Mines Physique 1 MPI 2023Sujet, corrigé et rapport du jury
Fonctions spéciales : balistique avec frottements, grandes oscillations d'un pendule et problème de Stefan
Faisable en sup ?
Faisable en partie en MP2I : 23 questions sur 34, parties I et II en entier. Autres questions faisables en MP2I
Détail par partie
- Partie I : La fonction de W de LAMBERT15/15Faisable
- Partie II : L'intégrale elliptique de première espèce7/7Faisable
- Partie III : La fonction d'erreur de GAUSS : erf(χ)1/12En partie
Téléchargements
Présentation du sujet
DifficileFonctions spéciales en physique : fonction W de Lambert, intégrale elliptique de première espèce et fonction d'erreur de GaussAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
DifficileLe sujet utilise des fonctions spéciales comme fil conducteur pour aborder mécanique puis thermodynamique. La première partie étudie le tir d'un projectile avec frottements via la fonction W de Lambert. La deuxième revient sur le pendule simple au-delà des petits angles avec une intégrale elliptique. La troisième étudie la diffusion thermique dans un demi-espace chauffé avec la fonction d'erreur de Gauss, appliquée à une croûte de lave.
- 1I. La fonction W de Lambert : tir d'un projectileTir d'un projectile sans frottements puis avec frottements, recherche de la portée maximale à l'aide de la fonction W de Lambert.
- 2II. L'intégrale elliptique de première espèce : pendule simpleÉtude du pendule simple et de la perte de l'isochronisme des oscillations lorsqu'on s'écarte des petits angles.
- 3III. La fonction d'erreur de Gauss : problème de Stefan et croûte de laveRésolution de l'équation de la chaleur dans un demi-espace chauffé, faisant apparaître la fonction erf de Gauss, appliquée à la formation d'une croûte de lave et comparée à l'expérience.
Difficile. Le jury a été surpris de trouver la première partie très sélective, la résolution des équations différentielles avec conditions aux limites ayant particulièrement trié les candidats.
L'épreuve en chiffres
Moyenne 10,99 / 20 · écart-type 3,81 · 664 présents · où vous situez-vous ?Afficher ou masquer la section
L'épreuve en chiffres
- Moyenne
- 10,99/ 20
- Écart-type
- 3,81
- Présents
- 664
- Coefficient
- 3
- Durée
- 3 h
Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.
Source : document officiel du concours, épreuve du 4 mai 2023. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesConfusion entre équation horaire et trajectoire · Nature de la trajectoire mal identifiée · Conditions initiales mal exploitéesAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLe sujet comportait des questions mathématiques globalement bien traitées, mais le jury a été surpris par la sélectivité de la première partie, notamment sur la résolution des équations différentielles avec conditions aux limites. De nombreuses copies n'ont pas mis à contribution leur esprit physique sur la chute d'un projectile, peut-être troublées par l'aspect mathématique de l'épreuve. Plus largement, le jury regrette un manque de soin dans la présentation et des lacunes dans la maîtrise des outils mathématiques de base.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Confusion entre équation horaire et trajectoireQ1
Un certain nombre de copies ne connaissent pas la définition d'équation horaire (x(t), y(t), z(t)) et la confondent avec la notion de trajectoire.
- 2Nature de la trajectoire mal identifiéeQ2
De nombreuses confusions étonnantes apparaissent : une parabole n'est ni une hyperbole, ni un arc de cercle, ni un morceau d'ellipse.
- 3Conditions initiales mal exploitéesQ5
Certaines copies n'ont pas su intégrer les équations, et de trop nombreuses copies n'ont pas réussi à exploiter les conditions initiales.
- 4Manque de sens physique sur les résultats obtenusQ6, Q9
Les copies manquaient cruellement de sens physique, en particulier lorsqu'une erreur aboutissait à des grandeurs négatives non physiques.
- 5Implémentation numérique attendue explicitementQ11
En Q11, il était attendu une implémentation explicite du schéma d'Euler, et non une importation de la fonction d'une bibliothèque Python.
- 6Tentatives d'arnaques sanctionnéesQ17, Q27
Certaines questions ont fait l'objet de nombreuses tentatives d'arnaques, systématiquement sanctionnées par le jury.
