Centrale Physique 2 PC 2007Sujet, corrigé et rapport du jury
- Champ magnétique terrestre
- Rayonnement dipolaire et vecteur de Poynting
- Ondes acoustiques
- Ondes de surface (houle)
- Analyse dimensionnelle
- Effet Doppler et onde de choc supersonique
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Présentation du sujet
Navigation côtière (compas, radiophare) et comparaison des sillages d'un avion et d'un bateauAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Le sujet comporte deux problèmes indépendants. Le premier étudie deux techniques de navigation côtière, à l'aide d'un compas puis d'un signal radioélectrique émis par un radiophare modélisé comme un dipôle oscillant. Le second compare le sillage supersonique d'un avion à celui d'un bateau, en s'appuyant sur l'étude des ondes sonores puis des ondes de surface libre d'un liquide.
- 1I.A : navigation à vueChamp magnétique terrestre et déclinaison pour repérer la position du navire.
- 2I.B : navigation par temps de brouillardRayonnement d'un dipôle oscillant puis réception du signal par un cadre détecteur.
- 3II.A : propagation du sonApproximation acoustique, aspect énergétique et ordres de grandeur d'une onde sonore.
- 4II.B : ondes à la surface libre d'un liquideMise en équations et relation de dispersion pour une onde de surface, en profondeur finie puis infinie.
- 5II.C : sillage d'un avionEffet Doppler en vol subsonique puis onde de choc et bang supersonique en vol supersonique.
- 6II.D : sillage d'un bateauRelation de dispersion des ondes de surface et détermination de la forme du sillage d'un bateau.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesOrdres de grandeur fantaisistes pour le champ magnétique terrestre · Confusion entre champ de pesanteur et champ magnétique terrestre · Manque d'honnêteté intellectuelle face à une erreurAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLe sujet, dont de nombreuses questions étaient proches du cours, visait à encourager les candidats à approfondir leur cours et à pratiquer l'analyse dimensionnelle de façon régulière. Les dernières parties, sur le sillage de l'avion et du bateau, ont manifestement souffert d'un manque de temps et ont été moins abordées que les précédentes.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Ordres de grandeur fantaisistes pour le champ magnétique terrestreI.A.1
Les candidats qui ignorent l'ordre de grandeur du champ magnétique terrestre proposent parfois des valeurs et des unités aberrantes.
« des résultats d'ordres de grandeurs étonnants (jusqu'à 1023 T), et parfois avec des unités tout à fait fantaisistes »
- 2Confusion entre champ de pesanteur et champ magnétique terrestreI.A.2
Dans certaines copies très faibles, le champ de pesanteur est confondu avec le champ magnétique terrestre.
« la confusion peut aller jusqu'à confondre champ de pesanteur et champ magnétique terrestre »
- 3Manque d'honnêteté intellectuelle face à une erreurI.B.1
Certains candidats maintiennent une expression erronée de la surface élémentaire tout en affichant malgré tout la formule de Larmor correcte, ce qui trahit une tentative de camouflage de l'erreur.
« tenter de camoufler une erreur est une faute bien plus grave que l'erreur elle-même »
- 4Confusion sur la signification de μ0 dans le second problèmeII.A.2.b
Certains candidats ne réalisent pas que, dans le problème sur les ondes dans les fluides, le symbole désigne la masse volumique de l'air au repos et non la perméabilité du vide.
« ne désigne pas la perméabilité du vide, mais la masse volumique de l'air à l'état de repos »
- 5Faute d'homogénéité dans la comparaison de grandeursII.B
Comparer une largeur de bassin à la célérité des ondes constitue une faute d'homogénéité, ces deux grandeurs n'ayant pas la même dimension.
« Dire qu'une largeur de bassin est très grande devant la célérité des ondes constitue une faute d'homogénéité »
- 6Réponse incohérente sur le bang supersoniqueII.C.2
Certaines réponses mal maîtrisées sur le sillage de l'avion supersonique relèvent de l'incohérence physique.
