CCINP Physique 1 MP 2014Sujet, corrigé et rapport du jury
- Mécanique du point : mouvement dans un champ de force centrale
- Cinématique du solide et roulement sans glissement
- Equation de la chaleur et effet de peau thermique
- Machines thermiques et diagramme de Clapeyron
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Présentation du sujet
Difficulté moyenneSatellites, système articulé de quatre solides, onde thermique dans le sol et pompe à chaleur géothermiqueAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Difficulté moyenneLe sujet comporte quatre exercices indépendants, deux de mécanique et deux de thermodynamique organisés autour du thème de la géothermie. L'exercice I étudie le mouvement de satellites, l'exercice II un système articulé de quatre solides avec roulement sans glissement, l'exercice III l'onde thermique dans le sol par effet de peau, et l'exercice IV une pompe à chaleur géothermique.
- 1Exercice I : satellitesEtudier le mouvement plan d'un satellite et ses caractéristiques orbitales.
- 2Exercice II : système articulé de quatre solidesEtudier un système de solides roulant sans glisser sur un câble porteur.
- 3Exercice III : onde thermiqueMontrer que les variations superficielles de température sont amorties en profondeur, par effet de peau thermique.
- 4Exercice IV : pompe à chaleur géothermiqueEtudier quantitativement une pompe à chaleur utilisant le sol comme thermostat.
Difficulté moyenne. La moyenne de l'épreuve est de 9,53 avec un écart-type de 3,51 ; le rapport note que le texte a été bien compris et que beaucoup de questions ont été traitées, mais que les exercices sur la pompe à chaleur ont révélé une méconnaissance du cours.
L'épreuve en chiffres
Moyenne 9,53 / 20 · écart-type 3,51 · où vous situez-vous ?Afficher ou masquer la section
L'épreuve en chiffres
- Moyenne
- 9,53/ 20
- Écart-type
- 3,51
Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.
Source : rapport du jury. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesErreur de signe dans le roulement sans glissement · Confusion entre foyer et centre d'une ellipse · Diagramme de Clapeyron tracé sans courbe de saturationAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesLe texte paraît clair et a été bien compris de façon générale, avec de nombreuses questions de cours et applications directes traitées. L'écart-type des notes est assez marqué, ce qui a permis de classer correctement les candidats, mais la partie sur la pompe à chaleur a montré une méconnaissance des notions de cours.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Erreur de signe dans le roulement sans glissement
La relation de roulement sans glissement comporte très souvent une erreur de signe dans l'exercice II, ce qui traduit un manque de technique ou une incompréhension de la physique du problème.
- 2Confusion entre foyer et centre d'une ellipse
Cette confusion, plus grave que les autres difficultés anecdotiques relevées, apparaît dans l'exercice I.
- 3Diagramme de Clapeyron tracé sans courbe de saturationIV.4.a
De nombreux candidats tracent le diagramme sans considérer la courbe de saturation, ce qui pose problème pour étudier une machine à changement de phase.
- 4Efficacité de la pompe à chaleur mal compriseIV.3.a
La très grande majorité des candidats croit que l'efficacité d'une PAC est inférieure à 1 et se trompe sur les signes des échanges d'énergie.
- 5Questions finales peu traitées faute de tempsIV.6 à IV.10
Les questions IV.6 à IV.10, qui constituaient l'étude quantitative de la pompe à chaleur, ont été très peu traitées, sans doute par manque de temps.
Ce qui a été bien réussi
- L'exercice III a été bien traité dans l'ensemble, malgré peu d'appel direct au cours
- La notion d'effet de peau est bien connue des candidats (III.5 et III.7)
- Les candidats savent faire preuve de technicité pour résoudre l'équation de la chaleur en complexe
Conseils du jury
- Lire l'intégralité du sujet avant de commencer afin de repérer les points délicats et les plus simples.
- Justifier les résultats donnés de mémoire plutôt que de les énoncer sans démonstration.
- Privilégier le sens physique pour définir des grandeurs comme une efficacité.
- Discuter du résultat de ses calculs plutôt que de s'arrêter à leur obtention.
