CCINP Physique PSI 2010Sujet, corrigé et rapport du jury
- Ondes sonores dans les fluides
- Ondes stationnaires et modes propres
- Mouvement d'une particule chargée dans un champ électromagnétique
- Cinématique en coordonnées polaires
- Circuits électriques en régime sinusoïdal
- Équations de Maxwell et relations de passage
- Propagation guidée, ondes évanescentes
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Présentation du sujet
Difficulté moyenneAcoustique de la clarinette et du saxophone soprano, physique du four à micro-ondes (magnétron, cavité résonante, guide d'onde)Afficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Difficulté moyenneL'épreuve comporte deux problèmes indépendants. Le premier établit l'équation de propagation d'une onde sonore dans un tube de section variable, puis étudie les ondes stationnaires dans une clarinette (tube cylindrique) et dans un saxophone soprano (tube conique). Le second étudie le mouvement des électrons dans un magnétron, les résonances d'une ligne LC refermée sur elle-même et la propagation dans un guide d'onde rectangulaire.
- 1Problème A : équation de propagation dans un tube (A.1 à A.10)Bilan de masse sur un système ouvert, équation d'Euler, équation de propagation et vitesse du son.
- 2Problème A : ondes stationnaires dans la clarinette et le saxophone (A.11 à A.23)Modes propres d'un tube cylindrique et d'un tube conique, fréquences admissibles, gamme tempérée et rôle des clés.
- 3Problème B : le magnétron (B.1 à B.8)Mouvement d'un électron dans des champs électrique et magnétique, coordonnées polaires, énergie mécanique et champ magnétique de coupure.
- 4Problème B : cavité résonante (B.9 à B.12)Ligne de cellules LC refermée sur elle-même, déphasage entre cellules et pulsations de résonance.
- 5Problème B : guide d'onde (B.13 à B.24)Équation de propagation, conditions aux limites sur un conducteur parfait, modes TE, fréquence de coupure et modes propagés à 2450 MHz.
Difficulté moyenne. Le jury décrit des problèmes bien guidés, avec une difficulté croissante au sein de chaque partie, qui ont bien classé les candidats.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesDémonstrations malhonnêtes · Unités et ordre de grandeur de la vitesse du son · Lecture de l'énoncé et trigonométrieAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLes deux problèmes, bien guidés, ont permis de bien classer les candidats : les meilleurs ont traité presque tout, les plus faibles sont restés bloqués sur les premières questions de cours. Une part non négligeable des points portait sur la présentation. Le jury salue de nombreuses copies soignées mais déplore beaucoup de maladresses dans les calculs élémentaires.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Démonstrations malhonnêtesA.3, A.7
Retrouver de force une équation donnée par l'énoncé a été pénalisé.
- 2Unités et ordre de grandeur de la vitesse du sonA.10
La masse molaire de l'air, donnée en g/mol, devait être convertie en kg/mol.
« Beaucoup de candidats ont obtenu un résultat faux (10 m/s), sans aucun commentaire. »
- 3Lecture de l'énoncé et trigonométrieA.12, A.16
Pression et surpression sont confondues en A.12 ; en A.16, cos(α) = 0 donne α = (2p + 1)π/2, d'où des multiples impairs du fondamental pour la clarinette.
« confusion entre pression et surpression (bien lire l'énoncé !) »
- 4Géométrie élémentaire du tube coniqueA.19
La section varie comme le carré du rayon, lui-même proportionnel à x.
« beaucoup d'erreurs pour cette question de géométrie élémentaire. »
- 5Énergie potentielle et circuit LCB.7, B.9
L'énergie potentielle d'une charge q au potentiel V est qV. En B.9, la relation de Millmann était adaptée ; la loi des nœuds et les diviseurs de tension sur un pont chargé menaient à des équations fausses.
« rappelons que l'énergie potentielle d'une charge q placée dans un potentiel V vaut qV ! »
- 6Conditions aux limites dans le guideB.14, B.15
Sont continues la composante tangentielle de E et la composante normale de B. La nullité des dérivées de B à la surface devait être justifiée.
« ce n'est pas parce que le champ B est nul à la surface que la dérivée est nulle ! »
Ce qui a été bien réussi
- Beaucoup de copies sont soignées et bien présentées.
- Les meilleurs candidats ont répondu à presque toutes les questions.
Conseils du jury
- Encadrer les résultats, souligner les applications numériques et soigner l'écriture et l'orthographe.
- Éviter de grappiller des points au hasard du sujet.
- Discuter l'ordre de grandeur des termes convectifs et diffusifs dans l'équation d'Euler (A.4).
- Commenter un résultat numérique aberrant plutôt que le laisser sans remarque.
- Employer le terme d'onde évanescente quand l'onde ne peut pas se propager (B.20).
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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PHYSIQUE 1
Les calculatrices sont autorisées
Les candidats doivent respecter les notations des énoncés et préciser, dans chaque cas, la numérotation de la question traitée.
Le sujet comporte 9 pages
PROBLEME A : CLARINETTE ET SAXOPHONE SOPRANO
Dans tout ce problème,
La clarinette a été créée vers 1700 par Johann Christophe Denner à Nuremberg. La clarinette en Si bémol en est le modèle le plus commun (figure 1). Le tube de la clarinette est modélisé par un cylindre de longueur
clarinette et son
modèle de tuyau cylindrique