« l'avion va plus vite que le son, donc on entend l'avion avant d'entendre le son »
Ce qui a été bien réussi
- La partie sur la propagation du son est sans doute celle qui a été la mieux traitée, les défaillances sévères ne concernant que les candidats les plus faibles.
- La forme générale des lignes de champ magnétique terrestre et leur orientation sont souvent connues.
- La plupart des candidats a bien identifié le phénomène d'induction dans le cadre détecteur.
- L'étude de la solution progressive en eau profonde, bien que plus rarement abordée, a été traitée avec un taux de réussite raisonnable.
Conseils du jury
- Ne pas faire d'économie sur les schémas, en particulier pour les relations trigonométriques du sillage de l'avion.
- Faire preuve d'honnêteté intellectuelle plutôt que de camoufler une erreur détectée en cours de résolution.
- Vérifier systématiquement l'homogénéité dimensionnelle avant de comparer deux grandeurs.
- Ne pas éviter systématiquement les questions comportant des applications numériques.
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 II
Partie I - Navigation côtière
I.A - Navigation à vue
I.A.1) Le champ magnétique terrestre
b) Quel est l'ordre de grandeur de l'intensité du champ magnétique terrestre ? À l'aide d'un schéma, représenter ce vecteur champ en un point de l'hémisphère nord.
I.A.2) La déclinaison
b) Actuellement, en Bretagne, la déclinaison est égale à
I.B - Navigation par temps de brouillard
Filière PC
I.B.1) Rayonnement d'un dipôle oscillant
Un dipôle oscillant de moment dipolaire
a) Sous certaines conditions, le champ magnétique créé au point

c est la vitesse de la lumière dans le vide. Cette formule est obtenue sous certaines conditions ; les préciser et dégager leur contenu physique.
b) En notation complexe
c) Préciser la zone de rayonnement du phare si celui-ci émet un signal de fréquence 100 kHz . Conclure.
d) Sachant que le champ électromagnétique (
e) Définir le vecteur de Poynting
f) Calculer la puissance moyenne
I.B.2) Réception du signal
L'expression complexe du champ électrique peut alors s'écrire
a) À partir des équations de Maxwell, établir les équations de propagation des champs
b) Déterminer le champ
c) Calculer la valeur moyenne dans le temps du vecteur de Poynting en fonction de
d) Le détecteur est un cadre carré de coté
Expliquer pourquoi il apparaît en circuit ouvert une tension électrique aux bornes
Quelle doit être l'orientation du cadre pour obtenir une tension efficace maximale?

e) Le navire est à 30 milles marins du radiophare. Celui-ci émet une onde monochromatique de fréquence 100 kHz avec une puissance moyenne
Partie II - Ondes dans les fluides
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II.A - Propagation du son
II.A.1) Approximation acoustique
b) L'approximation acoustique permet de se limiter à des équations d'ordre 1 . À quoi se réduit alors l'équation d'Euler?
c) Écrire de même la forme approchée à l'ordre 1 de l'équation de bilan massique.
d) Le coefficient de compressibilité isentropique est défini par
e) Montrer que
f) Montrer que la dérivée locale de la vitesse par rapport au temps est un champ de gradient. En déduire que l'écoulement est potentiel.
g) Montrer que
h) Le milieu étudié est-il dispersif ?
II.A.2) Aspect énergétique
b) On pose
c) Montrer que l'on peut trouver
II.A.3) Ordres de grandeur
tante molaire des gaz parfaits.
a) Rappeler la valeur numérique de
b) Exprimer le coefficient de compressibilité
c) En déduire l'expression de la célérité du son dans l'air en fonction de
d) On définit l'intensité sonore comme la valeur moyenne de la puissance sonore surfacique. On choisit une valeur de référence
e) On utilise souvent une échelle logarithmique pour indiquer un niveau sonore. Le niveau sonore correspondant à une onde d'intensité
Le seuil de douleur correspond à
II.B - Ondes à la surface libre d'un liquide
II.B.1) Mise en équations
b) Montrer que, si l'on néglige les termes d'ordre 2 dans l'équation d'Euler, la dérivée partielle de la vitesse par rapport au temps est un champ de gradient. En déduire qu'il est naturel d'introduire un potentiel des vitesses
c) Donner l'équation aux dérivées partielles satisfaite par
d) Montrer qu'avec les approximations précédentes, on a
e) Justifier le fait que l'on peut imposer
II.B.2) Solution progressive sur un plan d'eau de profondeur finie
L'écoulement s'effectue dans la direction
a) Préciser à quelles longueurs caractéristiques du problème les dimensions du bassin doivent être comparées pour qu'il soit légitime de les considérer comme grandes.
