E3A Physique PSI 2012Sujet, corrigé et rapport du jury
- Diffusion de particules : loi de Fick
- Diffusion de quantité de mouvement
- Diffusion thermique et loi de Fourier
- Analyse dimensionnelle et lecture de graphes
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Présentation du sujet
DifficilePhénomènes de transport diffusif : loi de Fick, colorant, fluide visqueux et diffusion thermiqueAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
DifficileLe sujet, sans calculatrice, étudie les phénomènes de transport diffusif à travers quatre parties indépendantes : la loi de Fick, la diffusion de molécules de colorant entre deux solutions, la diffusion de quantité de mouvement dans un fluide visqueux, et la diffusion thermique dans un fil électrique. Chaque partie part de questions proches du cours avant d'évaluer l'ingéniosité et le sens critique du candidat.
- 1Première partie : diffusion, loi de FickÉtablir l'équation de diffusion par un bilan de matière et étudier le cas d'un coefficient de diffusion variable.
- 2Deuxième partie : diffusion des molécules d'un colorant entre deux solutionsÉtudier la diffusion de molécules de colorant puis une technique expérimentale de détermination d'un coefficient de diffusion.
- 3Troisième partie : diffusion dans un fluide visqueuxÉtablir l'équation de diffusion de quantité de mouvement et introduire la longueur caractéristique de diffusion et le nombre de Reynolds.
- 4Quatrième partie : diffusion thermique dans un fil électriqueÉtablir le bilan énergétique d'un fil électrique et comparer les effets de conduction thermique et de l'effet Joule.
Difficile. Le jury juge le niveau général des connaissances insuffisant, avec une moyenne de 9,36 sur 20 et un écart-type de 4,25, malgré un barème adapté et un énoncé raccourci par rapport aux années précédentes.
L'épreuve en chiffres
Moyenne 9,36 / 20 · écart-type 4,25 · où vous situez-vous ?Afficher ou masquer la section
L'épreuve en chiffres
- Moyenne
- 9,36/ 20
- Écart-type
- 4,25
Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.
Source : rapport du jury. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesLoi de Fourier non identifiée comme point de départ de Fick · Première question de la partie 2 catastrophique · Raisonnement orienté vers un résultat connuAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesLe sujet, sélectif et classant, débutait par des questions de cours avant d'évaluer l'imagination des candidats. Malgré un barème adapté, les résultats sont jugés loin d'être satisfaisants : les réponses sont souvent approximatives, mal justifiées, et la lecture de graphes pose des difficultés à bon nombre de candidats.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Loi de Fourier non identifiée comme point de départ de Fick
La loi de Fourier, sur laquelle Fick s'est appuyé, a été très peu citée ; les réponses furent trop souvent dénuées de bon sens, évoquant la loi de gravitation ou celle des gaz parfaits.
« Les réponses furent trop souvent dénuées de bon sens : loi de gravitation, loi des gaz parfaits »
- 2Première question de la partie 2 catastrophique
De nombreuses erreurs de calcul, faute de calculatrice, et des unités trop souvent absentes ont pénalisé cette question.
« La première question a été catastrophique à cause d'erreurs de calcul en pagaille »
- 3Raisonnement orienté vers un résultat connu
En introduction de la troisième partie, les étudiants connaissant le résultat aboutissent coûte que coûte à la force volumique de viscosité, précédée d'un donc abusif.
« précédée d'un « donc » abusif »
- 4Flux thermique présenté sous forme intégrale à tort
Le flux thermique fut présenté en majorité sous forme intégrale alors que la question précisait bien de le calculer à travers une section droite.
- 5Proportionnalité à dx ignorée
Beaucoup de candidats ont ignoré que les grandeurs étaient proportionnelles à dx, ce qui a rendu fausses les expressions de la résistance et de la puissance thermique volumique.
Ce qui a été bien réussi
- Le bilan de matière a été convenablement effectué et a massivement abouti à l'expression de l'équation de la diffusion, avec une analyse dimensionnelle fort bien traitée.
- La question inspirée de la loi d'Ohm dans la première partie fut très souvent abordée avec succès.
- La presque totalité des candidats a bien senti le caractère négligeable du phénomène de pesanteur devant la diffusion en deuxième partie.
- Le bilan énergétique de la quatrième partie a été fort bien traité, et la puissance thermique bien écrite.
Conseils du jury
- Lire l'énoncé attentivement et sans précipitation, les clés du raisonnement étant souvent glissées dans les phrases introductives.
- Rédiger une partie entière plutôt que de papillonner d'une question à l'autre pour grappiller des points.
- Toujours commenter et justifier les résultats plutôt que de se réfugier dans le seul calcul.
- S'entraîner à la lecture et au tracé de graphes, en cohérence avec l'analyse physique attendue.
- Préparer le concours par un apprentissage équilibré entre théorie et pratique expérimentale.
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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CONCOURS ARTS ET MÉTIERS ParisTech - ESTP - ARCHIMÈDE
Épreuve de Physique PSI
L'usage de calculatrices est interdit.
AVERTISSEMENT
- les explications des phénomènes étudiés interviennent dans la notation au même titre que les développements analytiques et les applications numériques ; les résultats exprimés sans unité ne seront pas comptabilisés ;
- tout au long de l'énoncé, les paragraphes en italiques ont pour objet d'aider à la compréhension du problème ;
- tout résultat fourni dans l'énoncé peut être admis et utilisé par la suite, même s'il n'a pas été démontré par le(la) candidat(e).
PREMIERE PARTIE DIFFUSION - LOI DE FICK
A2. Rappeler la loi de Fick ; expliquer le caractère «phénoménologique» de cette loi. Justifier l'existence d'un flux de particules et son orientation relative vis à vis du gradient de concentration.

