Centrale Physique MP 2011Sujet, corrigé et rapport du jury
- Diffraction et réseaux (Huygens-Fresnel)
- Décomposition de Fourier d'un signal
- Modèle de Drude
- Propagation d'ondes électromagnétiques dans un conducteur
- Continuité des champs à une interface
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Présentation du sujet
Difficulté moyenneLaser de forte puissance : étirement temporel d'une impulsion et réflexion sur une surface métalliqueAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Difficulté moyenneLe problème étudie le laser de forte puissance à travers deux parties largement indépendantes. La première porte sur l'étirement temporel d'une impulsion laser par une paire de réseaux de diffraction, de la diffraction par un miroir plan au réseau à échelettes. La seconde aborde la propagation et la réflexion d'une onde électromagnétique sur un métal selon le modèle de Drude, jusqu'à l'étude de l'ionisation et de la puissance limite du dépôt métallique.
- 1Partie I.A : diffraction par un réseau planÉtude qualitative puis quantitative de la diffraction par un miroir plan, à partir du principe de Huygens-Fresnel.
- 2Partie I.B : diffraction par un réseau à échelettesExtension de l'étude précédente en ajoutant l'angle d'inclinaison des facettes du réseau.
- 3Partie I.C : étirement temporel de l'impulsionCalcul du décalage temporel introduit par la paire de réseaux, puis analyse de l'impulsion en décomposition de Fourier.
- 4Partie II.A : propagation dans le métalÉtude de la conductivité dynamique d'un métal dans le modèle de Drude et de l'onde évanescente associée.
- 5Partie II.B : réflexion et ionisationÉtude de la structure des ondes réfléchie et transmise à l'interface vide-métal à partir des relations de continuité.
- 6Partie II.C : limite en puissanceEstimation des ordres de grandeur de la puissance transportée par l'impulsion laser et de la possibilité d'ionisation du métal.
Difficulté moyenne. Le rapport qualifie la longueur du sujet de raisonnable, ce qui a permis à de nombreux candidats d'aborder une partie significative du problème, tout en restant sélectif sur les dernières sous-parties.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesPrincipe de Huygens-Fresnel insuffisamment justifié · Erreurs de signe dans le calcul du déphasage · Mauvais choix d'origine pour l'intégrale de diffractionAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLe rapport qualifie la longueur du sujet de raisonnable, ce qui a permis à de nombreux candidats d'aborder une partie significative du problème. Les performances se répartissent de façon relativement uniforme sur les sous-parties, à l'exception des parties II.B et II.C, plus ouvertes, qui n'ont concerné que les meilleurs candidats. Le sujet s'est néanmoins révélé sélectif, la moyenne des 25% meilleures copies étant nettement supérieure au double de la moyenne des autres candidats.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Principe de Huygens-Fresnel insuffisamment justifiéI.A
L'énoncé qualitatif du principe n'a pas toujours été clairement exposé ; une relation mathématique seule ne remplace pas la présentation des hypothèses physiques.
« L’énoncé qualitatif du principe de Huygens-Fresnel n’a pas toujours été clairement exposé. »
- 2Erreurs de signe dans le calcul du déphasageI.A
Les candidats qui n'ont pas traité les angles algébriquement ont commis des erreurs de signe largement pénalisées, alors que les figures indiquaient des angles orientés.
« Des erreurs de signe dans le calcul du déphasage ont largement pénalisé les candidats qui n’ont pas traité les angles algébriquement. »
- 3Mauvais choix d'origine pour l'intégrale de diffractionI.A
De nombreuses copies ont reproduit un calcul classique de cours en centrant le miroir, alors que la figure imposait l'origine des abscisses et donc les bornes de l'intégrale.
« De trop nombreuses copies ont reproduit un calcul classique vu en cours en centrant le miroir. »
- 4Relations de continuité mal écritesII.B
Deux erreurs récurrentes sont apparues en partie II.B : annuler la somme des trois champs, ou remplacer un ordre spatial de part et d'autre du dioptre par une chronologie avant/après.
« Ces relations ont souvent été mal écrites avec deux types d’erreurs récurrentes. »
- 5Chiffres significatifs non respectésI.B
L'énoncé demandait de tenir compte du nombre de chiffres significatifs cohérent avec les données ; ce point a été rappelé à plusieurs reprises dans le rapport, notamment pour l'angle du réseau à échelettes.
