Centrale Physique 1 PC 2014Sujet, corrigé et rapport du jury
- Induction électromagnétique
- Force de Laplace
- Théorème d'Ampère
- Changement de référentiel en électromagnétisme
- Premier principe de la thermodynamique
- Filtrage linéaire
- Amplificateur opérationnel
- Comparateur à hystérésis
- Interférences
- Diffraction et réseaux
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Présentation du sujet
Difficulté moyennePhysique d'un parc d'attraction : freinage par induction, mesure de la fréquence cardiaque et holographieAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Difficulté moyenneLe sujet réunit trois études indépendantes liées à un parc d'attraction. La première modélise le freinage d'un wagon par induction et son échauffement, la deuxième conçoit un dispositif électronique à amplificateurs opérationnels pour mesurer la fréquence cardiaque, la troisième propose une introduction simplifiée à l'holographie, des hologrammes fins aux hologrammes épais colorés.
- 1Partie I : freinage du trainChamps et courants dans deux référentiels, forces de Laplace sur une plaque, temps caractéristique de freinage, champ créé par les courants induits et échauffement de la plaque.
- 2Partie II : mesure de la fréquence cardiaqueFiltre réjecteur du 50 Hz, filtre passe-bande à amplificateur opérationnel puis comparateur à hystérésis appliqué au signal cardiaque.
- 3Partie III : holographieEnregistrement d'un hologramme fin par interférences, diffraction par l'hologramme en lumière monochromatique puis polychromatique, et hologramme épais avec la loi de Bragg.
Difficulté moyenne. Le jury juge le sujet long, avec deux premières parties de difficulté tout à fait raisonnable et une partie d'holographie nettement plus difficile.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesBilan de charges élémentaire raté · Confusion entre force de Laplace et force de Lorentz · Symétries et théorème d'Ampère mal utilisésAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLe sujet est long et beaucoup de candidats n'ont abordé que deux des trois parties. Les deux premières, de difficulté raisonnable, ont permis aux candidats connaissant bien leur cours de se mettre en valeur, tandis que la partie d'holographie, peu guidée, a été beaucoup moins bien traitée. Le jury a été particulièrement attentif aux justifications et à la qualité de la rédaction.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Bilan de charges élémentaire ratéI.A.3.b
Au lieu d'un bilan direct montrant que la somme des deux densités volumiques est nulle, beaucoup se lancent dans des calculs compliqués à partir des équations de Maxwell.
« cette question élémentaire a été très mal réussie »
- 2Confusion entre force de Laplace et force de LorentzI.B.1
Des candidats attribuent une charge au wagon ou invoquent des forces magnétiques entre l'aimant et le métal pour expliquer le freinage.
« un nombre conséquent de candidats imagine une charge portée par le wagon »
- 3Symétries et théorème d'Ampère mal utilisésI.B.5
Un plan de symétrie n'est exploitable que s'il contient le point considéré et s'il s'agit de la distribution de courants ; le contour d'Ampère doit être décrit et orienté.
« Seul un candidat sur vingt arrive à une expression correcte du champ magnétique ! »
- 4Unités et chiffres significatifsI.B.6.b, I.B.6.c, II.B.3
Des battements par minute sont confondus avec des hertz, le nombre de plaques est oublié dans les applications numériques et trop de chiffres sont donnés.
« les 60 ou 200 battements par minute sont souvent devenus des fréquences de 60 ou de 200 Hz »
- 5Montage suiveur mal schématiséII.B.1
Le problème d'adaptation d'impédance est rarement explicité et seul un candidat sur sept fait un schéma correct du suiveur.
- 6Diffraction par l'hologrammeIII.A.3.a, III.A.3.b, III.B.1.a
La taille pertinente selon Ox est le pas de l'hologramme et non sa largeur ; le principe de Huygens-Fresnel n'est correctement énoncé que par un tiers des candidats, et déphasage et différence de marche sont confondus.
Ce qui a été bien réussi
- La question I.A.3.a a obtenu 86 % de bonnes réponses.
- La partie I a été traitée entièrement et de manière satisfaisante par un certain nombre de candidats.
- La fin de la partie II sur le comparateur à hystérésis a été plutôt bien traitée par les candidats connaissant leurs TP-cours.
- Deux candidats sur trois obtiennent les bonnes expressions à la question II.B.4.
Conseils du jury
- Justifier de manière concise les résultats utilisés et les démarches suivies.
- Citer les lois employées en électrocinétique, comme le diviseur de tension ou le théorème de Millman.
- Préciser le référentiel d'étude et faire un bilan exhaustif des actions mécaniques.
- Formuler des commentaires pertinents, même lorsqu'ils ne sont pas demandés.
- Approfondir une ou deux parties peut suffire à obtenir une note honorable.
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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Un parc d'attraction, c'est avant tout (de la) physique!
I Freinage du train
I.A - Préliminaires
I.A.1) Donner l'expression des champs électrique
Que deviennent ces expressions lorsque
Cette hypothèse sera conservée tout au long du problème.
I.A.2) Donner les relations liant
I.A.3) Considérons un conducteur ohmique de conductivité
a) En notant
b) On note
c) Donner l'expression du vecteur densité de courant