DEUXIEME PARTIE DIFFUSION DES MOLECULES D'UN COLORANT ENTRE DEUX SOLUTIONS
.jpg)
En tirer la conclusion utile pour la suite du problème, en utilisant les données suivantes :
Détermination expérimentale du coefficient de diffusion
.jpg)

En déduire la déflexion verticale globale H du rayon en fonction de d , L et
(utiliser pour cela l'approximation aux petits angles)
B10. Exprimer la déflexion verticale maximale
Préconiser, en décrivant l'expérimentation et en représentant l'aspect de l'écran, une méthode de détermination du coefficient de diffusion
Quel(s) paramètre(s) influe(nt) majoritairement sur la précision de détermination du coefficient de diffusion?
TROISIEME PARTIE DIFFUSION DANS UN FLUIDE VISQUEUX

C1. Exprimer les forces élémentaires horizontales exercées, l'une sur la face supérieure de la tranche de fluide, l'autre sur sa face inférieure ; en déduire leur résultante volumique
C3. Rechercher la dimension de la quantité
C4. Comparer le mouvement du fluide avec un éventuel mouvement de convection ; quel coefficient introduire pour les différentier l'un de l'autre?
- avant la mise en mouvement de la plaque, le fluide est au repos :
u_x = 0, ∀t ≤ 0 ; - la condition de non glissement du fluide sur la paroi de la plaque impose:
u_x(z = 0) = U, ∀t > 0 ; - à très grande distance de la plaque, la vitesse
u_x devient négligeable.
Identifier, grâce aux conditions aux limites, les constantes A et B et exprimer la répartition de vitesse
QUATRIEME PARTIE DIFFUSION THERMIQUE DANS UN FIL ELECTRIQUE

.jpg)
D4. Exprimer, par application de la loi d'Ohm, la résistance dR d'une tranche élémentaire du fil, de longueur dx et de section S ; en déduire la puissance thermique volumique
D5. Etablir l'équation différentielle vérifiée par la température
En déduire l'expression de
D6. Ecrire le courant de chaleur ou flux thermique
Tracer, toujours avec

Résoudre l'équation différentielle qui en résulte en établissant la loi de variation de la température
Illustrer son évolution à l'aide d'un schéma. Analyser physiquement le résultat obtenu.
D11. Exprimer la résistance électrique
En déduire la variation relative de résistance
FIN DE L'EPREUVE
COMPLEMENTS MATHEMATIQUES

Questions fréquentes
3 questionsSur quels chapitres porte le sujet de Physique e3a PSI 2012 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
3 questionsSur quels chapitres porte le sujet de Physique e3a PSI 2012 ?
Le sujet porte sur les phénomènes de diffusion : loi de Fick, diffusion de molécules de colorant, diffusion de quantité de mouvement dans un fluide visqueux et diffusion thermique dans un fil électrique.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées sur ce sujet ?
Le jury relève des erreurs de calcul faute de calculatrice, des raisonnements orientés vers un résultat déjà connu, et une lecture insuffisante des consignes sur les grandeurs à calculer.
Le sujet de Physique e3a PSI 2012 est-il difficile ?
Oui, le jury juge le niveau général des connaissances insuffisant, avec une moyenne de 9,36 sur 20 et un écart-type de 4,25, malgré un sujet raccourci par rapport aux années précédentes.
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