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
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L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.Afficher ou masquer la section
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EPREUVE SPECIFIQUE - FILIERE MP
PHYSIQUE 1
N.B. : Le candidat attachera la plus grande importance à la clarté, à la précision et à la concision de la rédaction. Si un candidat est amené à repérer ce qui peut lui sembler être une erreur d'énoncé, il le signalera sur sa copie et devra poursuivre sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il a été amené à prendre.
Les calculatrices sont autorisées
Les exercices I et II portent sur la mécanique (de la page 2 à la page 8).
Les exercices III et IV portent sur la thermodynamique (de la page 9 à la page 13).
MECANIQUE
La partie Mécanique du sujet comporte deux exercices indépendants.
EXERCICE I : SATELLITES
I. 1 Montrer que le mouvement de
I. 2 On suppose alors que le mouvement de

I. 4 Pour
I. 5 Donner l'expression de l'énergie potentielle
I.
I. 7 Donner l'expression de
I. 8 Les résultats obtenus vont être appliqués au système solaire pour lequel on précise les masses du Soleil, de la Terre et de Mars, respectivement
Les trajectoires de la Terre et de Mars sont supposées :
- circulaires,
- de centre le Soleil et de rayons respectifs
r_T = 1, 00UA, r_M = 1, 52UA(1UA = 1, 50.10^(11) m) - situées dans le même plan.
I. 9 Une sonde de masse
Quelle est la valeur du grand axe de l'ellipse décrite ? Connaissant l'énergie potentielle à
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EXERCICE II : SYSTEME ARTICULE DE QUATRE SOLIDES

Dans la suite de l'exercice, les roues vont rouler sans glisser sur le câble porteur et on notera
II. 1 Déterminer la position de
II. 2 Les vitesses de rotation instantanée des roues s'écrivant
II. 3 Par application du théorème du moment cinétique appliqué à
II. 4 Pour les questions II. 4 à II.8, on suppose une vitesse
II. 5 Considérant l'ensemble
II. 6 D'après les résultats obtenus, exprimer
II. 7 Quelle est la condition portant sur
II. 8 Si
II. 9 On considère maintenant un mouvement uniformément retardé (soit
verticale et

II. 11 Exprimer
II. 12 Déterminer les expressions de
THERMODYNAMIQUE - GEOTHERMIE
Dans un premier exercice, nous étudierons le champ de température dans la couche superficielle du sol terrestre. Le deuxième exercice aborde l'étude d'une pompe à chaleur géothermique. Les deux exercices sont très largement indépendants.
EXERCICE III : ONDE THERMIQUE

III. 2 Donner l'expression de la loi de Fourier relative à la conduction thermique, en rappelant les grandeurs intervenant dans cette loi. On notera
III. 3 Déterminer l'équation différentielle vérifiée par
III. 4 Exprimer la solution générale de cette équation, en faisant intervenir deux constantes d'intégration notées
III. 5 Montrer que
III. 6 Exprimer
III. 7 Exprimer la profondeur
III. 8 On donne pour un sol humide :
- Cas
n^∘1 : variation quotidienne de température ; - Cas
n^∘2 : variation annuelle de température.
III. 9 Calculer littéralement puis numériquement le décalage temporel
III. 10 Le modèle développé vous paraît-il pertinent ? Quels phénomènes non pris en compte dans le modèle peuvent intervenir ? Répondre succinctement.
EXERCICE IV : POMPE A CHALEUR GEOTHERMIQUE
-
M = 102, 0 g ⋅ mol^(− 1) la masse molaire du fluide ; -
c_V la capacité thermique massique à volume constant du fluide à l'état gazeux ; -
c_P la capacité thermique massique à pression constante du fluide à l'état gazeux ; -
γ = (c_P)/(c_V) = 1, 18 le rapport des capacités thermiques massiques à pression et à volume constant ; -
l_V(T) l'enthalpie massique de vaporisation du fluide à la températureT ; -
h_V(T) l'enthalpie massique de la vapeur saturante à la températureT ; -
h_L(T) l'enthalpie massique du liquide saturant à la températureT ; - La température du point critique du fluide vaut :
T_(crit) = 373 K .