.jpg)

EQUATION DE PROPAGATION D'UNE ONDE SONORE DANS UN TUBE
.jpg)
On note
On supposera qu'en présence de l'onde sonore, la masse volumique de l'air s'écrit
Bilan de masse sur un système ouvert
A. 1 Exprimer la masse
A. 2 Exprimer la masse
A. 3 En se limitant à des termes du premier ordre, montrer que l'on obtient l'équation de conservation de la masse suivante :
Equation du mouvement
A. 5 A l'aide d'un développement limité à l'ordre 1 , exprimer la quantité
A. 6 On rappelle que le coefficient de compressibilité isentropique
Equations de propagation
A. 8 En supposant que l'air est un gaz parfait, exprimer
A. 9 En supposant que l'air dans le tube subit une transformation isentropique, la loi de Laplace est vérifiée. Rappeler cette loi reliant les grandeurs pression
A. 10 Donner alors l'expression de la constante
Faire l'application numérique avec
ONDES STATIONNAIRES DANS UNE CLARINETTE
A. 11 Que deviennent les équations E1 et E2 obtenues à la question A. 7 dans le cas de la clarinette? Que représente alors la constante
A. 12 Que valent la vitesse
A. 13 On recherche des solutions stationnaires pour la surpression et la vitesse qui sont donc de la forme
A. 14 On montre alors que la vitesse
Préciser l'expression de
A. 15 Déterminer alors complètement la fonction
A. 16 Donner l'expression de la fréquence
A. 17 La musique occidentale est basée sur la gamme tempérée chromatique suivante :
Quand on passe du premier Do au deuxième Do, on dit qu'on est passé à l'octave (la fréquence de la note émise est multipliée par 2). En admettant qu'entre deux notes consécutives la fréquence est toujours multipliée par le même facteur a, évaluer ce facteur en l'écrivant sous la forme d'une puissance de 2.
A. 18 Sur la clarinette, il existe une clé au niveau du pouce appelée clé de douzième qui permet d'enlever l'émission du mode fondamental, mais qui ne compromet pas l'émission du premier harmonique. Quand tous les trous de la clarinette sont bouchés et que l'on n'active pas la clé au niveau du pouce, on émet un son grave qui correspond à Ré (son réel entendu par une oreille). On active la clé, on émet alors un son plus aigu: par combien est multipliée la fréquence? En déduire la note réelle entendue par une oreille.
ONDES STATIONNAIRES DANS UN SAXOPHONE SOPRANO
A. 19 Calculer la section
A. 20 Montrer alors que l'équation E. 1 obtenue à la question A. 7 s'écrit aussi :
A. 22 On recherche une solution stationnaire pour
A partir des conditions aux limites, montrer que
En déduire que seules des ondes stationnaires de pulsations particulières à déterminer peuvent être engendrées dans le saxophone.
A. 23 Tous les trous du saxophone sont bouchés : tout le tube est alors le siège d'une onde stationnaire. Donner l'expression de la fréquence
PROBLEME B : QUELQUES PROPRIETES DU FOUR A MICRO-ONDES
Le Magnétron :

