souvent bien traitées.
  • Le cas idéal de l'amplificateur linéaire intégré est connu de la plupart des candidats.
  • Les équations de Maxwell sont le plus souvent bien écrites.
  • Les questions 33 à 36 sont généralement bien traitées.
  • La loi affine de la température en régime quasi-stationnaire est le plus souvent bien traitée.

Conseils du jury

  • Traiter les questions dans un ordre raisonnable plutôt que de sauter d'une question à une autre.
  • Toujours donner les résultats numériques avec leur unité et justifier les résultats par une démonstration.
  • Vérifier l'homogénéité des expressions obtenues, notamment celles faisant intervenir un angle.
  • Porter une attention particulière aux signes dans les calculs de champs, de moments, de courants et de transferts thermiques.
  • Numéroter correctement les questions sur la copie, même celles non traitées.

Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.

Corrigé détaillé

50 questions
Indice, stratégie puis corrigé complet pour chaque question.
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50 questions corrigées une à une : un indice, puis la stratégie, puis le corrigé complet avec le résultat encadré. Chaque question est vérifiée avant publication.

  1. Q1Tracer l'allure de la courbe.
  2. Q2Des mesures expérimentales ont permis de tracer ci-dessous en échelle semi-logarithmique, la courbe en…
  3. Q3On définit la sensibilité (appelée aussi coefficient de température) de la thermistance par: Déterminer…
  4. Q4L'expression précédente conduit à la valeur. Serait-il préférable d'utiliser une résistance métallique dont…
  5. Q5En ajoutant en parallèle avec la thermistance, un résistor convenablement choisi, on obtient une résistance…
  6. Q6On souhaite obtenir une tension proportionnelle à la température. Pour cela, la résistance est insérée dans…
  7. Q7Pourquoi peut-on envisager un fonctionnement en régime linéaire ? Que vaut alors la tension d'entrée de…
  8. Q8Déterminer la tension de sortie du montage en fonction de, et de la différence.
Voir les 42 autres questions
  1. Q9Vérifier que pour la plage de température considérée, l'hypothèse du régime linéaire est validée.
  2. Q10La tension précédente est placée à l'entrée du montage suivant dans lequel AL2 et AL3 sont des A.L.I…
  3. Q11Montrer que pour une valeur bien choisie de que l'on précisera, la tension correspond exactement à la…
  4. Q12Déterminer la fréquence des signaux émis; préciser le domaine correspondant.
  5. Q13On mesure la longueur d'onde du signal, ainsi que la durée qui sépare la réception et l'émission de…
  6. Q14Rappeler les équations de Maxwell dans le vide (donc dans le milieu).
  7. Q15On cherche une solution de ces équations pour le champ électrique associé à l'onde sous la forme: A partir…
  8. Q16Déduire d'une seconde équation de Maxwell l'expression du champ magnétique dans le milieu, sachant qu'on…
  9. Q17A quelle condition sur, les deux autres équations de Maxwell sont-elles satisfaites ?
  10. Q18On souhaite déterminer l'intensité du courant circulant le long du câble; pour cela, on se propose…
  11. Q19Exprimer la puissance moyenne temporelle transportée par l'onde à travers le câble en fonction de,,,,.
  12. Q20La profondeur du lac étant de l'ordre de, évaluer la pression en bars au fond du lac, en précisant les…
  13. Q21On souhaite vérifier la valeur de cette pression à l'aide d'un capteur magnétique. Ce dernier comprend une…
  14. Q22Exprimer le flux propre de ce champ magnétique à travers la bobine et en déduire l'expression de son…
  15. Q23Le capteur inductif de pression est formé par la bobine à l'intérieur de laquelle on introduit un barreau…
  16. Q24La mesure consiste à régler et de façon à ce que la tension entre les points A et B soit nulle. Montrer…
  17. Q25En déduire les expressions de et en fonction de,, et.
  18. Q26On fixe et, et on mesure et. Calculer et, puis vérifier que cette dernière valeur est compatible avec la…
  19. Q27Les équations de la trajectoire sont données par les relations: et où est une constante positive. Exprimer…
  20. Q28Exprimer le vecteur position et le vecteur vitesse du point en fonction de et de leurs dérivées temporelles.
  21. Q29Montrer que l'énergie mécanique de l'enfant peut se mettre sous la forme:, où et sont des constantes à…
  22. Q30Déterminer la vitesse de l'enfant en sortie de toboggan en fonction de et.
  23. Q31Déterminer l'équation différentielle satisfaite par et en déduire la durée de la descente en fonction de et.
  24. Q32Si on prend en compte une force de frottement de norme constante, exprimer l'énergie perdue par l'enfant au…
  25. Q33Calculer la fraction de volume immergé des flotteurs lorsque l'équilibre vertical est réalisé.
  26. Q34La force de norme exercée par le vacancier sur le pédalier est modélisée sur la figure suivante. Dans…
  27. Q35On considère que le moment du couple moyen exercé sur le pédalier correspond à la moyenne des 2 valeurs…
  28. Q36Lorsque l'assistance électrique est sollicitée, il apparait par induction dans le circuit une force contre…
  29. Q37Déterminer le moment résultant des forces de Laplace qui s'exercent sur la tige OC par rapport à l'axe, puis…
  30. Q38De quel pourcentage l'effort du vacancier est-t-il réduit ?
  31. Q39Calculer le rapport en précisant son unité.
  32. Q40Le gel de l'eau induit un transfert thermique de l'eau vers l'air. Que vaut ce transfert thermique lors du…
  33. Q41Que vaudrait le transfert thermique cédé par la glace lors du gel de la totalité du lac ? On donnera le…
  34. Q42Dans l'hypothèse où varie lentement (régime quasi-stationnaire), justifier que la température dans la glace…
  35. Q43Entre les instants et, varie de. Exprimer, pour cet intervalle de temps, le transfert thermique cédé par…
  36. Q44Exprimer, pour ce même intervalle de temps, le transfert thermique conductif dans la couche de glace du bas…
  37. Q45La continuité du flux thermique à l'interface glace-air impose:. En déduire l'expression de en fonction de…
  38. Q46La continuité du flux thermique à l'interface eau-glace impose:. En déduire que vérifie l'équation…
  39. Q47Intégrer l'équation précédente et montrer que vérifie une équation du second degré.
  40. Q48En déduire l'expression de tant que le lac n'est pas gelé dans sa totalité.
  41. Q49En fonction de et, exprimer un temps caractéristique de l'évolution de, et en donner un ordre de grandeur…
  42. Q50En fonction de et, exprimer un temps caractéristique de la diffusion dans la glace sur la longueur, et en…