- 6Représentation graphique fantaisiste de la décomposition de FourierI.C
Le module de la décomposition de Fourier de l'impulsion était souvent mal représenté : axes non indiqués, module ou fréquence négatifs.
« la représentation graphique du module était souvent fantaisiste : axes non indiqués, module négatif, fréquence négative »
Ce qui a été bien réussi
- La décroissance de l'amplitude de l'onde évanescente en partie II.A a été souvent bien abordée.
- Le calcul de la décomposition de Fourier de l'impulsion en créneau était correct dans l'ensemble pour les copies ayant abordé cette fin de partie.
- La qualité de la présentation des copies s'améliore, confirmant une tendance amorcée depuis plusieurs années.
- Les meilleurs candidats ont su mobiliser leur esprit d'initiative pour traiter les questions ouvertes de la partie II.C.
Conseils du jury
- Respecter le nombre de chiffres significatifs des données numériques fournies dans l'énoncé.
- Traiter les angles algébriquement plutôt que géométriquement pour éviter les erreurs de signe.
- Vérifier l'homogénéité dimensionnelle et l'unité du système international du résultat final.
- Rédiger de façon explicite le système étudié et la loi physique mise en oeuvre, et soigner les schémas et graphes.
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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Laser de forte puissance
La technique CPA consiste à étaler spatialement et temporellement à l'aide d'une paire de réseaux de diffraction une impulsion temporellement courte, puis d'amplifier l'impulsion couleur après couleur, de sorte que la puissance dans le matériau amplificateur reste en-dessous d'un seuil destructeur. On recomprime ensuite l'impulsion par un dispositif symétrique de réseaux pour obtenir une impulsion très intense.
I Étirement temporel d'une impulsion laser
I.A - Diffraction par un réseau plan
I.A.1) Énoncer le principe de Huygens et Fresnel.
I.A.2) On considère une facette contenue dans le plan
a) Justifier qu'on se limite à l'étude de l'onde diffractée dans le plan
.jpg)
c) En déduire l'éclairement
d) Tracer l'allure de l'intensité lumineuse en fonction de
I.A.3) On considère un réseau constitué de
On numérote les facettes de 0 à
a) Soit

b) En déduire l'expression de l'éclairement

Commenter ce tracé. En particulier, on déduira de la position des maxima la valeur du pas a du réseau. Préciser l'ordre d'interférence pour chacun des pics visibles. Pourquoi n'en voit-on pas plus? Estimer la valeur de
d) Que se passe-t-il si on éclaire le réseau avec une lumière polychromatique? Tracer
I.B - Diffraction par un réseau à échelettes
.jpg)
I.B.1) Diffraction par une facette
b) En déduire l'expression de l'amplitude complexe de la vibration lumineuse diffractée par une facette dans la direction
c) Quelle est la valeur de
I.B.2) Diffraction par le réseau
.jpg)
c) On veut faire coïncider pour une longueur d'onde
Sachant qu'il s'agit d'un réseau constitué de 1740 facettes par millimètre et qu'il est utilisé sous une incidence
d) Quel est l'intérêt de ce réseau par rapport au réseau plan du I.A ?
I.C - Étirement temporel d'une impulsion laser avec une paire de réseaux
En notant

I.C.1) Cas d'une onde monochromatique
b) On note
I.C.2) Cas d'un doublet
a) Faire un schéma de la marche des deux rayons dans la paire de réseaux. On fera clairement apparaître les angles
b) On note
c) On a
I.C.3) Cas d'une impulsion laser
b) Donner l'expression puis la valeur numérique de la largeur spectrale
c) Cette impulsion est envoyée sur la paire de réseaux. Expliquer pourquoi on peut parler d'étirement temporel. En supposant que la dérive de fréquence
d) Une fois l'impulsion étirée elle peut être amplifiée puis recomprimée avec une deuxième paire de réseaux afin de retrouver une impulsion de la durée initiale. Quelle condition doit vérifier la dérive de fréquence pour cette deuxième paire de réseau?
En pratique cette condition est réalisée en ajoutant un ensemble de deux lentilles afocal entre les réseaux.
