Mines Physique 1 MP 2013Sujet, corrigé et rapport du jury
- Oscillateur mécanique amorti
- Condensateur plan et circuits RC
- Premier principe pour un système ouvert
- Détente d'un gaz parfait dans une tuyère
- Interférences à deux ondes et interféromètre de Michelson
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Présentation du sujet
DifficileAutour d'un dragster à réaction : accéléromètre MEMS, propulsion par réacteur et contrôle d'épaisseur par interférencesAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
DifficileLe problème suit la conception d'un dragster à réaction en trois parties largement indépendantes. La première étudie un accéléromètre MEMS couplant oscillateur mécanique amorti et mesure capacitive démodulée. La deuxième applique le premier principe à un système ouvert pour calculer la poussée d'un réacteur. La troisième mesure des épaisseurs de pièces par dispositifs interférentiels.
- 1I. Mesure de l'accélération par un système embarquéModélisation mécanique d'un MEMS (masse, ressorts, amortisseurs) puis mesure capacitive du déplacement et démodulation synchrone du signal.
- 2II. Propulsion de l'engin par un réacteur d'avionPremier principe pour un système ouvert en régime permanent, détente dans la tuyère, calcul de la force de poussée et de l'accélération du dragster.
- 3III. Contrôle d'épaisseur de certaines piècesMesure de l'épaisseur d'un dépôt métallique par franges décrochées, puis de l'épaisseur d'une lame de verre par interféromètre de Michelson avec le doublet du sodium.
Difficile. Le rapport indique que l'épreuve n'a pas été bien réussie dans l'ensemble, par manque d'analyse physique ; plusieurs questions affichent des taux de réussite très faibles (5 %, 2 %, voire 1 % pour la question 24).
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesConfusion entre référentiel du dragster et référentiel galiléen · Résolution réelle au lieu du passage en complexes · Filtre passe-bas de la cellule RC non identifiéAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLe sujet, bien que constitué de questions majoritairement classiques couvrant mécanique, électrocinétique, thermodynamique et optique, n'a pas été bien réussi. Le jury pointe un manque d'analyse physique des phénomènes et un défaut de précision, notamment l'absence fréquente de schémas et une gestion approximative des chiffres significatifs.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Confusion entre référentiel du dragster et référentiel galiléenQ2
De nombreux candidats confondent l'accélération de la masse dans le référentiel en mouvement lié au dragster et celle dans le référentiel galiléen lié au sol.
« dans le référentiel en mouvement et dans le référentiel galiléen »
- 2Résolution réelle au lieu du passage en complexesQ5
Chercher la solution sinusoïdale forcée directement en réel, sans passer par les complexes, conduit à des calculs lourds qui n'aboutissent pas toujours à l'amplitude.
« Il est curieux que de nombreux candidats cherchent une solution sinusoïdale forcée réelle sans passer par les complexes »
- 3Filtre passe-bas de la cellule RC non identifiéQ10
Cette question, très mal traitée, montre que seuls quelques candidats reconnaissent que la cellule RC se comporte comme un filtre passe-bas.
« seuls quelques candidats ont compris que la cellule RC est un filtre passe bas »
- 4Énumération de toutes les hypothèses possiblesQ11
Alors qu'il suffisait d'invoquer le caractère permanent de l'écoulement, certains candidats énumèrent toutes les hypothèses envisageables, ce qui ne rapporte aucun point.
« certains candidats ont livré toutes les hypothèses possibles »
- 5Absence de schéma en optiqueQ19
Trop de candidats donnent une expression sans schéma ni explication, alors qu'un schéma des rayons interférents est indispensable pour déterminer la différence de marche.
« Trop de candidats donnent une expression sans aucune explication ni schéma »
- 6Question de contrôle d'épaisseur impossible sans schémaQ23
La question sur la lame de verre transparente ne peut être traitée sans un schéma clair du dispositif interférentiel, ce que peu de candidats ont fait.
« Il est impossible de répondre à cette question sans faire de schéma »
Ce qui a été bien réussi
- La question 1 sur les forces de rappel et d'amortissement affiche un taux de réussite de 91 %.
- Les questions de thermodynamique sur le premier principe pour un système ouvert (Q11, Q12) sont réussies par plus de la moitié des candidats.
- Le jury souligne l'existence d'excellentes copies témoignant d'un travail sérieux et approfondi.
Conseils du jury
- Faire systématiquement un schéma pour préciser les grandeurs introduites, en particulier en optique.
- N'invoquer que l'hypothèse pertinente plutôt que d'énumérer toutes les hypothèses possibles.
- Passer par les complexes pour résoudre une équation différentielle en régime sinusoïdal forcé.
- Respecter le nombre de chiffres significatifs donné dans l'énoncé (trois ici) sans donner de résultat à six chiffres.