Description

L'épreuve de physique A PT de la Banque PT 2022 (4 heures) porte sur le lac de Joux en Suisse et comporte trois parties largement indépendantes. La première étudie des capteurs pour mesurer la température et la profondeur du lac (thermistance, amplificateur linéaire intégré, ultrasons, propagation électromagnétique). La deuxième étudie le mouvement mécanique de deux vacanciers sur le lac. La troisième analyse l'évolution temporelle du gel du lac en hiver.

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Lecture du sujet en ligne

L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.
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Epreuve de Physique A

Durée 4 h

Si, au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, d'une part il le signale au chef de salle, d'autre part il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en indiquant les raisons des initiatives qu'il est amené à prendre.

L'usage de calculatrices est interdit.

AVERTISSEMENT

La présentation, la lisibilité, l'orthographe, la qualité de la rédaction, la clarté et la précision des raisonnements entreront pour une part importante dans l'appréciation des copies. En particulier, les résultats non justifiés ne seront pas pris en compte. Les candidats sont invités à encadrer les résultats de leurs calculs.

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 renseigné, 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
Dans ce sujet, on s'intéresse au lac de Joux situé en Suisse ; il s'agit du plus grand plan d'eau du massif jurassien et il constitue une destination de loisirs appréciée des amoureux de la nature et des sports de plein air, tant en été qu'en hiver.
Dans une première partie, on s'attachera à mesurer la température et la profondeur du lac.
Dans une seconde partie, on étudiera le mouvement de deux vacanciers en été.
Dans une troisième partie, on s'intéressera au gel du lac en hiver.

