Banque PT Physique A PT 2022Sujet, corrigé et rapport du jury
Étude physico-chimique et modélisation du lac de Joux
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
- Partie A : MESURE DES CARACTERISTIQUES DU LAC11/26En partie
- Partie B : LE LAC EN ETE11/12En partie
- Partie C : LE LAC EN HIVER2/12En partie
Téléchargements
Présentation du sujet
AccessibleLe lac de Joux : mesure de température et de profondeur, mouvement de vacanciers et gel du lacAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
AccessibleL'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.
- 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.
- 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.
- 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 relevéesSensibilité confondue avec l'incertitude · Facteur 2 du sonar oublié · Densité de courant non annulée dans le videAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLe 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
- 1Sensibilité 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 »
- 2Facteur 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 »
- 3Densité 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 »
- 4Énergie 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 »
- 5Puissance 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 »
- 6Transfert 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 questionsIndice, stratégie puis corrigé complet pour chaque question.Afficher ou masquer la section
Corrigé détaillé
50 questions50 questions corrigées une à une : un indice, puis la stratégie, puis le corrigé complet avec le résultat encadré. Chaque question est vérifiée avant publication.
- Q1Tracer l'allure de la courbe.
- Q2Des mesures expérimentales ont permis de tracer ci-dessous en échelle semi-logarithmique, la courbe en…
- Q3On définit la sensibilité (appelée aussi coefficient de température) de la thermistance par: Déterminer…
- Q4L'expression précédente conduit à la valeur. Serait-il préférable d'utiliser une résistance métallique dont…
- Q5En ajoutant en parallèle avec la thermistance, un résistor convenablement choisi, on obtient une résistance…
- Q6On souhaite obtenir une tension proportionnelle à la température. Pour cela, la résistance est insérée dans…
- Q7Pourquoi peut-on envisager un fonctionnement en régime linéaire ? Que vaut alors la tension d'entrée de…
- Q8Déterminer la tension de sortie du montage en fonction de, et de la différence.
Voir les 42 autres questionsMasquer les autres questions
- Q9Vérifier que pour la plage de température considérée, l'hypothèse du régime linéaire est validée.
- Q10La tension précédente est placée à l'entrée du montage suivant dans lequel AL2 et AL3 sont des A.L.I…
- Q11Montrer que pour une valeur bien choisie de que l'on précisera, la tension correspond exactement à la…
- Q12Déterminer la fréquence des signaux émis; préciser le domaine correspondant.
- Q13On mesure la longueur d'onde du signal, ainsi que la durée qui sépare la réception et l'émission de…
- Q14Rappeler les équations de Maxwell dans le vide (donc dans le milieu).
- Q15On cherche une solution de ces équations pour le champ électrique associé à l'onde sous la forme: A partir…
- Q16Déduire d'une seconde équation de Maxwell l'expression du champ magnétique dans le milieu, sachant qu'on…
- Q17A quelle condition sur, les deux autres équations de Maxwell sont-elles satisfaites ?
- Q18On souhaite déterminer l'intensité du courant circulant le long du câble; pour cela, on se propose…
- Q19Exprimer la puissance moyenne temporelle transportée par l'onde à travers le câble en fonction de,,,,.
- Q20La profondeur du lac étant de l'ordre de, évaluer la pression en bars au fond du lac, en précisant les…
- Q21On souhaite vérifier la valeur de cette pression à l'aide d'un capteur magnétique. Ce dernier comprend une…
- Q22Exprimer le flux propre de ce champ magnétique à travers la bobine et en déduire l'expression de son…
- Q23Le capteur inductif de pression est formé par la bobine à l'intérieur de laquelle on introduit un barreau…
- Q24La mesure consiste à régler et de façon à ce que la tension entre les points A et B soit nulle. Montrer…
- Q25En déduire les expressions de et en fonction de,, et.
- Q26On fixe et, et on mesure et. Calculer et, puis vérifier que cette dernière valeur est compatible avec la…
- Q27Les équations de la trajectoire sont données par les relations: et où est une constante positive. Exprimer…
- Q28Exprimer le vecteur position et le vecteur vitesse du point en fonction de et de leurs dérivées temporelles.
- Q29Montrer que l'énergie mécanique de l'enfant peut se mettre sous la forme:, où et sont des constantes à…
- Q30Déterminer la vitesse de l'enfant en sortie de toboggan en fonction de et.
- Q31Déterminer l'équation différentielle satisfaite par et en déduire la durée de la descente en fonction de et.
- Q32Si on prend en compte une force de frottement de norme constante, exprimer l'énergie perdue par l'enfant au…
- Q33Calculer la fraction de volume immergé des flotteurs lorsque l'équilibre vertical est réalisé.
- Q34La force de norme exercée par le vacancier sur le pédalier est modélisée sur la figure suivante. Dans…
- Q35On considère que le moment du couple moyen exercé sur le pédalier correspond à la moyenne des 2 valeurs…
- Q36Lorsque l'assistance électrique est sollicitée, il apparait par induction dans le circuit une force contre…
- Q37Déterminer le moment résultant des forces de Laplace qui s'exercent sur la tige OC par rapport à l'axe, puis…
- Q38De quel pourcentage l'effort du vacancier est-t-il réduit ?
- Q39Calculer le rapport en précisant son unité.
- Q40Le gel de l'eau induit un transfert thermique de l'eau vers l'air. Que vaut ce transfert thermique lors du…
- Q41Que vaudrait le transfert thermique cédé par la glace lors du gel de la totalité du lac ? On donnera le…
- Q42Dans l'hypothèse où varie lentement (régime quasi-stationnaire), justifier que la température dans la glace…
- Q43Entre les instants et, varie de. Exprimer, pour cet intervalle de temps, le transfert thermique cédé par…
- Q44Exprimer, pour ce même intervalle de temps, le transfert thermique conductif dans la couche de glace du bas…
- Q45La continuité du flux thermique à l'interface glace-air impose:. En déduire l'expression de en fonction de…
- Q46La continuité du flux thermique à l'interface eau-glace impose:. En déduire que vérifie l'équation…
- Q47Intégrer l'équation précédente et montrer que vérifie une équation du second degré.
- Q48En déduire l'expression de tant que le lac n'est pas gelé dans sa totalité.
- Q49En fonction de et, exprimer un temps caractéristique de l'évolution de, et en donner un ordre de grandeur…
- 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.
Ces sujets peuvent vous intéresser
Lecture du sujet en ligne
L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.Afficher ou masquer la section
Lecture du sujet en ligne
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 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 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
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:
- Tracer l'allure de la courbe
R(T) . - Des mesures expérimentales ont permis de tracer ci-dessous en échelle semi-logarithmique, la courbe
ln(R) en fonction de1/T .