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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ÉCOLE DES PONTS PARISTECH SUPAERO (ISAE), ENSTA PARISTECH, TELECOM PARISTECH, MINES PARISTECH, MINES DE SAINT-ÉTIENNE, MINES DE NANCY, TÉLÉCOM BRETAGNE, ENSAE PARISTECH (FILIÈRE MP) ÉCOLE POLYTECHNIQUE (FILIÈRE TSI) CONCOURS D'ADMISSION 2013 PREMIÈRE ÉPREUVE DE PHYSIQUE
Les candidats sont priés de mentionner de façon apparente sur la première page de la copie :
PHYSIQUE I —MP.
L'énoncé de cette épreuve comporte 6 pages.
- Si, au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, il est invité à le signaler sur sa copie et à poursuivre sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il aura été amené à prendre.
- Il ne faudra pas hésiter à formuler les commentaires (incluant des considérations numériques) qui vous sembleront pertinents, même lorsque l'énoncé ne le demande pas explicitement. Le barème tiendra compte de ces initiatives ainsi que des qualités de rédaction de la copie.
AUTOUR D'UN DRAGSTER À RÉACTION
I. - Mesure de l'accélération par un système embarqué
I.A. - Analyse du mouvement mécanique
.jpg)
- 1 - Exprimer la résultante
F⃗_r des forces de tension des ressorts appliquée à la masse en fonction dek, L et du vecteureˆ_x . Exprimer la résultanteF⃗_a des forces d'amortissement appliquée à la masse en fonction def, L˙ et du vecteureˆ_x . - 2 - En appliquant le principe fondamental de la dynamique dans le référentiel lié au sol, déterminer l'équation différentielle vérifiée par
L et décrivant le mouvement de la massem lorsque le dragster possède une accélération de modulea dans la direction desx > 0 . - 3 - Afin d'étudier la réponse mécanique globale de ce système, on s'intéresse au cas particulier d'une accélération sinusoïdale de pulsation
ω , les représentations complexes des grandeurs physiquesL eta sont notéesa_– = A_m e^(jωt) etL_– = L_–_m e^(jωt) ; calculer la transmittanceL_–/a_– de ce système en fonction deξ = ω/(ω_o), μ etG = ω_o^(− 2) . En déduire le régime de pulsation dans lequel une mesure deL permet de déterminer l'accélération subie par le système. On justifiera le raisonnement.
I.B. - Mesure du déplacement
Dans un Mems une série de de micro-lamelles sont imbriquées comme si deux peignes à cheveux étaient en regard l'un de l'autre. Les condensateurs sont alors simplement plus nombreux que dans le modèle que nous utilisons. Le dispositif formé par les condensateurs est alimenté par les tensions

- 4 - Déterminer l'équation différentielle vérifiée par
v_3(t) en fonction deV_s, τ, ω, cos(ωt) et de la tensionV_2 = (C_1 − C_2)/(C_1 + C_2)V_1 - 5 - Résoudre cette équation en trouvant l'expression de
v_3(t) en fonction deV_s, V_2, ω ,τ, cos(ωt + φ) et d'une constanteV_0 associée au régime libre, fixée par les conditions initiales et que l'on ne cherchera pas à déterminer. En particulier, on exprimera d'une part la phase à l'origineφ en fonction deω etτ et d'autre part l'amplitude des oscillations en régime permanent en fonction deω, V_2 etτ . - 6 - On fixe
τ = 5 ms etω = 10^5 rad.s^(− 1) , la mesure dev_3(t) est faite pourt≫τ . En déduire, dans ces conditions, une expression approchée dev_3(t) ne dépendant plus que deV_s ,V_2 etsin(ωt) . - 7 - Soit deux plaques parallèles, chacune de surface
S , séparées par une distancee petite devant les autres dimensions. La normale aux plaques est un vecteure_x ˆ orientant l'axeOx . On néglige les effets de bords ainsi que l'épaisseur des plaques. La première plaque située enx = 0 , porte la chargeQ et la seconde située enx = e porte la charge− Q . Déterminer la capacitéC du condensateur plan formé par ces plaques en admettant que le champ est nul à l'extérieur de ce dernier. On exprimeraC en fonction deS, e et de la permittivité du videε_o - 8 - Les condensateurs du schéma de principe de l'accéléromètre de la figure 1 sont plans et les surfaces en regard ont une aire
S . En utilisant le résultat de la question précédente, exprimerC_1 etC_2 en fonction ded, L, S etε_o .
◻9 - Sous les hypothèses de la question 6, exprimerv_3(t) en fonction deV_1, L, d, V_s etsin(ωt) . On conservera cette expression pour la suite de l'étude.
Pour extraire l'information, le principe utilisé est celui de la démodulation synchrone : le signalv_3(t) est multiplié parv_1(t) pour obtenir un signals_1(t) = h × v_1(t) × v_3(t) oùh est un gain positif, puis le résultat est filtré pour obtenir le signals(t) . L'ensemble de ce dispositif d'acquisition est représenté sur la figure 3.