PARTIE A : MESURE DES CARACTERISTIQUES DU LAC

A. 1 Mesure de la température du lac

En été, la température du lac fluctue entre 18^∘C et 24^∘C (soit entre 291 K et 297 K ).
Pour la mesurer, on se propose d'utiliser une thermistance : il s'agit d'un composant ohmique dont la résistance dépend de la température selon la loi:
R(T) = R_0 e^(B(1/T − 1/(T_0))) où T est la température absolue en K et T_0 = 294 K.; et où R_0 et B sont des constantes positives.
  1. Tracer l'allure de la courbe R(T).
  2. Des mesures expérimentales ont permis de tracer ci-dessous en échelle semi-logarithmique, la courbe ln(R) en fonction de 1/T.
Expliquer en quoi ce graphe permet de valider la loi R(T) et de déterminer B et R_0.
On détermine ainsi : B = 3500 K et R_0 = 8000Ω.
3. On définit la sensibilité s (appelée aussi coefficient de température) de la thermistance par :
s = 1/R(dR)/(dT)
Déterminer, pour une température T voisine de T_0, l'expression de s en fonction de B et T_0.
4. L'expression précédente conduit à la valeur s = − 0, 04 K^(− 1). Serait-il préférable d'utiliser une résistance métallique dont le coefficient de température est typiquement de l'ordre de 0, 5% K^(− 1) ?
5. En ajoutant en parallèle avec la thermistance, un résistor convenablement choisi, on obtient une résistance totale R_t qui varie de façon quasi-affine avec la température autour de la valeur T_0, selon la loi : R_t(T) = R^′_0[1 + α(T − T_0)] avec R^′_0 = 5000Ω et α = − 2.10^(− 2) K^(− 1).
Quel inconvénient la linéarisation ainsi effectuée présente-t-elle ?
6. On souhaite obtenir une tension proportionnelle à la température. Pour cela, la résistance R_t est insérée dans le montage suivant :
Le montage comprend un générateur idéal de tension continue de force électromotrice E = 400 V et un A.L.I. (AL1) dont l'alimentation ( + 15 V, − 15 V ) n'est pas représentée.
La tension de saturation est U_(sat) = 15 V.
Quels sont les ordres de grandeur des intensités i^+et i^−des courants électriques d'entrée et du gain statique d'un A.L.I.
Que deviennent ces grandeurs dans le modèle de l'A.L.I. idéal ?
Dans toute la suite, les A.L.I. seront supposés idéaux.
7. Pourquoi peut-on envisager un fonctionnement en régime linéaire ? Que vaut alors la tension d'entrée (V^+ − V^−)de l'A.L.I. ?
8. Déterminer la tension de sortie u du montage en fonction de E, α et de la différence ( T − T_0 ).
9. Vérifier que pour la plage de température considérée, l'hypothèse du régime linéaire est validée.
10. La tension u précédente est placée à l'entrée du montage suivant dans lequel AL2 et AL3 sont des A.L.I. idéaux, identiques à AL1 et alimentés de la même façon. On donne R = 1kΩ.
Exprimer v en fonction de u puis w en fonction de v et E^′.
11. Montrer que pour une valeur bien choisie de E'que l'on précisera, la tension w correspond exactement à la température θ exprimée en ^∘ Celsius. (On rappelle θ(^∘C) = T(K) − 273 ).

A. 2 Mesure de la profondeur du lac par sonar

On souhaite mesurer la profondeur H du lac à l'aide d'un sonar comportant un émetteur et un récepteur :

Le sonar émet des impulsions électriques qui sont converties en ondes sonores par l'émetteur. Après réflexion sur le fond du lac, l'onde revient vers le sonar, et le récepteur convertit l'onde réfléchie en un signal électrique. Les signaux électriques sont observés sur l'oscilloscope ci-dessous.

12. Déterminer la fréquence f des signaux émis ; préciser le domaine correspondant.
13. On mesure la longueur d'onde du signal λ = 3, 75 cm, ainsi que la durée τ = 40 ms qui sépare la réception et l'émission de l'impulsion.
Exprimer la profondeur H du lac en fonction de λ, τ et f , puis calculer sa valeur.