Lorsque le wagon arrive en gare, la plaque passe dans l'entrefer d'un aimant fixé au niveau des rails qui crée un champ magnétique supposé uniforme
.jpg)
I.B.2) On se place dans le référentiel
La détermination du vecteur densité de courant
a) Si
b) Intégrer l'expression de
Soit
Que représente
c) On modélise la résistance du reste de la plaque par une résistance
Reproduire la figure 3 sur la copie et placer les grandeurs
Vous semble-t-il possible d'exprimer simplement

Éliminer
I.B.3) On s'intéresse au mouvement du wagon, de masse
En appliquant le théorème de la résultante dynamique au wagon, déterminer l'expression d'un temps caractéristique de freinage.
Quel est l'inconvénient majeur du freinage magnétique par rapport à un freinage par friction ? Quels sont en revanche les principaux avantages du freinage magnétique?
I.B.4) Même s'il rend bien compte du principe du freinage magnétique, le modèle proposé est simpliste. Quelles hypothèses sont peu réalistes physiquement?
I.B.5) On souhaite discuter dans cette question de la validité de l'hypothèse faite dans la question I.B.2, à savoir que le champ magnétique créé par les courants induits au sein de la plaque est négligeable devant
L'épaisseur
En utilisant les symétries et invariances du problème, déterminer l'expression du champ magnétique
On donne la perméabilité magnétique du vide
I.B.6) Même si l'échauffement de la plaque est limité, il existe.
a) Expliquer pourquoi il y a échauffement.
b) En considérant que toute l'énergie cinétique du train est dissipée sous forme de chaleur au sein de
| masse du train |
|
| vitesse du train |
|
| dimension de chaque plaque |
|
| masse volumique des plaques |
|
| capacité calorifique massique des plaques |
|
d) On souhaite tester l'hypothèse d'un refroidissement par transfert de type conducto-convectif entre l'air ambiant à la température
Déterminer l'équation différentielle dont
Que faut-il penser de l'hypothèse d'un refroidissement exclusivement par transfert de type conducto-convectif avec l'air? Proposer d'autres causes possibles.
II Mesure de la fréquence cardiaque
Pour tout signal sinusoïdal
II.A - Premier filtrage

Ce filtre est un filtre réjecteur : il ne transmet pas les signaux dont la pulsation est voisine de
II.A.1) En étudiant de façon qualitative le comportement basses et hautes fréquences, justifier qu'il est légitime de dire que le filtre de la figure 4 est un filtre réjecteur.
II.A.2) Calculer la valeur de la fréquence
II.B - Deuxième filtrage : filtre passe-bande
.jpg)
II.B.2) Justifier de façon qualitative que l'amplificateur opérationnel fonctionne en régime linéaire. Montrer de façon qualitative que ce circuit présente bien un caractère passe-bande.
II.B.3) On souhaite que la fréquence de coupure basse soit égale à
II.B.4) En évaluant successivement les quotients
II.B.5) Proposer pour
II.B.6) En plus de la fonction filtrage, le filtre proposé possède un deuxième avantage. Lequel ?
II.