- 10 - Après avoir écrit l'expression de
s_1(t) , déterminer le signals(t) qu'il est possible d'observer en mode DC sur un oscilloscope. On détaillera le raisonnement permettant d'obtenir cette expression, on exprimera tout d'abords(t) en fonction deh, V_1, L, d etV_s puis, en supposant queL eta ne dépendent pas du temps, en fonction deh, V_1, a, m, k, d etV_s .
FIN DE LA PARTIE I
II. - Propulsion de l'engin par un réacteur d'avion !
II.A. - Premier principe pour un système ouvert
On suppose que le régime est permanent. Les grandeurs intensives (pression, température...) ont des valeurs uniformes avant la partie commune et seront notées
.jpg)
- 11 - Démontrer que le débit massique
D_m est constant entre l'entrée et la sortie du système.
12- On indice avec une les grandeurs en entrée et avec uns les grandeurs en sortie, on noteW_i le travail autre que celui des forces de pression. Appliquer le premier principe au système ferméΣ entre les instantst ett + dt en régime permanent et trouver une relation entre les énergies internes (U_e, U_s ), potentielles (E_(p, e), E_(p, s) ), cinétiques (E_(c, e), E_(c, s) ), les pressions (P_e, P_s ), les sections (S_e, S_s ), les longueurs (dℓ_e, dℓ_s ) et le travailδW_i . - 13 - La vitesse macroscopique du fluide entrant est notée
c⃗_e = c_e eˆ_x et celle du fluide sortantc⃗_s = c_s eˆ_x , on notez_e etz_s les altitudes correspondantes (l'axez est orienté vers le haut) etω_i = (δW_i)/(dm) le travail indiqué massique en posantdm = dm_e = dm_s . Le volume massique à l'entrée de la partie commune estv_e etv_s à la sortie, les enthalpies massiques sont notéesh . Réécrire le premier principe pour obtenir une expression massique de ce dernier relianth_e, h_s ,c_e, c_s, g, z_e, z_s etω_i .
II.B. - Force de poussée du réacteur - Étude de la tuyère

- 14 - Déterminer l'expression de la température
θ_s du gaz à la sortie de la tuyère et sa valeur numérique. - 15 - Exprimer la vitesse
c⃗_s du gaz à la sortie de la tuyère en fonction dec_p et des températuresθ_e etθ_s . Calculer la valeur numérique de sa norme.
- 17 - Déterminer la valeur de la norme
a de l'accélération subie au démarrage par un dragster de1, 06 ⋅ 10^3 kg équipé du réacteur décrit dans la question précédente. On exprimera cette accélération eng (accélération de la pesanteur). - 18 - Le débit massique est supposé constant. On admet que la force de poussée calculée dans le référentiel lié au réacteur garde la même valeur (norme, direction et sens) dans le référentiel lié au sol. Calculer le temps mis par le dragster pour parcourir les 305 m de la piste dans le cas ou la seule force existante serait la force de poussée. Le résultat attendu est numérique à deux chiffres, et non littéral, de manière à pouvoir conclure sur la capacité de ce véhicule à faire mieux qu'un dragster classique (sans réacteur) qui parcourt la distance en
3, 80 s .
FIN DE LA PARTIE II
III. - Contrôle d'épaisseur de certaines pièces
III.A. - Contrôle d'épaisseur d'un dépôt métallique

- 21 - Qu'observe-t-on sur l'écran si on remplace l'air par de l'eau dans la même expérience. Préciser, en le justifiant, ce qui est modifié et ce qui ne l'est pas.
III.B. - Mesure de l'épaisseur de la pièce transparente
- 25 - Exprimer la différence
Δλ entre les des deux longueurs d'onde de la raie double du sodium en fonction dee_1, e_(11) etλ_m . En déduire la valeur numérique de cette différence.
FIN DE LA PARTIE III
FIN DE L'ÉPREUVE
Questions fréquentes
4 questionsLe sujet Mines physique 1 MP 2013 porte-t-il sur un dragster ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsLe sujet Mines physique 1 MP 2013 porte-t-il sur un dragster ?
Oui, il suit la conception d'un dragster à réaction à travers un accéléromètre MEMS, la propulsion par réacteur et le contrôle d'épaisseur de pièces par interférences.
Le sujet Mines physique 1 MP 2013 est-il difficile ?
Le rapport indique que l'épreuve n'a pas été bien réussie dans l'ensemble, avec plusieurs questions dont le taux de réussite descend sous les 10 %.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées sur Mines physique 1 MP 2013 ?
Un manque d'analyse physique, l'absence de schémas, la confusion entre référentiels, et l'énumération d'hypothèses inutiles au lieu de la seule pertinente.
Ce sujet Mines MP physique 1 2013 nécessite-t-il de bien connaître le premier principe pour un système ouvert ?
Oui, la deuxième partie sur la propulsion par réacteur repose entièrement sur le premier principe appliqué à un système ouvert en régime permanent.
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