A. 3 Etude de la liaison coaxiale

Dans les expériences précédentes, l'émetteur et le récepteur sont reliés à un système de détection par un câble coaxial.
Le câble, représenté ci-dessous, est constitué de 2 cylindres coaxiaux parfaitement conducteurs de même axe Oz (perpendiculaire au plan de la figure), de rayons respectifs R_1 = 3 mm et R_2 = 6 mm.
Ces cylindres sont séparés par un milieu noté 𝒮 qui, du point de vue électromagnétique, se comporte comme le vide, et on considère une onde électromagnétique se propageant dans 𝒮.
On note c = 3.10^8 m.s^(− 1) la célérité de cette onde.
Un point M(r, θ, z) du câble est repéré par ses coordonnées cylindriques d'axe Oz, et on donne les opérateurs dans ce système des coordonnées :
gradU^(→−) = (∂U_(u⃗_r))/(∂r) + 1/r(∂U_(u⃗_θ))/(∂θ) + (∂U_(u⃗_z))/(∂z); divU⃗ = 1/r(∂(rU_r))/(∂r) + 1/r(∂U_θ)/(∂θ) + (∂U_z)/(∂z); Rot^(→−)U⃗ = (1/r(∂U_z)/(∂θ) − (∂U_θ)/(∂z))u⃗_r + ((∂U_r)/(∂z) − (∂U_z)/(∂r))u⃗_θ + (1/r(∂(rU_θ))/(∂r) − 1/r(∂U_r)/(∂θ))u⃗_z
On note ε_0 la permittivité électrique du vide et μ_0 sa perméabilité magnétique.
14. Rappeler les équations de Maxwell dans le vide (donc dans le milieu 𝒮 ).
15. On cherche une solution de ces équations pour le champ électrique associé à l'onde sous la forme :
E→(r, z, t) = E(r)cos(ωt − kz)u→_r où ω et k sont des constantes positives.
A partir d'une des équations de Maxwell concernant le champ électrique, déterminer la fonction E(r) du champ dans le milieu 𝒮 en notant E(R_1) = E_0.
16. Déduire d'une seconde équation de Maxwell l'expression du champ magnétique B→(r, z, t) dans le milieu 𝒮, sachant qu'on n'envisage pas de composante statique de ce champ.
17. A quelle condition sur k, les deux autres équations de Maxwell sont-elles satisfaites ?
18. On souhaite déterminer l'intensité du courant i circulant le long du câble ; pour cela, on se propose d'appliquer le théorème d'Ampère sur un contour fermé circulaire de rayon r compris entre R_1 et R_2, et perpendiculaire à l'axe Oz.
Montrer que l'équation de Maxwell-Ampère conduit, dans le cas présent, à une formulation du théorème d'Ampère identique à celle du cas statique.
En déduire l'intensité i(t, z) du courant le long du cylindre intérieur.
19. Exprimer la puissance moyenne temporelle transportée par l'onde à travers le câble en fonction de E_0, ε_0, μ_0, R_1, R_2.

