Banque PT Physique A PT 2023Sujet, corrigé et rapport du jury
Balade islandaise
- Diffusion et transferts thermiques
- Thermodynamique
- Conversion de puissance
- Électrocinétique et électronique
- Électromagnétisme
- Mécanique
Faisable en sup ?
Faisable en partie en PTSI : 26 questions sur 44, parties III et IV en entier. Autres questions faisables en PTSI
Autres premières années : MPSI 19 · PCSI 28 · MP2I 20 · BCPST1 14 questions.
Détail par partie
- Partie I : Les geysers4/6En partie
- Partie II : Le transport d'eau chaude pour le chauffage0/162e année
- Partie III : Les centrales géothermiques14/14Faisable
- Partie IV : Prévention des conséquences des séismes8/8Faisable
Téléchargements
Présentation du sujet
Difficulté moyenneBalade islandaise : geysers, chauffage géothermique urbain, centrale géothermique et sismographeAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Difficulté moyenneLe sujet, intitulé « Balade islandaise », explore la géothermie en Islande à travers quatre parties indépendantes : les geysers, le transport d'eau chaude par pipeline, le fonctionnement d'une centrale géothermique et un sismographe destiné à étudier les séismes provoqués par les forages. Il combine statique des fluides, thermodynamique, électromagnétisme et mécanique du point autour d'applications concrètes.
- 1Partie I : les geysers (environ 15 % du barème)Étude statique d'une colonne d'eau dans une cheminée volcanique, puis de la vaporisation de l'eau dans une cavité profonde.
- 2Partie II : le transport d'eau chaude pour le chauffage (environ 30 % du barème)Étude du profil de température dans l'épaisseur d'un pipeline (II-A), puis de l'évolution de la température de l'eau le long de la conduite à l'aide du premier principe pour un système ouvert (II-B).
- 3Partie III : les centrales géothermiques (environ 30 % du barème)Analyse du fonctionnement d'une centrale géothermique (III-A), modélisation de l'alternateur par induction (III-B) et du transformateur élévateur de tension pour le transport de l'électricité (III-C).
- 4Partie IV : prévention des conséquences des séismes (environ 25 % du barème)Modélisation d'un sismographe vertical comme oscillateur mécanique amorti et forcé, étude du régime critique et du filtrage.
Difficulté moyenne. Le jury indique que les parties, indépendantes les unes des autres, devaient permettre à la majorité des candidats d'obtenir une note convenable même sans être à l'aise dans tous les domaines, mais constate que trop de copies montrent une assimilation approximative du cours des deux années.
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesStatique des fluides mal maîtrisée en partie I · Questions de cours trop souvent délaissées · Confusions récurrentes sur la résistance thermique (partie II-A)Afficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesLe jury a pu classer les candidats efficacement grâce à ce sujet qui couvre des domaines variés du programme de physique des deux années de préparation. Il regrette que les questions de cours, pourtant valorisées au barème, aient été très peu traitées, alors que des candidats bien préparés ont réussi l'essentiel du sujet.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Statique des fluides mal maîtrisée en partie IQ1
Sur la question 1, le jury relève des formules non homogènes, une confusion entre masse et masse volumique, et l'intégration de la formule à démontrer dans la démonstration elle-même.
« un festival de formules non homogènes »
- 2Questions de cours trop souvent délaisséesQ16
La démonstration du premier principe pour un système ouvert en régime stationnaire, en partie II-B, est rarement menée à bien : la notion de stationnarité est mal exploitée et le caractère massique des grandeurs n'est souvent pas souligné.
« Question de cours très rarement bien faite »
- 3Confusions récurrentes sur la résistance thermique (partie II-A)Q10, Q14
La définition de la résistance thermique n'est pas toujours connue, ce qui empêche certains candidats de l'établir. D'autres mettent les résistances en parallèle au lieu de les mettre en série.
« la définition de la résistance thermique pas toujours sue donc pas établie »
- 4Application fausse du théorème d'Ampère en induction (partie III-B)Q26
