Centrale Physique 2 PC 2013Sujet, corrigé et rapport du jury
- Ondes électromagnétiques dans les milieux diélectriques
- Modèle de l'électron élastiquement lié
- Indice complexe, dispersion et absorption
- Optique géométrique : lois de Snell-Descartes, minimum de déviation
- Relations de passage du champ électromagnétique
- Réflexion totale et onde évanescente
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Présentation du sujet
Difficulté moyenneLes diélectriques dans la nature et au laboratoire : dispersion, arc-en-ciel et réflexion totale frustréeAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Difficulté moyenneLe sujet de physique 2 Centrale PC 2013 étudie les milieux diélectriques en trois parties. Il établit la propagation d'une onde plane progressive harmonique dans un diélectrique à partir du modèle de l'électron élastiquement lié, applique la dispersion à l'arc-en-ciel, puis exploite la réflexion totale avec le capteur d'empreintes digitales et le déplacement de Goos-Hänchen.
- 1Partie I : propriétés générales des diélectriquesModèle de l'électron élastiquement lié, susceptibilité, indice complexe, dispersion et absorption d'une OPPH, puis exemples de polarisation dans la vie courante.
- 2Partie II : un phénomène de dispersionLoi de Cauchy, trajet d'un rayon dans une goutte d'eau et minimum de déviation de l'arc primaire, puis arcs surnuméraires par interférences.
- 3Partie III : deux applications surprenantes de la réflexion totaleOnde évanescente et réflexion totale frustrée, capteur d'empreintes digitales et déplacement de Goos-Hänchen par une étude énergétique.
Difficulté moyenne. Le jury juge la longueur raisonnable et le sujet riche en indications pour se relancer, mais l'optique géométrique a été insurmontable pour une bonne partie des candidats.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesVecteur et norme confondus · Dispersion et absorption mal identifiées · Notion de diélectrique non acquiseAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesL'épreuve porte surtout sur les ondes électromagnétiques de seconde année, avec un recours à l'optique géométrique. Sa longueur a permis aux meilleurs de tout aborder, et le jury estime qu'elle a bien classé les copies. Il insiste sur l'honnêteté intellectuelle : beaucoup de résultats intermédiaires étant fournis, les démonstrations forcées sont lourdement sanctionnées.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Vecteur et norme confondusI.A.2
L'amplitude du champ magnétique est prise égale à E/c sans discussion, et une partie des candidats confond un vecteur avec sa norme.
« une partie non négligeable ne semble pas faire de distinction entre un vecteur et sa norme »
- 2Dispersion et absorption mal identifiéesI.B.5, I.B.6
Peu de copies maîtrisent vitesse de phase et atténuation. Une discussion du signe de k'' liée au sens de propagation était attendue.
- 3Notion de diélectrique non acquiseI.C
Le milieu diélectrique est parfois assimilé à un plasma, voire à une boule de fer.
« le concept de milieu diélectrique n'était pas du tout acquis »
- 4Arc-en-ciel sans schémaII.B, II.C.1
Sans schéma du trajet dans la goutte, les angles ne sont pas définis et la déviation est fausse. L'approximation des petits angles était ici inadaptée.
« l'optique géométrique a été une épreuve insurmontable pour une bonne partie des candidats »
- 5Relations de passage et coefficientsIII.A.3, III.A.6 à III.A.8
Les conditions de passage sont souvent ignorées, et le calcul des coefficients de réflexion et de transmission aboutit rarement, jusqu'au module d'un rapport de complexes conjugués.
« Les conditions de passage du champ électromagnétique sont souvent ignorées »
- 6Démonstrations forcées vers le résultat fourniI.B.5, II.C.1, III.A.4
Transformer un calcul, surtout sur les signes, pour retrouver l'expression de l'énoncé annule les points et rend le correcteur méfiant sur toute la copie.
Ce qui a été bien réussi
- La mise en équation de l'électron élastiquement lié en régime sinusoïdal (I.A.3.b) est généralement bien traitée.
- La susceptibilité (I.A.3.c) et les questions guidées I.B.2 à I.B.4 sont une formalité pour la plupart.
- L'absorption dans le proche ultraviolet est régulièrement identifiée (I.B.7) et l'application numérique II.C.3 est bien traitée.
Conseils du jury
- Faire des schémas : trajet du rayon avec angles définis, trièdre (E, B, k) pour contrôler signes et projections.
- Vérifier la pertinence d'un résultat par un cas limite ou par l'homogénéité.
- Rester honnête quand le résultat est donné : une démonstration incomplète mais sincère vaut mieux qu'un calcul maquillé.
- Préciser le domaine de validité des conditions aux limites, par exemple en z = 0 pour tout x.
- Donner les résultats avec une unité et un nombre de chiffres significatifs cohérent avec les données, et soigner l'orthographe.
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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Les diélectriques dans la nature et au laboratoire
I Propriétés générales des diélectriques
I.A - Le modèle de l'électron élastiquement lié
I.A.1) Donner l'origine physique de la force de rappel et de la force de frottement.
I.A.2) Justifier pourquoi on peut négliger la force magnétique
I.A.3)
Par la suite, on admet que cette condition est satisfaite. On pose donc
b) Montrer que le vecteur position de l'électron
c) Rappeler la définition du moment dipolaire de l'atome ainsi que du vecteur polarisation du milieu en notant
I.B - Propagation d'une onde plane progressive harmonique (OPPH) dans un diélectrique
I.B.1) Comparer ces équations aux équations de Maxwell dans le vide. Commenter.
I.B.2) Déterminer l'équation de propagation vérifiée par le champ électrique.
I.B.3) En déduire la relation de dispersion exprimant
I.B.4) Montrer alors que l'on peut définir un indice optique complexe de la forme :
I.B.5) L'indice complexe se met sous la forme
I.B.7) Pour le verre flint :
I.C - La polarisation dans la vie courante
I.C.2) La capacité
II Un phénomène de dispersion
II.A - La loi de Cauchy
II.B - L'arc-en-ciel : observation de l'arc primaire
En suivant l'interprétation d'Isaac Newton, on considère une goutte d'eau éclairée par le soleil. L'eau est considérée comme un milieu transparent d'indice