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| 323 | 13,2 | 421,9 | 270,5 |
| 288 | 4,88 | 405,6 | 220,1 |
Rappels et généralités
IV. 2 a. Rappeler la relation entre
b. Rappeler la relation entre
c. Rappeler l'expression de l'enthalpie massique d'un gaz parfait à l'équilibre thermodynamique à la température
IV. 3 On considère une PAC fonctionnant entre deux thermostats idéaux, c'est-à-dire dont la température demeure constante au cours du fonctionnement de la PAC. Soient
- travail ;
- transfert thermique avec le thermostat à la température
T_c ; - transfert thermique avec le thermostat à la température
T_f .
a. Rappeler le signe dew, q_c etq_f . Rappeler la définition de l'efficacité de la PAC, notéee , en fonction dew etq_c . Quel est le domaine de définition dee ?
b. Montrer que la valeur dee est majorée pare_C = (T_c)/(T_c − T_f) , appelée efficacité de Carnot de la PAC.
Dans quel cas a-t-one = e_C ?
Etude d'une PAC
- Etape
(1) → (2) : à partir d'un état de vapeur saturante (1) à la températureT_f = 288 K et la pressionp_f , le fluide subit une compression adiabatique supposée réversible qui l'amène à un état (2), vapeur sèche à la pressionp_c et à la températureT_2 . - Etape
(2) → (3) : le fluide est mis en contact avec un premier thermostat à la températureT_c = 323 K , ce qui a pour effet de le refroidir de façon isobare à l'état de vapeur saturante à la températureT_c puis de le liquéfier entièrement. On note (3) l'état final de cette transformation, où le fluide est à l'état de liquide saturant. - Etape
(3) → (4) : le fluide passe dans un robinet à laminage, ce qui lui fait subir une détente de Joule-Kelvin. A l'état final, noté (4), le fluide diphasé est à la pressionp_f et possède un titre massique en vapeur notéx . - Etape
(4) → (1) : le fluide dans l'état (4) est mis en contact avec le second thermostat à la températureT_f , ce qui a pour effet de le ramener à l'état (1).
Dans une PAC géothermique, ce même thermostat est constitué par un fluide frigorigène, en général de l'eau glycolée, c'est-à-dire un mélange d'eau et d'éthane-1,2-diol. L'eau glycolée est en contact thermique via un échangeur thermique avec l'eau d'une nappe souterraine : on parle de PAC sur aquifère.
IV. 4 Allure du cycle.
a. Dessiner le cycle thermodynamique décrit par le fluide de la PAC dans le diagramme de Clapeyron. On fera figurer les isothermes
b. Préciser lors de quelle(s) étape(s) le transfert thermique
c. Préciser, lors de l'étape
IV. 5 Intérêt d'une PAC sur aquifère.
a. Par quoi est représenté le travail
b. Montrer qu'en augmentant
c. Justifier l'avantage d'une PAC sur aquifère par rapport à une PAC air-air.
IV. 6 Détermination de
a. Déterminer la température au point (2),
b. Déterminer
c. Comparer numériquement les deux termes intervenant dans l'expression de
IV. 7 Détermination du titre en vapeur à l'état (4).
a. Lors de l'étape
b. A l'aide des données du tableau 1 (page 11), déterminer littéralement puis numériquement le titre en vapeur à l'état (4), noté
IV. 8 Déterminer
IV. 9 Exprimer littéralement puis calculer numériquement
IV. 10 Efficacité de la PAC.
a. Exprimer littéralement puis calculer numériquement l'efficacité
b. Exprimer littéralement puis calculer numériquement l'efficacité de Carnot,
Questions fréquentes
3 questionsSur quoi porte le sujet de physique 1 CCP MP 2014 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
3 questionsSur quoi porte le sujet de physique 1 CCP MP 2014 ?
Il porte sur les satellites et un système articulé de solides en mécanique, puis sur l'onde thermique dans le sol et une pompe à chaleur géothermique en thermodynamique.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées ?
Une erreur de signe fréquente dans le roulement sans glissement, un diagramme de Clapeyron tracé sans courbe de saturation et une mauvaise compréhension de l'efficacité d'une pompe à chaleur.
Ce sujet de physique MP est-il difficile ?
La moyenne est de 9,53 sur 20 avec un écart-type de 3,51 ; le rapport le juge accessible mais souligne une méconnaissance du cours sur la pompe à chaleur.
Pas de description pour le moment