Alors que la question 26 devait aider les candidats à calculer la force électromotrice puis l'intensité induite à partir du flux magnétique, un grand nombre d'entre eux appliquent le théorème d'Ampère de façon incorrecte.
« une application fausse du théorème d’Ampère »
- 5Erreurs de signe et confusions dans l'oscillateur amorti (partie IV)Q37, Q39
De nombreuses erreurs de signe apparaissent dans l'équation différentielle de la question 37, et le régime critique est fréquemment confondu avec le régime non amorti à la question 39.
« confusion fréquente entre régime critique et régime non amorti »
Ce qui a été bien réussi
- Certains candidats ont traité avec réussite l'essentiel du sujet, ce qui montre que cela était possible pour un étudiant maîtrisant bien son cours.
- La question 4, sur la température de vaporisation dans les cavités, a souvent été traitée correctement.
- La question 11, sur la résistance associée à la diffusion thermique, a obtenu plus de réussite, même si des confusions subsistent entre conductance et résistance.
- Quelques candidats ont mené à bien l'ensemble de la partie III-B sur l'alternateur, y compris le bilan énergétique final de la question 29.
Conseils du jury
- Traiter en priorité les questions de cours, souvent placées en début de partie : elles sont valorisées au barème et permettent de mobiliser les connaissances nécessaires pour la suite.
- Toujours justifier une réponse plutôt que la deviner, en particulier pour les résultats qualitatifs comme l'allure d'une courbe ou un ordre de grandeur.
- Vérifier l'homogénéité des formules utilisées, notamment en mécanique des fluides.
- Ne pas hésiter à accompagner une démonstration d'un schéma quand c'est pertinent, par exemple pour un profil de température.
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
Corrigé détaillé
44 questionsIndice, stratégie puis corrigé complet pour chaque question.Afficher ou masquer la section
Corrigé détaillé
44 questions44 questions corrigées une à une : un indice, puis la stratégie, puis le corrigé complet avec le résultat encadré. Chaque question est vérifiée avant publication.
- Q1Établir la condition d'équilibre d'une tranche cylindrique de section et d'épaisseur (figure 1) de la…
- Q2En déduire l'expression de la pression dans une cavité à la profondeur quand la colonne de la cheminée est…
- Q3On donne la formule empirique de la pression saturante de l'eau à la température (pour): Pourquoi n'y a-t-il…
- Q4Au bout d'un temps suffisamment long l'eau des cavités se réchauffe en contact avec les roches proches du…
- Q5Quelle est la valeur de la température de changement d'état ? Quelle est alors la masse d'eau vaporisée ?
- Q6Quel est l'ordre de grandeur en litre du volume de gaz qui va « pousser » l'eau de la cheminée ? Expliquer…
- Q7Rappeler la loi de Fourier en donnant les noms des grandeurs y figurant. Quelle est leur signification…
- Q8Justifier le fait que la puissance thermique qui traverse une longueur de tuyau est indépendante de.
Voir les 36 autres questionsMasquer les autres questions
- Q9Évaluer l'expression du flux qui traverse la section dans le sens des croissants en fonction des données…
- Q10Définir la résistance thermique de la barre et l'exprimer en fonction des caractéristiques de celle-ci.
- Q11En déduire la résistance associée à la diffusion thermique pour une longueur de tuyau. Faire l'application…
- Q12Tracer l'allure du profil de température entre et.
- Q13Que valent les deux résistances associées à la conducto-convection ?
- Q14Quel est le schéma électrique équivalent ? Quelle est la conductance thermique par unité de longueur de…
- Q15Application numérique: déterminer l'ordre de grandeur de.
- Q16Rappeler la démonstration à l'aide du premier principe pour un écoulement stationnaire unidimensionnel dans…
- Q17Quelle est la vitesse de l'eau à l'entrée ? Pourquoi peut-elle être supposée uniforme dans le tuyau ?
- Q18On suppose par la suite que la température de l'eau ne dépend que de la variable, et on néglige les…
- Q19En déduire que l'équation différentielle vérifiée par peut s'écrire sous la forme en précisant expression et…
- Q20En déduire la loi de température ?
- Q21Quelle est la température de l'eau quand elle arrive dans la capitale Reykjavik (altitude 40 m) qui est à…