Ce qui a été bien réussi
- L'écrasante majorité des copies sait dériver l'équation de la chaleur
- Les questions Q1, Q3, Q4 et Q10 ont été très bien traitées
- La dérivation de l'équation de la chaleur (Q24) est maîtrisée par une très grande majorité de copies, y compris celles ne connaissant pas la définition du vecteur densité de courant thermique
- La question Q29 a été bien réussie par les copies l'ayant abordée
Conseils du jury
- Travailler en profondeur les outils mathématiques de base : projections dans une base, base mobile, trigonométrie
- Vérifier systématiquement l'homogénéité des équations et le sens physique des résultats obtenus
- Encadrer un résultat littéral, souligner une application numérique et la présenter au format scientifique avec une unité
- Éviter les tentatives de bluff, moins nombreuses cette année mais lourdement sanctionnées
- Lire attentivement l'énoncé et répondre précisément à la question posée plutôt que de la paraphraser
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
Corrigé détaillé
34 questionsIndice, stratégie puis corrigé complet pour chaque question.Afficher ou masquer la section
Corrigé détaillé
34 questions34 questions corrigées une à une : un indice, puis la stratégie, puis le corrigé complet avec le résultat encadré. Chaque question est vérifiée avant publication.
- Q1Rappeler la définition d'un référentiel galiléen. Dans quelle mesure le référentiel terrestre peut-il être…
- Q2Établir les équations horaires du mouvement. Montrer que le mouvement est plan.
- Q3Établir l'équation de la trajectoire. Quelle est la forme de la trajectoire ? Est-elle symétrique ?
- Q4Déterminer les coordonnées du sommet de la trajectoire. Définir la portée du tir et établir son expression…
- Q5Quelle est la dimension du coefficient ? Définir à partir de un temps caractéristique. Le mouvement…
- Q6Établir, en fonction,,, et, les nouvelles équations horaires du mouvement.
- Q7Dans la situation où, simplifier les équations horaires de la trajectoire et donner l'allure du mouvement.
- Q8Dans la situation où, simplifier les équations horaires du mouvement en faisant apparaitre une vitesse…
Voir les 26 autres questionsMasquer les autres questions
- Q9Déduire des résultats précédents, l'allure globale de la trajectoire dans une situation où le temps de vol…
- Q10Tracer l'allure de la trajectoire pour un temps de vol de l'ordre de.
- Q11Dresser le tableau de variation de la fonction et déterminer la valeur de son minimum global. La fonction W…
- Q12On peut montrer que:. Quelle est la valeur de ? On souhaite appliquer le schéma d'EULER explicite avec un…
- Q13En déduire à quel instant le projectile touche le sol. On posera.
- Q14On rappelle que par définition où est la fonction identité:. En déduire que la portée est donnée par.
- Q15À l'aide de la figure 2, déterminer la valeur numérique de l'angle assurant la portée maximale pour, et.
- Q16Établir l'équation différentielle du mouvement vérifiée par la fonction.
- Q17On fait l'approximation des petits angles tels que. Établir dans ces conditions la période des oscillations.
- Q18Déterminer l'expression générale de sans faire l'approximation des petits angles. En déduire que la période…
- Q19Après avoir tracé le graphe de la fonction pour, illustrer le principe de la méthode des rectangles médians…
- Q20Recopier et compléter le code suivant permettant de calculer par la méthode des rectangles médians.
- Q21En utilisant la figure 4, pour un pendule tel que, évaluer lorsque. Quel est le décalage temporel induit par…
- Q22Dans quelle situation courante rencontre-t-on la cycloïde ?
- Q23Comment explique-t-on de nos jours le résultat erroné obtenu par Lord KELVIN ?
- Q24Rappeler la définition du vecteur, densité de flux thermique. Quelle est sa dimension ? Rappeler la loi de…
- Q25Quelle est l'énergie thermique reçue par cette tranche entre et ? Pourquoi étudie-t-on une tranche «…
- Q26Quelle est l'équation vérifiée par ? Déterminer les valeurs de, et.