II Réflexion sur une surface métallique, ionisation, puissance limite
Le métal (de l'or) occupe tout le demi-espace
II.A - Propagation d'une onde électromagnétique dans le métal
II.A.1) Conductivité du milieu
- les électrons sont traités dans le cadre de la mécanique classique;
- le déplacement des électrons est faible devant la longueur d'onde et l'accélération des électrons en
M est(∂v⃗)/(∂t)(M, t); - les électrons subissent de la part du réseau cristallin une force de la forme
− m/τv⃗(M, t) , oùτ est une constante caractéristique du milieu; - l'effet du champ magnétique sur un électron est négligeable.
a) En appliquant le principe fondamental de la dynamique à un électron, donner l'équation différentielle vérifiée parv⃗(M, t) .
On se place pour toute la suite dans le cas d'un régime sinusoïdal forcé de pulsationω : v⃗(M, t) = Re(v⃗_–(M, t)) avecv⃗_–(M, t) = v⃗_–(M)e^(jωt) .
Donner l'expression dev⃗_–(M, t) en fonction du champ électrique complexeE⃗_–(M, t) .
b) Justifier que la contribution des ions au vecteur densité de courant électriqueJ⃗_–(M, t) est négligeable.
c) Montrer que l'on peut écrire :
d) On donne : masse volumique de l'or
En supposant que chaque atome donne un électron libre, calculer la densité d'électrons
Montrer, en tenant compte des applications numériques précédentes, que l'on peut simplifier l'expression de la conductivité à :
II.A.2) Nature de l'onde
a) Écrire les équations de Maxwell vérifiées par les champs électrique et magnétique dans le conducteur.
b) En déduire l'équation d'onde vérifiée par le champ électrique.
c) On cherche à étudier la propagation d'un champ de la forme
d) Calculer
e) En déduire
f) Calculer numériquement la distance caractéristique sur laquelle les champs sont non négligeables. Justifier l'hypothèse milieu semi-infini.
II.B - Réflexion d'une onde électromagnétique

II.B.1) Donner les expressions des champs magnétiques correspondants.
II.B.2) Quelles relations les champs électriques et magnétiques des ondes incidente, réfléchie et transmise doivent-ils vérifier?
II.B.3) En déduire l'expression du coefficient de réflexion. Que peut-on dire de l'amplitude de l'onde réfléchie par rapport à celle de l'onde incidente?
II.B.4) Donner l'expression de l'amplitude
II.B.5) On note
II.C - Ionisation dans le métal, limite en puissance
II.C.1) Sachant que l'or a pour numéro atomique
En fait les tables donne une énergie de l'ordre de 9 eV . Comment peut-on expliquer l'écart entre les deux valeurs. On prendra la valeur tabulée pour la suite des calculs.
II.C.2) En supposant que lors d'un choc électron-ion toute l'énergie cinétique de l'électron est transmise à l'ion, quelle est l'ordre de grandeur de la vitesse susceptible de créer une ionisation supplémentaire.
II.C.3) Quelle est l'amplitude du champ électrique de l'onde incidente susceptible de donner lieu à une telle vitesse?
II.C.4) Quelle est la puissance moyenne de cette onde sachant que la section du faisceau est de l'ordre de
II.C.5) Expérimentalement, pour une impulsion de une picoseconde, on mesure un seuil d'endommagement de
Données
| Célérité de la lumière dans le vide |
|
| Perméabilité du vide |
|
| Permittivité du vide |
|
| Charge de l'électron |
|
| Masse de l'électron |
|
| Constante d'Avogadro |
|
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique Centrale MP 2011 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique Centrale MP 2011 ?
Le problème porte sur le laser de forte puissance : diffraction par des réseaux et étirement temporel d'une impulsion en partie I, propagation et réflexion d'une onde électromagnétique dans un métal selon le modèle de Drude en partie II.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées ?
Le jury signale des erreurs de signe dans le calcul du déphasage faute de traiter les angles algébriquement, un mauvais choix d'origine pour l'intégrale de diffraction, et des relations de continuité mal écrites en partie II.B.
Ce sujet de physique Centrale MP 2011 est-il sélectif ?
Oui : le rapport indique que la moyenne des 25% meilleures copies était nettement supérieure au double de la moyenne des autres candidats.
Quelle partie du sujet réserve les points aux meilleurs candidats ?
Les parties II.B et II.C, plus ouvertes, n'ont rapporté que 9% des points à elles deux et n'ont concerné que les meilleurs candidats.
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