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B. 1 Préciser le signe du potentiel
B. 2 Ecrire sous forme vectorielle, l'équation différentielle du mouvement d'une particule de charge
B. 3 En partant du vecteur position
B. 4 En déduire les projections de l'équation différentielle de la question
B. 5 Vérifier que
B. 6 Que vaut
B. 7 Préciser l'énergie mécanique d'un électron en fonction des variables
B. 8 Si le champ magnétique est trop élevé, les électrons ne parviendront pas jusqu'à l'anode : on dit qu'on a atteint la coupure. Quelle doit être alors la valeur maximale du champ magnétique pour que les électrons atteignent l'anode? On exprimera cette valeur minimale en fonction des variables
Cavité résonante :

B. 10 On cherche une solution de la forme
B. 11 Compte tenu que la ligne circulaire est refermée sur elle-même, en déduire une condition sur
B. 12 En déduire les pulsations de résonance,
Guide d'onde :

(1)
(2)
(3)
(4)
avec
On rappelle également :
B. 13 Etablir l'équation de propagation vérifiée par le champ magnétique
B. 14 Rappeler quelles sont les composantes des champs qui sont continues à la surface d'un conducteur.
B. 15 On recherche des solutions décrivant des ondes progressives dans la direction Oz de l'axe du guide. Ces solutions sont du type :
Ecrire, en les justifiant, les conditions aux limites pour
-
(∂B_z)/(∂y)|_(surface) dans les plansy = 0 ety = b -
(∂B_z)/(∂x)|_(surface) dans les plansx = 0 etx = a .
B. 16 On note
B. 17 On étudie maintenant les solutions du type TE (transversale électrique) pour lesquelles
En déduire que
B. 18 En déduire à partir de
B. 19 Une solution de la forme
B. 20 En déduire l'équation vérifiée par le nombre d'onde
B. 21 Le four à micro-ondes annonce une fréquence
B. 22 Les dimensions du guide d'onde rectangulaire sont respectivement
B. 23 Quelle est alors la valeur numérique de
B. 24 En déduire les composantes réelles du champ électrique
Questions fréquentes
4 questionsSur quoi porte le sujet de physique CCINP PSI 2010 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quoi porte le sujet de physique CCINP PSI 2010 ?
Sur l'acoustique de la clarinette et du saxophone soprano (ondes sonores dans un tube), puis sur le four à micro-ondes : magnétron, cavité résonante et guide d'onde rectangulaire.
Quelles erreurs le jury a-t-il relevées en physique CCP PSI 2010 ?
Des démonstrations malhonnêtes, une vitesse du son fausse faute de conversion d'unités, la confusion entre pression et surpression, des erreurs de géométrie élémentaire et des relations de passage mal connues.
Pourquoi la clarinette ne produit-elle que des harmoniques impairs dans le sujet CCINP PSI 2010 ?
Le jury rappelle que cos(α) = 0 implique α = (2p + 1)π/2 : les fréquences admissibles sont des multiples impairs du fondamental. Pour le saxophone, ce sont tous les multiples.
La présentation compte-t-elle en physique CCINP PSI 2010 ?
Oui : une part non négligeable des points portait sur la présentation (résultats encadrés, applications numériques soulignées, écriture et orthographe soignées).
Pas de description pour le moment