A. 4 Mesure de la profondeur du lac par capteur inductif de pression

  1. La profondeur du lac étant de l'ordre de 30 m , évaluer la pression en bars au fond du lac, en précisant les grandeurs utiles et leurs valeurs usuelles.
  2. On souhaite vérifier la valeur de cette pression à l'aide d'un capteur magnétique. Ce dernier comprend une bobine de longueur ℓ = 5 cm constituée d'un enroulement de N = 1000 spires de rayon R, de surface S = 0, 001 m^2 et représentée ci-dessous. On supposera R≪ℓ de façon à pouvoir négliger les effets de bords et de ce fait à considérer la bobine comme un solénoïde infini.
La bobine est parcourue par un courant d'intensité constante I et on se place dans le système des coordonnées cylindriques, l'axe Oz étant l'axe de symétrie de révolution du solénoïde et le point O étant situé en son centre.
Déterminer alors le champ magnétique créé en tout point intérieur au solénoïde, le champ étant supposé nul à l'extérieur.
22. Exprimer le flux propre de ce champ magnétique à travers la bobine et en déduire l'expression de son inductance propre L_0 en fonction de μ_0, N, S, ℓ. Le calcul numérique conduit à L_0 = 25mH.
23. Le capteur inductif de pression est formé par la bobine à l'intérieur de laquelle on introduit un barreau ferromagnétique. Cette introduction fait varier son inductance propre.
Le barreau pénètre plus ou moins dans la bobine sous l'effet d'une augmentation de la pression P par rapport à la pression atmosphérique P_0 = 1 bar et on admet que l'inductance devient alors L_1 = L_0(1 + β(P − P_0)/(P_0)) avec β = 0, 1.
Pour mesurer la valeur de L_1, on utilise le circuit suivant alimenté par un générateur de tension sinusoïdale e(t) de pulsation ω, et étudié en régime permanent.
La bobine est modélisée par l'association série d'une inductance L_1 et d'une résistance interne R_1; on notera Z_–_1 son impédance complexe.
Dans ce circuit, Z_–_2 est l'impédance correspondant à l'association parallèle d'un condensateur de capacité C_2 réglable et d'un résistor de résistance R_2 réglable.
R_3 et R_4 sont deux résistors de résistances fixes.
Exprimer les impédances Z_–_1 et Z_–_2.
24. La mesure consiste à régler R_2 et C_2 de façon à ce que la tension u entre les points A et B soit nulle. Montrer qu'on a alors la relation: Z_–_1 ⋅ Z_–_2 = R_3 ⋅ R_4.
25. En déduire les expressions de R_1 et L_1 en fonction de R_2, R_3, R_4 et C_2.
26. On fixe R_3 = 100Ω et R_4 = 10Ω, et on mesure R_2 = 100Ω et C_2 = 32, 5μ F.
Calculer R_1 et L_1, puis vérifier que cette dernière valeur est compatible avec la valeur de la pression P attendue.

PARTIE B : LE LAC EN ETE

Nous sommes en été et un enfant dévale un toboggan aquatique, tandis qu'un adulte traverse le lac en pédalo.

Cette partie s'intéresse à l'étude du mouvement de chacun de ces deux vacanciers.

B. 1 Etude de la descente en toboggan

Le toboggan est représenté sur la figure suivante.
Pour l'étude du mouvement, on propose le modèle suivant :
  • L'enfant de masse m = 50 kg, est assimilé à un point matériel M .
  • Le toboggan, de forme hélicoïdale, débute en A et se termine en B après 3 tours exactement ; il s'enroule sur un cylindre vertical de rayon R = 5 m. On néglige tout frottement.
  • A chaque tour complet, l'enfant descend d'une hauteur h.
Le point M, initialement immobile en A, est repéré par ses coordonnées cylindriques ( r, θ, z ), z étant la cote du point M sur l'axe de symétrie de la trajectoire, choisi vertical descendant.
L'origine O de l'axe Oz est choisie à l'intersection de cet axe et du plan horizontal passant par A .
On donne l'accélération de la pesanteur g = 10 m.s^(− 2).
On note ( u→_r, u→_θ, u→_z ) la base locale orthonormée directe associée au système des coordonnées cylindriques.
27. Les équations de la trajectoire sont données par les relations : r(θ) = R et z(θ) = γ ⋅ θ où γ est une constante positive. Exprimer h en fonction de γ.
28. Exprimer le vecteur position et le vecteur vitesse du point M en fonction de R, θ, z et de leurs dérivées temporelles θ˙, z˙.
29. Montrer que l'énergie mécanique de l'enfant peut se mettre sous la forme: E_m = 1/2Az˙^2 − Bz, où A et B sont des constantes à expliciter en fonction des données.
30. Déterminer la vitesse v_s de l'enfant en sortie de toboggan en fonction de g et h.
31. Déterminer l'équation différentielle satisfaite par z(t) et en déduire la durée T de la descente en fonction de A, B et h .
32. Si on prend en compte une force de frottement de norme constante F, exprimer l'énergie perdue par l'enfant au cours de la descente, en fonction de F, R et γ.