- Q22Justifier qu'on puisse négliger la variation d'énergie potentielle de pesanteur en question 18 ainsi que la…
- Q23Préciser quelle est la forme d'énergie transmise de la turbine à l'alternateur ainsi que celle transmise de…
- Q24La centrale de Svarsengi produit une puissance électrique nette de 80 MW. Déterminer la quantité de dioxyde…
- Q25Expliquer pourquoi il y a des phénomènes d'induction.
- Q26Exprimer l'intensité du courant dans le circuit C en fonction de l'angle entre la normale au plan des spires…
- Q27Établir l'expression du moment résultant des forces de Laplace exercées sur le circuit C. On rappelle qu'une…
- Q28Quel couple faut-il exercer pour maintenir la vitesse de rotation constante ? Est-il moteur ou résistant ?
- Q29Calculer la puissance moyenne du moment des forces de Laplace. Comparer à la puissance électrique moyenne…
- Q30Comparer dans ce modèle la puissance reçue au primaire à celle cédée au secondaire.
- Q31On ferme le circuit secondaire sur une impédance. Quelle est l'impédance d'entrée vue du primaire ?
- Q32Vue depuis le transformateur d'élévation de la tension, la ligne à haute tension est modélisable par un…
- Q33Á Svarsengi la valeur efficace de la tension primaire vaut 11 kV et la tension efficace du secondaire vaut…
- Q34L'alternateur de la centrale a un comportement inductif. Quel phénomène pourrait-il se produire quand on…
- Q35On ne tient plus compte de l'effet capacitif de la ligne qui est modélisée par une résistance. Elle alimente…
- Q36Expliquer pourquoi le fait d'avoir placé le transformateur rehausseur diminue les pertes Joule dans la ligne…
- Q37Que vaut la longueur du ressort à l'équilibre (fig 9a) ?
- Q38Le point P étant en mouvement (fig 9b), établir l'équation différentielle à laquelle obéit.
- Q39Á quelle valeur du coefficient de frottement correspond le régime critique ? Exprimer alors la forme…
- Q40Tracer l'allure de correspondant au régime critique dans le cas et.
- Q41Établir en utilisant les grandeurs complexes l'expression de l'amplitude complexe de en fonction de, et. Que…
- Q42Montrer qu'il existe une valeur minimale du facteur de qualité Q à partir de laquelle l'amplitude réelle du…
- Q43Établir les comportements à haute fréquence et à basse fréquence du filtre. Justifier que le diagramme de…
- Q44On veut que le sismographe suive au plus près les mouvements sismiques verticaux du lieu (proche du forage…
Description
Le sujet, intitulé « Balade islandaise », explore la géothermie en Islande à travers quatre parties indépendantes : les geysers, le transport d'eau chaude par pipeline, le fonctionnement d'une centrale géothermique et un sismographe destiné à étudier les séismes provoqués par les forages. Il combine statique des fluides, thermodynamique, électromagnétisme et mécanique du point autour d'applications concrètes.
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
Durée 4 h
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
Balade islandaise
Les parties I et II aborde les aspects géothermiques en faisant essentiellement appel à la thermodynamique. La partie III s'intéresse aux centrales géothermiques en faisant appel aux phénomènes d'induction. La partie IV aborde le principe d'un sismographe en faisant essentiellement appel à la mécanique
Les différentes parties sont indépendantes.
Données, formules, notations utiles
On note
L'eau à l'état gaz est assimilée à un gaz parfait de masse molaire
L'eau à l'état liquide est caractérisée par :
-une viscosité négligeable
- une conductivité thermique infinie,
- une masse volumique supposée invariante et uniforme égale à
ρ = 1000 kg ⋅ m^(− 3) - et une capacité thermique massique
c = 4, 2 kJ ⋅ K^(− 1) ⋅ kg^(− 1) .
Le phénomène de conducto-convection (entre un solide de température de surface
Partie I: les geysers (environ 15% du barème)
- Établir la condition d'équilibre d'une tranche cylindrique de section
S et d'épaisseur dz (figure 1) de la colonne d'eau (du sommet de la cheminée jusqu'au niveau de la cavité la plus profonde) soumise à la pesanteur et aux forces de pression. On explicitera le lien entre champ de pesanteur, masse volumique et gradient de pression.
On considère le champ de pesanteur uniforme égal àg⃗ = − g_0 e_z→ avecg_0 = 10 m ⋅ s^(− 2)