b) Montrer que les conditions aux limites conduisent à :
c) On cherche dans la suite une solution progressive dérivant du potentiel des vitesses
d) Montrer que
e) En déduire la relation de dispersion. Le milieu est-il dispersif ?
II.B.3) Solution progressive en eau profonde
b) Quelle est l'expression en eau profonde du potentiel des vitesses ?
c) Soient (
d) Quelle est la forme de la surface libre ?
II.C - Sillage d'un avion
II.C.1) Vol subsonique
a) Quelle est la période
b) Quelle est la région de l'espace qui peut être atteinte à un instant donné par une onde sonore provenant de l'avion?
II.C.2) Vol supersonique
a) Le son émis par
b) Pourquoi le son perçu est-il particulièrement intense si
c) On donne
- l'instant
t_0 ; - l'instant
t_0^′ ; - les positions de
A aux instantst_0 ett_0^′ .
d) L'observateur entend-il l'avion avant d'entendre le bang? Quelle est la duréeΔt d'émission des sons perçus entret_0^′ ett_0^′ + Δt^′ ? (Pour répondre, on pourra effectuer un développement limité def(t) au voisinage det_0 ). CalculerΔt pourΔt^′ = 0, 1 s et commenter.
e) Déterminer l'ensemble des points recevant l'onde de choc à un instant donné.
f) Quelle est la région de l'espace qui peut être atteinte à un instant donné par une onde sonore provenant de l'avion?
g) En conservant la valeur de la célérité du son de la question II.C.2-c), estimer la vitesse de l'obus sur la photographie 3.
II.D - Sillage d'un bateau
II.D.1) Relation de dispersion
b) Pour un bateau naviguant sur un bassin suffisamment profond, on peut estimer que la propagation des ondes de surface sera indépendante de la profondeur. On cherche alors une relation de dispersion de la forme
II.D.2) Forme du sillage
a) Donner la dimension physique de
b)L'émission par le bateau d'un paquet d'ondes s'effectue avec conservation de l'énergie cinétique et conservation du vecteur quantité de mouvement. Au cours de cette émission la vitesse du bateau varie de
c) En déduire, en utilisant la relation de dispersion établie à la question II.D. 1 - b), les expressions des vitesses de groupe et de phase en fonction de la vitesse
d) Le bateau se déplace à la vitesse
f) Le résultat est-il en accord avec ce que l'on peut observer sur la photographie 4 ? Peuton estimer la vitesse du catamaran?
g) Comparer ce résultat au résultat obtenu pour le sillage d'un avion supersonique.
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte Centrale physique 2 PC 2007 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte Centrale physique 2 PC 2007 ?
Le premier problème porte sur le champ magnétique terrestre et le rayonnement dipolaire d'un radiophare, le second sur les ondes acoustiques et de surface, jusqu'au sillage supersonique d'un avion et d'un bateau.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées sur Centrale physique 2 PC 2007 ?
Des ordres de grandeur fantaisistes pour le champ magnétique terrestre, une confusion sur la signification de μ0 dans le second problème, et un manque d'honnêteté intellectuelle face à une erreur de calcul.
Centrale physique 2 PC 2007 est-il long ?
Le rapport signale un manque de temps manifeste sur les dernières parties, consacrées au sillage de l'avion puis du bateau, moins abordées que le reste du sujet.
Ce sujet porte-t-il sur le cours de première ou deuxième année ?
Le rapport ne précise pas de niveau de programme particulier pour les différentes parties du sujet.
Pas de description pour le moment