B. 2 Etude de la traversée en pédalo

Le pédalo avec son passager possède une masse totale M = 200 kg et il dispose de deux flotteurs, chacun de volume V = 0, 5 m^3. L'ensemble se déplace à vitesse constante sur le lac.
33. Calculer la fraction de volume immergé des flotteurs lorsque l'équilibre vertical est réalisé.
34. La force F⃗_(pied) de norme F_(pied) = 50 N exercée par le vacancier sur le pédalier est modélisée sur la figure suivante.
Situation (a)
Situation (b)
Dans chacune des situations (a) et (b), exprimer le moment de la force exercée par le vacancier par rapport à l'axe de rotation du pédalier.
35. On considère que le moment du couple moyen exercé sur le pédalier correspond à la moyenne des 2 valeurs précédentes. Sachant que le pédalier tourne à la vitesse constante ω = 10 rad. s^(− 1), évaluer la puissance moyenne développée par le vacancier.

B. 3 Mise en œuvre d'une assistance électrique

Le projet d'un groupe de lycéens est de mettre au point une assistance électrique sur le pédalo.
Pour cela, on installe un panneau qui transforme l'énergie solaire en énergie électrique. La tension E = 23 V ainsi récupérée alimente un petit moteur à courant continu.
On propose la modélisation très simplifiée suivante de ce moteur :
Une barre OC de longueur a et solidaire du pédalier, tourne autour de l'axe vertical Δ = Oz, son extrémité C s'appuyant sur le cercle conducteur horizontal de centre O et de rayon a = 1 m , et admettant l'axe Δ comme axe de symétrie orthogonal au cercle.
La barre et le cercle sont des conducteurs électriques. On néglige tout frottement.
Un circuit contenant le générateur de tension continue de force électromotrice E est connecté en O à la barre mobile et en D au cercle conducteur.
Un interrupteur K permet au cycliste de solliciter (K fermé) ou non (K ouvert) l'assistance électrique.
Lorsque K est fermé, la résistance totale du circuit OCDKO est R = 6Ω.
L'ensemble est placé dans un champ magnétique uniforme, constant et vertical B⃗ = Bu⃗_z avec B = 1T.
36. Lorsque l'assistance électrique est sollicitée, il apparait par induction dans le circuit une force contre électromotrice e = (ωBa^2)/2.
Exprimer alors l'intensité du courant dans le circuit, puis calculer sa valeur lorsque ω = 10 rad. s^(− 1).
37. Déterminer le moment résultant des forces de Laplace qui s'exercent sur la tige OC par rapport à l'axe Oz, puis la puissance correspondante.
38. De quel pourcentage l'effort du vacancier est-t-il réduit ?
Nous sommes en hiver et la température extérieure est de − 10^∘C; le lac gèle et devient la plus grande patinoire naturelle d'Europe.
On se propose de modéliser la croissance de la couche de glace à la surface du lac, en régime quasi stationnaire. On note H = 30 m la profondeur du lac, et S = 10 km^2 sa surface.
On suppose que l'eau est en permanence à la température de fusion T_e = 273 K.
L'air au-dessus du lac est à la température constante et uniforme T_a = 263 K et à la pression atmosphérique P_0 = 1 bar.
Libre de glace à l'instant t = 0, le lac se couvre progressivement d'une couche de glace dont l'épaisseur à l'instant t est ℓ(t); comme le montre la figure suivante, la position d'un point du lac est repérée par son abscisse x, l'axe Ox étant vertical descendant et l'origine O étant au niveau de la surface du lac.
air
Les caractéristiques de la glace sont les suivantes :
  • masse volumique μ = 990 kg.m^(− 3).
  • conductivité thermique λ = 2, 1 W ⋅ m^(− 1) ⋅ K^(− 1).
  • enthalpie massique de fusion (à T_e = 273 K ) Δh_f = 335 kJ^(kJ)kg^(− 1).
  • capacité thermique massique c_g = 2, 1 kJ ⋅ kg^(− 1) ⋅ K^(− 1).
On fait les deux hypothèses suivantes relatives aux transferts thermiques convectifs :