.jpg)
- En déduire l'expression de la pression dans une cavité à la profondeur
H quand la colonne de la cheminée est remplie. On rappelle que la pression à l'altitudez = 0 vautP(z = 0) = P^0 avecP^0 = 1 bar Quelle est la valeur de la surpression pourH = 150 m ? - On donne la formule empirique de la pression saturante
P_(sat) de l'eau à la températureT (pourT > 273 K ) :

.jpg)
- Au bout d'un temps suffisamment long l'eau des cavités se réchauffe en contact avec les roches proches du magma. Quelle est la valeur de la température
T(H) , dans une cavité à la profondeurH , pour laquelle l'eau qu'elle contient va se vaporiser ?
Application:
5) Quelle est la valeur de la température de changement d'état ? Quelle est alors la masse d'eau vaporisée ?
6) Quel est l'ordre de grandeur en litre du volume de gaz qui va « pousser » l'eau de la cheminée ? Expliquer pourquoi le phénomène est intermittent et nécessite la présence de roches non-poreuses.
Partie II: le transport d'eau chaude pour le chauffage (environ 30% du barème)

.jpg)
II-A profil de température dans l'épaisseur du pipe-line
- Rappeler la loi de Fourier en donnant les noms des grandeurs y figurant. Quelle est leur signification physique ?
.jpg)
8) Justifier le fait que la puissance thermique
9) Évaluer l'expression du flux
10)Définir la résistance thermique de la barre et l'exprimer en fonction des caractéristiques de celle-ci.

11)En déduire la résistance
12) Tracer l'allure du profil de température
13)Que valent les deux résistances associées à la conducto-convection?
14) Quel est le schéma électrique équivalent? Quelle est la conductance
15) Application numérique : déterminer l'ordre de grandeur de
II-B température de l'eau dans la conduite
- Rappeler la démonstration à l'aide du premier principe pour un écoulement stationnaire unidimensionnel dans un système ouvert (à une entrée et une sortie) du «principe industriel»:
Δh + Δe_(mec) = q + w_u en précisant la signification physique des grandeurs écrites.
L'eau liquide est introduite dans les tuyaux au niveau de la station de pompage avec un débit volumiqueD_v = 500 L ⋅ s^(− 1) et à une température égale àT_0 = 363 K = 90^∘C . La température extérieure est notéeT_(ext) . On prendra pour la suite la conductance linéique du tuyau égale à11 W ⋅ K^(− 1) ⋅ m^(− 1) . - Quelle est la vitesse
v de l'eau à l'entrée ? Pourquoi peut-elle être supposée uniforme dans le tuyau? - On suppose par la suite que la température de l'eau ne dépend que de la variable
x . et on néglige les phénomènes de diffusion thermique en son sein. Appliquer l'égalité écrite à la question 16 à la portion d'eau contenue entrex etx + dx en négligeant la variation d'énergie potentielle de pesanteur au cours de l'écoulement. On écrira une expression liantD_v, c, G_(lin), ρ, T_(ext) etT(x) . - En déduire que l'équation différentielle vérifiée par
T(x) peut s'écrire sous la forme(dT)/(dx) + 1/δT = (T_(ext))/δ en précisant expression et dimension deδ . - En déduire la loi de température
T(x) ? - Quelle est la température de l'eau quand elle arrive dans la capitale Reykjavik (altitude 40 m ) qui est à une distance d'environ 50 km de la station Svarsengi (altitude
240 m) de pompage de l'eau souterraine proche de Grindavik (illustration 5) ? On prendra une température extérieure égale à (T_(ext1) = 285 K = 12^∘C ) en été et égale à (T_(ext 2) = 273 K = 0^∘C ) en hiver. On donneexp(− 0, 25) = 0, 78 . - Justifier qu'on puisse négliger la variation d'énergie potentielle de pesanteur en question 18 ainsi que la variation de la température avec la variable
z dans le tuyau dans la partie II-A.
Partie III: les centrales géothermiques. (environ 30% du barème)
III-A fonctionnement de la centrale
a) Un forage permet de pomper en profondeur (jusqu'à plus d'un kilomètre) de l'eau chaude (entre
b) L'eau remonte à la surface en se vaporisant de manière instantanée.
c) La vapeur d'eau va être introduite dans des turbines et crée dans celles-ci un mouvement de rotation rapide des pièces mécaniques.
d) Un alternateur permet d'obtenir un courant électrique puissant
e) Des transformateurs permettent ensuite, en augmentant la tension, de transporter le courant avec moins de pertes énergétiques.
23) Préciser quelle est la forme d'énergie transmise de la turbine à l'alternateur ainsi que celle transmise de l'alternateur au transformateur ? Quels sont l(es) élément(s) transducteur(s) du processus ? Quels sont les types de pertes énergétiques à envisager sur les différentes étapes?
24) La centrale de Svarsengi produit une puissance électrique nette de 80 MW . Déterminer la quantité de dioxyde de carbone émise en un an de fonctionnement. Comparer à la quantité produite par une centrale à charbon équivalente.