On détermine ainsi :
3. On définit la sensibilité
4. L'expression précédente conduit à la valeur
5. En ajoutant en parallèle avec la thermistance, un résistor convenablement choisi, on obtient une résistance totale
6. On souhaite obtenir une tension proportionnelle à la température. Pour cela, la résistance

Quels sont les ordres de grandeur des intensités
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
8. Déterminer la tension de sortie u du montage en fonction de
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
.jpg)
11. Montrer que pour une valeur bien choisie de E'que l'on précisera, la tension w correspond exactement à la température
A. 2 Mesure de la profondeur du lac par sonar
.jpg)

.jpg)
12. Déterminer la fréquence
13. On mesure la longueur d'onde du signal
A. 3 Etude de la liaison coaxiale

14. Rappeler les équations de Maxwell dans le vide (donc dans le milieu
15. On cherche une solution de ces équations pour le champ électrique associé à l'onde sous la forme :
16. Déduire d'une seconde équation de Maxwell l'expression du champ magnétique
17. A quelle condition sur
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
19. Exprimer la puissance moyenne temporelle transportée par l'onde à travers le câble en fonction de
A. 4 Mesure de la profondeur du lac par capteur inductif de pression
- 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.
- 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 deN = 1000 spires de rayonR , de surfaceS = 0, 001 m^2 et représentée ci-dessous. On supposeraR≪ℓ de façon à pouvoir négliger les effets de bords et de ce fait à considérer la bobine comme un solénoïde infini.

22. Exprimer le flux propre de ce champ magnétique à travers la bobine et en déduire l'expression de son inductance propre
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.

24. La mesure consiste à régler
25. En déduire les expressions de
26. On fixe
PARTIE B : LE LAC EN ETE

.jpg)
B. 1 Etude de la descente en toboggan
.jpg)
- 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 enB après 3 tours exactement ; il s'enroule sur un cylindre vertical de rayonR = 5 m . On néglige tout frottement. - A chaque tour complet, l'enfant descend d'une hauteur
h .
On note (
27. Les équations de la trajectoire sont données par les relations :
28. Exprimer le vecteur position et le vecteur vitesse du point
29. Montrer que l'énergie mécanique de l'enfant peut se mettre sous la forme:
30. Déterminer la vitesse
31. Déterminer l'équation différentielle satisfaite par
32. Si on prend en compte une force de frottement de norme constante
B. 2 Etude de la traversée en pédalo
33. Calculer la fraction de volume immergé des flotteurs lorsque l'équilibre vertical est réalisé.
34. La force

.jpg)
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
B. 3 Mise en œuvre d'une assistance électrique
Pour cela, on installe un panneau qui transforme l'énergie solaire en énergie électrique. La tension

Un circuit contenant le générateur de tension continue de force électromotrice
Lorsque K est fermé, la résistance totale du circuit OCDKO est R
L'ensemble est placé dans un champ magnétique uniforme, constant et vertical
36. Lorsque l'assistance électrique est sollicitée, il apparait par induction dans le circuit une force contre électromotrice
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 ?
.jpg)
On suppose que l'eau est en permanence à la température de fusion
L'air au-dessus du lac est à la température constante et uniforme

- 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) .
- Le transfert thermique par convection à l'interface glace-air, pour une surface
S de glace, pendant la durée dt, est donné par la relationδQ_c = h(T_0(t) − T_a) .S.dt, oùT_0(t) = T(x = 0, t) est la température de la glace enx = 0 . La températureT_0 est comprise entreT_a etT_e(T_a < T_0 < T_e) de sorte que ce transfert s'effectue de la glace vers l'air. On donneh = 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 .
39. Calculer le rapport
40. Le gel de l'eau induit un transfert thermique de l'eau vers l'air.
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
- Entre les instants t et
t + dt, ℓ(t) variededℓ . Exprimer, pour cet intervalle de temps dt , le transfert thermiqueδQ_1 cédé par l'eau lors de sa solidification, en fonction notamment de q. - 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) ). - La continuité du flux thermique à l'interface glace-air impose:
δQ_c = δQ_2 .
46. La continuité du flux thermique à l'interface eau-glace impose:
47. Intégrer l'équation précédente et montrer que
48. En déduire l'expression de
49. En fonction de
50. En fonction de
Fin de l'épreuve
Questions fréquentes
4 questionsSur quoi porte le sujet de physique A PT Banque PT 2022 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur 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.
Pas de description pour le moment
