Centrale Physique 2 TSI 2008Sujet et corrigé
- Interférences et interféromètre de Michelson
- Oscillateur mécanique amorti en régime forcé
- Amplificateur opérationnel et asservissement
- Fonction de transfert et diagramme de Bode
- Interaction rayonnement-matière et émission stimulée
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- Rapport du jury : non disponible
Présentation du sujet
Physique II, Centrale TSI 2008 : le projet Virgo de détection des ondes gravitationnellesAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Le sujet étudie les principaux dispositifs du détecteur d'ondes gravitationnelles Virgo. La première partie étudie l'interféromètre de Michelson et la variation d'éclairement provoquée par le passage d'une onde gravitationnelle. La deuxième partie étudie l'isolation sismique des miroirs par des pendules amortis, seuls puis en cascade. La troisième partie étudie l'asservissement électronique de la position du miroir par un filtre puis un intégrateur. La quatrième partie étudie le principe de l'émission stimulée à l'origine du fonctionnement du laser utilisé par l'interféromètre.
- 1Partie I : interféromètre de MichelsonOn étudie la différence de chemin optique induite par le passage d'une onde gravitationnelle dans un interféromètre de Michelson, et la sensibilité minimale détectable compte tenu du bruit de comptage de photons.
- 2Partie II : isolation sismique des éléments d'optiqueOn étudie le comportement d'un pendule simple amorti soumis à un support mobile, puis d'une cascade de pendules, pour atténuer les vibrations sismiques transmises au miroir.
- 3Partie III : contrôle de la position du miroirOn étudie la fonction de transfert d'un filtre à amplificateur opérationnel pour la commande de vitesse, puis l'asservissement de position du miroir par un intégrateur, avec l'étude de sa stabilité et de sa bande passante.
- 4Partie IV : le laser en amont de l'interféromètreOn étudie la distribution de Maxwell-Boltzmann des populations atomiques, l'absorption et l'émission spontanée, puis l'émission induite introduite par Einstein qui explique le fonctionnement du laser.
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PHYSIQUE II
Projet Virgo
Calculatrices autorisées
Préambule
Les ondes gravitationnelles sont de petites perturbations de la géométrie locale de l'espace-temps. On les caractérise classiquement par une grandeur sans dimension
L'importance de telles ondes, prédite par la Relativité Générale, provient du fait qu'elle pourraient valider les prédictions d'Einstein et que tout phénomène physique peut en être la source, puisqu'il n'y a pas de matière qui soit neutre gravitationnellement. En particulier, les
Le projet franco-italien Virgo consiste à détecter, par des méthodes d'interférométrie optique poussées à leurs limites extrêmes de sensibilité, ces
L'objectif du projet Virgo est d'atteindre une sensibilité suffisante
Notations :
- à une grandeur réelle
g(t) = Gcos(ωt + φ) on associe la grandeur complexeg_– = G_–e^(jωt) , -
a_– étant l'amplitude complexe lumineuse, l'éclairement est alorsE = a_– ⋅ a_–^∗ .
Filière TSI
Partie I - Interféromètre de Michelson
I.A - La figure 1 donne le schéma d'un interféromètre. Les miroirs
I.A.1) À partir d'un schéma clair, expliquer en quelques lignes le rôle de la lame compensatrice, notée
I.A.2) On admet que l'ensemble
Dans cette question il n'y a aucune
a) On note

rayons se réfléchissant sur
b) En déduire, par une démonstration rapide, l'éclairement
c) Qu'observerait-on si l'ensemble
I.B - On suppose maintenant que l'interféromètre est soumis à une
- une onde lumineuse se propageant dans la direction
Ox voit un indice égal àn_x = 1 − (1/2)h(t, z) ; - une onde lumineuse se propageant dans la direction
Oy voit un indice égal àn_y = 1 + (1/2)h(t, z);
oùh(t, z) = h_0 cos(2πv_(OG)(t − z/c)) caractérise le passage deOG (voir préambule). On supposera que cette grandeur a une amplitude constante sur l'ensemble de l'interféromètre (z = 0 ) ainsi que pendant sa propagation dans celui-ci:h(t, z) = h_0 = 10^(− 21) .
I.B.1)
a) Calculer en présence de l'OG le chemin optique (OI_1 ) en fonction deh_0 etL_1 .
b) Même question pour le chemin optique (OI_2 ) en fonction deh_0 etL_2 .
c) En déduire la différence de chemin optiqueδ entre deux rayons interférant, en fonction dee, h_0, L_1 etL_2 .
I.B.2) Montrer qu'en présence de l'OG l'éclairement en sortie de l'interféromètre s'écrit, au premier ordre enh_0 :
I.B.3) On appelle
b) Pour quelle valeur de
Application numérique : pour
I.B.4) En réalité, il faut optimiser la sensibilité de la méthode de détection. Une limitation fondamentale, en optique, est le bruit de comptage de photons ("shot noise"). On peut montrer que le rapport signal sur bruit, qu'il faut maximiser, s'écrit alors :
a) Déterminer la valeur la plus intéressante pour
b) Expérimentalement on a
I.B.5) On admettra que la plus grande sensibilité de l'interféromètre est atteinte pour
I.B.6)
a) Le dispositif étudié ici permet-il de détecter les
b) Sachant que l'amplitude d'une
Quatre interféromètres de ce type existent dans le monde ; les projets les plus avancés sont LIGO (États-Unis) et TAMA (Japon).
Partie II - Isolation sismique des éléments d'optique
II.A - Pendule simple
II.A.1) Établir l'équation différentielle vérifiée par
II.A.2) On soumet maintenant la masse
Effectuer un bilan énergétique (on pourra poser