II.C.1) Le signal électrique
Expliquer le fonctionnement de ce dispositif. Que va être la réponse de ce circuit à un signal du type de celui de la figure 7 ? Ce circuit est-il adapté à la détermination de la fréquence cardiaque ? Justifier la réponse (on pourra s'aider d'un schéma).
.jpg)

Justifier qualitativement que l'amplificateur opérationnel ne peut pas fonctionner en régime linéaire.
.jpg)
On souhaite maintenant que
Pour quelle valeur de
Donner la condition pour que
Dans ce cas et en supposant que
II.C.3) Le signal d'entrée
II.D - Le dispositif utilisé dans le manège pour la mesure du rythme cardiaque peut-il être utilisé en milieu médical ? Qu'est-ce qui peut fausser la mesure du rythme cardiaque?
III Holographie
III.A - Principe de l'holographie

Dans toute la suite du problème, pour simplifier l'étude, on fera l'hypothèse que la différence de phase introduite par l'objet est indépendante de
L'onde réfléchie par la séparatrice (
III.A.1) a) Donner les coordonnées des vecteurs
b) Citer un objet qui introduit une différence de phase
c) Justifier que l'intensité lumineuse reçue par un point
d) Exprimer
III.A.2) Une fois développée, la plaque photographique possède une transmittance en amplitude (ou facteur de transparence) de la forme
III.A.3) L'hologramme (
On observe la figure de diffraction obtenue à l'infini dans une direction
a) Pourquoi est-il légitime de limiter l'étude au plan
b) Énoncer le principe de Huygens-Fresnel et en déduire l'expression intégrale de l'amplitude complexe

c) Déterminer l'expression de l'intensité lumineuse diffractée
III.A.4) L'hologramme (Hl) enregistré précédemment, de même transmittance
a) Établir l'expression de l'amplitude complexe
b) En déduire l'expression de l'intensité lumineuse diffractée
c) Représenter
III.A.5) L'hologramme est maintenant éclairé sous la même incidence
a) Déduire de ce qui précède ce que l'observateur de la figure 11 voit dans la direction
b) Peut-on observer des images en couleur avec ce type d'hologramme ?
III.B - Hologramme épais
III.B.1) Dans un premier temps, le réseau est constitué d'une surface plane opaque percée de fentes très longues dans la direction
.jpg)
a) Calculer
b) À quelle condition sur
III.B.2) Un hologramme est en fait constitué d'une couche de gélatine d'épaisseur

b) En considérant qu'un élément de réseau, de longueur
c) L'épaisseur
d) Une seule de ces deux valeurs a de l'intérêt en holographie. Préciser de laquelle il s'agit.
III.B.3) Un réseau est considéré comme épais si seul l'ordre de diffraction
III.B.4) Le pas du réseau est choisi de façon à ce que la loi de Bragg soit vérifiée pour une longueur d'onde
III.B.5) Sur le même principe que celui présenté figure 10, on réalise, sous le même angle d'incidence
a) Pourquoi avoir choisi ces trois longueurs d'onde ?
b) Pourquoi obtient-on trois figures d'interférence distinctes dans l'émulsion de gélatine ?
c) Les conditions opératoires sont telles que les pas des trois réseaux vérifient la loi de Bragg. Qu'observe-t-on si on éclaire, sous l'angle d'incidence
Depuis la découverte de l'holographie en 1947 par Gabor (Prix Nobel 1971), les techniques d'enregistrement avec le développement de lasers à différentes longueurs d'onde et l'élaboration d'émulsions de grains très fins permettent l'obtention d'images holographiques en couleur de qualité exceptionnelle.
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique 1 Centrale PC 2014 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique 1 Centrale PC 2014 ?
Il couvre l'induction et les forces de Laplace, le théorème d'Ampère, un bilan thermique, le filtrage et les montages à amplificateur opérationnel, puis l'optique physique avec interférences, diffraction et réseaux pour l'holographie.
Quelle partie du sujet de physique 1 Centrale-Supélec PC 2014 est la plus difficile ?
Selon le jury, la partie III sur l'holographie est nettement plus difficile que les deux autres ; la question III.A.3.b a stoppé la progression de la plupart des candidats.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées en physique 1 Centrale PC 2014 ?
Le jury cite la confusion entre forces de Laplace et de Lorentz, un usage fautif des symétries avant le théorème d'Ampère, des erreurs d'unités et de chiffres significatifs, un suiveur mal schématisé et des confusions entre déphasage et différence de marche.
Les parties du sujet de physique 1 Centrale PC 2014 sont-elles indépendantes ?
Oui, les trois études sont indépendantes, et le jury indique qu'approfondir une ou deux parties permettait d'obtenir une note honorable.
Pas de description pour le moment