liquide en profondeur
III-B modélisation du fonctionnement de l'alternateur

- Expliquer pourquoi il y a des phénomènes d'induction.
- Exprimer l'intensité
i du courant dans le circuit C en fonction de l'angleθ entre la normale au plan des spires et la direction deB⃗ . On suppose qu'à l'instant initial (t = 0 ), le plan de la spire est orthogonal au champB⃗ . Indiquer les caractéristiques du courant qui passe dans le circuit primaire du transformateur. - Établir l'expression du moment résultant
Γ⃗_L des forces de Laplace exercées sur Le circuit C . On rappelle qu'une boucle de moment dipolaire magnétiqueM⃗ placée dans un champ magnétique extérieur uniformeB_(ext)^(→−) subit un couple égal àM⃗ ∧ B_(ext)^(→−) . Commenter le résultat obtenu. - Quel couple faut-il exercer pour maintenir la vitesse de rotation constante ? Est-il moteur ou résistant?
- Calculer la puissance moyenne du moment des forces de Laplace. Comparer à la puissance électrique moyenne reçue par la résistance. Interpréter.
III-C modélisation du fonctionnement du transformateur

30)Comparer dans ce modèle la puissance reçue au primaire à celle cédée au secondaire.
31)On ferme le circuit secondaire sur une impédance
32)Vue depuis le transformateur d'élévation de la tension, la ligne à haute tension est modélisable par un montage en parallèle d'une résistance
33) Á Svarsengi la valeur efficace de la tension primaire vaut 11 kV et la tension efficace du secondaire vaut 132 kV . En déduire le rapport
34)L'alternateur de la centrale a un comportement inductif. Quel phénomène pourrait-il se produire quand on fait varier la vitesse
35) On ne tient plus compte de l'effet capacitif de la ligne qui est modélisée par une résistance
36) Expliquer pourquoi le fait d'avoir placé le transformateur rehausseur diminue les pertes Joule dans la ligne comme indiqué dans l'énoncé. Indiquer dans le cas de Svarsenghi par combien on divise cet effet Joule dans la ligne de transport.

Partie IV: prévention des conséquences des séismes
(environ 25% du barème)

37)Que vaut la longueur
38) Le point P étant en mouvement (fig 9b), établir l'équation différentielle à laquelle obéit
39)Á quelle valeur du coefficient de frottement
40)Tracer l'allure de
41) Établir en utilisant les grandeurs complexes l'expression de l'amplitude complexe
42) Montrer qu'il existe une valeur minimale du facteur de qualité
43) Établir les comportements à haute fréquence et à basse fréquence du filtre
44) On veut que le sismographe suive au plus près les mouvements sismiques verticaux du lieu (proche du forage donc de l'épicentre) où on l'a placé. On sait par des expériences antérieures que le spectre du déplacement du sol est dans le domaine allant de

FIN
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique A banque PT 2023 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique A banque PT 2023 ?
Le sujet aborde la statique des fluides et le changement d'état de l'eau, la diffusion thermique et le premier principe pour un système ouvert, l'induction électromagnétique et les circuits (alternateur, transformateur, ligne électrique), ainsi que les oscillateurs mécaniques amortis et forcés à travers l'étude d'un sismographe.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées dans le rapport de physique A banque PT 2023 ?
Le rapport pointe surtout des questions de cours peu ou mal traitées alors qu'elles sont valorisées au barème, des formules non homogènes ou mal justifiées, et des confusions récurrentes comme celle entre résistance et conductance thermique ou une application fausse du théorème d'Ampère.
Le sujet de physique A banque PT 2023 est-il difficile ?
Le jury indique que les parties indépendantes devaient permettre à la majorité des candidats d'obtenir une note convenable même sans maîtriser tous les domaines. Beaucoup de copies montrent toutefois une assimilation approximative de notions essentielles du cours, ce qui en fait un sujet de difficulté moyenne mais exigeant sur la rigueur.
Le sujet de physique A banque PT 2023 est-il faisable en première année de prépa PT ?
Le rapport ne précise pas de niveau de programme partie par partie ; il indique seulement que le sujet fait appel au cours de physique des deux années de préparation.
Pas de description pour le moment