II.B - Le point
II.B.1) À partir du principe fondamental de la dynamique, établir l'équation différentielle vérifiée par
II.B.2)
a) En régime sinusoïdal établi, montrer que la relation entre les amplitudes complexes
c) Application numérique :
d) On souhaite également, par un modèle du même type, mesurer l'amplitude des vibrations sismiques : dans quel domaine doit-on alors choisir
II.C - Amélioration du dispositif
On note (figure 3)
II.C.1) À partir du principe fondamental de la dynamique:
a) déterminer la norme de la tension du fil exercée sur la masse
b) montrer que la norme de la tension
II.C.2)
a) Déduire de II.C.1-a) l'équation différentielle du mouvement du miroir faisant intervenir
b) Montrer que l'équation différentielle satisfaite par
la position de la ième masse est :
b) Pour cette question on se place dans le cas où
c) Dans le dispositif du projet Virgo,
En réalité ce modèle est insuffisant. Le dispositif d'atténuation, appelé superatténuateur, est constitué d'une pré-isolation, puis de cinq filtres (auxquels on ajoute des ressorts pour amortir les mouvements verticaux) et enfin d'un système magnétique permettant l'immobilisation de l'ensemble. La fréquence de résonance est alors ramenée à environ 30 mHz , ce qui permet une atténuation de
Partie III - Contrôle de la position du miroir
-
E_(ref)(t) est une tension de référence ; - Le filtre
H_2 permet de passer de la vitesse de translation du miroir à la position de celui-ci ;V(t) etx(t) sont des
.jpg)
tensions proportionnelles respectivement à la vitesse et à la position du miroir ; - On rappelle que le symbole :

signifie ques = E_1 − E_2
III.A - Étude de la commande de vitesse
III.A.1) Établir la fonction de transfert
III.A.2) Faire une étude asymptotique du gain en décibel et tracer l'allure de son diagramme de Bode.
On précisera les différents éléments caractéristiques.
III.B - Asservissement de la position du miroir
III.B.2) Quelle réalisation la plus simple possible proposeriez-

III.B.3) Expliquer l'utilité de cet asservissement.
III.B.4)
a) Déterminer la fonction de transfert
b) Faire une étude asymptotique du gain en décibel et tracer son diagramme de Bode. On précisera les différents éléments caractéristiques.
c) Déterminer la bande passante
III.B.5) On prend
Partie IV - En amont de l'interféromètre : le LASER
| Oscillateur |
| LAVité optique |
ses caractéristiques nécessitent une étude poussée, ce n'est toutefois pas à ceci que nous nous intéresserons, mais plutôt à l'amplification : effet physique qui a donnée son nom au laser.
IV.A - À propos de l'émission stimulée
-
N_1 : nombre d'atomes dans l'état excité d'énergieE_1 . -
N_0 : nombre d'atomes dans l'état fondamental d'énergieE_0 .
IV.A.2) Que vaut ce rapport à la températureT = 0 K ? Était-ce prévisible ? Justifier. Que devient ce rapport à très haute température ? Peut-il être égal à l'unité ? Justifier.
IV.A.3) Sachant que l'énergie d'un photon associé à une onde de fréquencev estE_(photon) = h_(Planck) ⋅ v , quelle est l'énergie d'un photon associé à une onde de longueur d'ondeλ = 1064 nm correspondant à la longueur d'onde du laser placé devant l'interféromètre et que l'on assimilera à la désexcitation d'un atome du niveau d'énergieE_1 vers le fondamental ? Calculer alors, et commenter, le rapportN_1/N_0 pour la températureT = 298 K ?
(On rappelle queh_(Planck) = 6, 62 ⋅ 10^(− 34) J ⋅ s ).
IV.B - Absorption et émission spontanées
IV.B.1) On considère un système gazeux comportant
IV.B.2) D'autre part, les états d'énergie supérieure au fondamental sont instables et l'atome perd, au bout d'un temps plus ou moins long, spontanément l'énergie qu'il a acquise lors de l'absorption du photon. On admet que la varia-
tion élémentaire d'atomes
IV.B.3) Si les
Ce résultat est-il compatible avec la distribution de Maxwell-Boltzmann traitée dans la partie IV.A ?
IV.C - Émission induite
IV.C.1) Montrer que cette hypothèse permet de lever la contradiction rencontrée dans la question précédente sous réserve que
IV.C.2) Proposer un schéma fonctionnel simple qui illustre le principe de fonctionnement d'un laser. Sur ce schéma devront clairement apparaître le milieu amplificateur, la source d'énergie, les miroirs et le faisceau émergent.
FIN
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte ce sujet de physique II Centrale TSI 2008 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte ce sujet de physique II Centrale TSI 2008 ?
Il porte sur les interférences et l'interféromètre de Michelson, les oscillateurs mécaniques amortis en régime forcé, l'électronique avec amplificateur opérationnel et l'asservissement, et l'interaction rayonnement-matière.
Les quatre parties sont-elles indépendantes ?
L'énoncé précise qu'elles sont dans une large mesure indépendantes, même si toutes concernent la mise en œuvre du projet Virgo de détection d'ondes gravitationnelles.
Quelles notions d'électronique sont mobilisées dans ce sujet ?
La fonction de transfert d'un filtre à amplificateur opérationnel, le diagramme de Bode et l'étude d'un système asservi (stabilité, bande passante) dans la partie III.
Qu'est-ce que l'émission induite étudiée dans la dernière partie ?
C'est l'hypothèse formulée par Einstein selon laquelle un photon incident peut provoquer la désexcitation d'un atome excité en émettant un second photon de même énergie, à l'origine du fonctionnement du laser.
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