II.B.2) Exprimer l'angle de déviation totale
II.B.3) Montrer que l'angle de déviation
II.B.4) En supposant toujours la lumière solaire monochromatique, que doit-on observer lorsqu'une pluie est éclairée directement par le soleil ?
II.B.5) On prend maintenant en compte le fait que la lumière est polychromatique (lumière blanche). Sachant que
II.B.6) Compte-tenu de cette étude, répondre aux questions pratiques suivantes.
a) Pourquoi observe-t-on un cercle limité à un arc ? Quel est le rayon angulaire de ce cercle ? L'arc primaire est-il coloré de rouge ou de violet à l'intérieur ?
b) Préciser les circonstances météorologiques nécessaires à l'observation. Faire un schéma montrant le soleil, l'observateur, la pluie et l'arc-en-ciel.
c) Le ciel parait-il plus ou moins lumineux à l'extérieur de l'arc-en-ciel qu'à l'intérieur? Pourquoi?
II.C - Formation des arcs surnuméraires
C'est le médecin et physicien anglais Thomas Young (1773-1829) qui découvrit le phénomène optique responsable des arcs surnuméraires en appliquant sa théorie sur les interférences à deux ondes aux gouttes de très petite taille. Il considère que deux rayons émergents parallèles à la sortie de la goutte, après avoir suivi des chemins différents dans la goutte, interfèrent pour donner un maximum ou un minimum de lumière suivant la valeur de leur différence de marche. Ces deux rayons, très proches, ont des angles d'incidence et d'émergence pratiquement égaux à la valeur

II.C.2) Montrer alors que l'ordre d'interférence peut s'écrire
II.C.3) Calculer les deux valeurs de
II.C.4) Calculer les longueurs d'onde correspondant à ces valeurs de
II.C.5) Le fait de considérer des gouttes d'eau de très petite taille fait intervenir un autre phénomène, lequel ?
III Deux applications surprenantes de la réflexion totale
III.A - Le phénomène de réflexion totale frustrée

.jpg)
III.A.1) Déterminer, en tout point
III.A.2) On note
III.A.3) Écrire les conditions de continuité des composantes des champs électrique et magnétique de part et d'autre de l'interface.
III.A.4) On suppose dans un premier temps, puisqu'il y a réflexion totale, qu'il n'y a pas d'onde transmise dans l'air. Montrer alors que les conditions de passage des champs électromagnétiques au niveau du dioptre ne peuvent pas être satisfaites.
III.A.5) On postule alors l'existence d'un champ électrique transmis, que l'on écrira sous la forme :
Montrer que la condition de passage pour le champ électrique fixe la valeur de
III.A.6)
b) Donner une interprétation physique pour cette distance.
c) Comment qualifier l'onde transmise ?
d) Application numérique
III.A.7) Montrer que les champs électriques réfléchi et transmis ont pour amplitude complexe :
III.B - Une première application : le capteur d'empreintes digitales

b) Dans la gamme des longueurs d'onde du visible, avec quelle couleur cette expérience sera-t-elle la plus convaincante ? Pourquoi ?
c) Comment réaliser avec ce dispositif des ondes stationnaires évanescentes ?
III.B.2) Comment, qualitativement, expliquer le principe du capteur d'empreintes digitales présenté au début de la question III.A ?
III.C - Un deuxième effet : le déplacement de Goos-Hänchen
III.C.1) Étude énergétique
.jpg)
III.C.2) On considère le faisceau laser utilisé pour réaliser l'expérience comme une superposition d'ondes planes dont les amplitudes dépendent de l'angle d'incidence
III.C.3)
b) Exprimer
c) Quelle est l'interprétation physique de
d) Montrer que
Données numériques
Masse de l'électron
Charge de l'électron
Permittivité diélectrique du vide
Formulaire
Questions fréquentes
4 questionsQuel est le sujet de physique 2 Centrale PC 2013 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsQuel est le sujet de physique 2 Centrale PC 2013 ?
Les diélectriques : modèle de l'électron élastiquement lié et propagation d'une onde dans un diélectrique, arc-en-ciel et dispersion, puis réflexion totale frustrée appliquée aux empreintes digitales et à l'effet Goos-Hänchen.
Quels chapitres réviser pour la physique 2 Centrale-Supélec PC 2013 ?
Les ondes électromagnétiques dans les milieux, l'indice complexe, les relations de passage et l'optique géométrique (réfraction, minimum de déviation).
Quelles erreurs le jury de physique 2 Centrale PC 2013 a-t-il relevées ?
Confusion entre vecteur et norme, dispersion et absorption mal identifiées, arc-en-ciel traité sans schéma, relations de passage ignorées et démonstrations forcées vers les résultats fournis.
Le sujet de physique 2 Centrale PC 2013 est-il long ?
Le jury juge sa longueur raisonnable : les meilleurs ont abordé toutes les questions, et les nombreuses indications permettaient de se relancer.
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