  • Le transfert thermique par convection à l'interface glace-air, pour une surface S de glace, pendant la durée dt, est donné par la relation δQ_c = h(T_0(t) − T_a).S.dt, où T_0(t) = T(x = 0, t) est la température de la glace en x = 0. La température T_0 est comprise entre T_a et T_e(T_a < T_0 < T_e) de sorte que ce transfert s'effectue de la glace vers l'air. On donne h = 42 W ⋅ m^(− 2) ⋅ K^(− 1).
  • Le transfert thermique par convection à l'interface eau-glace est négligé, de sorte que la température à cette interface est constamment à la température de l'eau: T(x = ℓ, t) = T_e.
On rappelle l'équation de diffusion thermique dans la glace: λ(∂^2 T)/(∂x^2) = μc_g(∂T)/(∂t).
39. Calculer le rapport ℓ_0 = λ / hen précisant son unité.
40. Le gel de l'eau induit un transfert thermique de l'eau vers l'air.
Que vaut ce transfert thermique q lors du gel de 1 kg de glace ?
41. Que vaudrait le transfert thermique Q cédé par la glace lors du gel de la totalité du lac ? On donnera le résultat sous forme d'une puissance de 10.
42. Dans l'hypothèse où T_0(t) varie lentement (régime quasi-stationnaire), justifier que la température T(x) dans la glace (pour x variant de 0 à ℓ ) peut s'écrire sous la forme :
T(x) = ax + b où les constantes a et b sont à exprimer en fonction de T_0, T_e et de ℓ.
  1. Entre les instants t et t + dt, ℓ(t) varie dedℓ. Exprimer, pour cet intervalle de temps dt , le transfert thermique δQ_1 cédé par l'eau lors de sa solidification, en fonction notamment de q.
  2. Exprimer, pour ce même intervalle de temps, le transfert thermique conductif δQ_2 dans la couche de glace du bas vers le haut, en fonction notamment de la différence ( T_e − T_0(t) ).
  3. La continuité du flux thermique à l'interface glace-air impose: δQ_c = δQ_2.
En déduire l'expression de T_0(t) en fonction de T_e, T_a, ℓ_0 et de ℓ(t).
46. La continuité du flux thermique à l'interface eau-glace impose: δQ_c = δQ_1.
En déduire que ℓ(t) vérifie l'équation différentielle de la forme suivante : (dℓ)/(dt) + ℓ/(ℓ_0)(dℓ)/(dt) = v_0 où v_0 est une constante homogène à une vitesse, que l'on exprimera en fonction de h, μ, q, T_e et T_a.
47. Intégrer l'équation précédente et montrer que ℓ(t) vérifie une équation du second degré.
48. En déduire l'expression de ℓ(t) tant que le lac n'est pas gelé dans sa totalité.
49. En fonction de ℓ_0 et v_0, exprimer un temps caractéristique τ de l'évolution de ℓ(t), et en donner un ordre de grandeur sachant que v_0 est de l'ordre de 10^(− 6) m.s^(− 1).
50. En fonction de ℓ_0, λ, c_g et μ, exprimer un temps caractéristique τ^′ de la diffusion dans la glace sur la longueur ℓ_0, et en donner un ordre de grandeur. Conclure sur l'hypothèse du régime quasistationnaire faite à la question 42.

Fin de l'épreuve

Questions fréquentes

4 questions
Sur quoi porte le sujet de physique A PT Banque PT 2022 ?
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Sur quoi porte le sujet de physique A PT Banque PT 2022 ?

Sur le lac de Joux en Suisse : mesure de sa température et de sa profondeur, mouvement mécanique de deux vacanciers, et évolution du gel du lac en hiver.

Le sujet de physique A PT Banque PT 2022 est-il difficile ?

Le jury indique que beaucoup de calculs et applications numériques étaient d'une difficulté très raisonnable.

Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées en physique A PT 2022 ?

Une confusion entre sensibilité et incertitude, l'oubli du facteur 2 dans le calcul de la profondeur par sonar, des équations de Maxwell mal simplifiées dans le vide, et une énergie cinétique incomplète en mécanique.

Quels domaines du programme de PT sont testés dans ce sujet de physique A 2022 ?

L'électricité, l'électronique, l'électromagnétisme, la mécanique et la diffusion thermique, selon le rapport du jury.

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