- Q27Montrer que
- Q28En utilisant la fonction, montrer que. On donne. En déduire une expression de faisant apparaître une…
- Q29En reprenant l'équation de la question 27, montrer que
- Q30Quelle est l'énergie libérée par la solidification à la température d'une tranche de lave de surface en…
- Q31Toute l'énergie libérée par la solidification doit être évacuée par diffusion dans la lave solide car la…
- Q32En déduire que
- Q33Quel algorithme peut on utiliser pour obtenir la constante numériquement ? Expliquer en quelques mots son…
- Q34À l'aide de la figure 7, estimer la valeur numérique de. En déduire l'épaisseur de la croûte de lave six…
Description
Le sujet utilise des fonctions spéciales comme fil conducteur pour aborder mécanique puis thermodynamique. La première partie étudie le tir d'un projectile avec frottements via la fonction W de Lambert. La deuxième revient sur le pendule simple au-delà des petits angles avec une intégrale elliptique. La troisième étudie la diffusion thermique dans un demi-espace chauffé avec la fonction d'erreur de Gauss, appliquée à une croûte de lave.
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ÉCOLE DES PONTS PARISTECH, ISAE-SUPAERO, ENSTA PARIS, TÉLÉCOM PARIS, MINES PARIS, MINES SAINT-ÉTIENNE, MINES NANCY, IMT ATLANTIQUE, ENSAE PARIS, CHIMIE PARISTECH - PSL.
Concours Mines-Télécom, Concours Centrale-Supélec (Cycle International).
PREMIÈRE ÉPREUVE DE PHYSIQUE
Durée de l'épreuve :
L'usage de la calculatrice ou de tout dispositif électronique est interdit.
sur la première page de la copie :
L'énoncé de cette épreuve comporte 7 pages de texte.
Fonctions spéciales
Bon nombre de problèmes rencontrés en physique peuvent être résolus à l'aide de «fonctions spéciales ». Ces fonctions définies mathématiquement sont implémentées dans de nombreuses bibliothèques informatiques (comme scipy) et peuvent être utilisées aussi simplement qu'une fonction sinus ou racine carrée qui sont elles aussi d'une certaine manière des fonctions spéciales et tout aussi analytiques . . .
On rencontre bien souvent des résolutions numériques de problèmes physiques alors que l'utilisation de ces fonctions spéciales permet une résolution complète et analytique. Ce problème se propose d'illustrer l'intérêt de ces «fonctions spéciales».
I La fonction de W de Lambert
I.A Tir d'un projectile sans frottements
-
- Rappeler la définition d'un référentiel galiléen. Dans quelle mesure le référentiel terrestre peut-il être supposé galiléen?
-
- Établir les équations horaires du mouvement.
-
- Établir l'équation de la trajectoire. Quelle est la forme de la trajectoire? Est-elle symétrique?

-
- Déterminer les coordonnées du sommet
S de la trajectoire. Définir la portéeℓ du tir et établir son expression. Quel est l'angleθ_0 assurant un tir de portée maximale?
- Déterminer les coordonnées du sommet
I.B Tir d'un projectile avec frottements
-
- Quelle est la dimension du coefficient
α ? Définir à partir deα un temps caractéristiqueτ . Le mouvement reste-t-il plan?
◻ − 6 . Établir, en fonctiong, τ, v_0 = ‖v⃗_0‖, θ_0 ett , les nouvelles équations horaires du mouvement.
- Quelle est la dimension du coefficient
-
- Dans la situation où
t≪τ , simplifier les équations horaires de la trajectoire et donner l'allure du mouvement.
- Dans la situation où
-
- Dans la situation où
t≫τ , simplifier les équations horaires du mouvement en faisant apparaitre une vitesse limitev_∞ .
Où retombe le projectile?
- Dans la situation où
-
- Déduire des résultats précédents, l'allure globale de la trajectoire dans une situation où le temps de vol est grand devant
τ , en séparant la trajectoire en trois phases.
- Déduire des résultats précédents, l'allure globale de la trajectoire dans une situation où le temps de vol est grand devant
-
- Tracer l'allure de la trajectoire pour un temps de vol de l'ordre de
τ .
- Tracer l'allure de la trajectoire pour un temps de vol de l'ordre de
I.C La portée maximale d'un tir avec frottement
-
- Dresser le tableau de variation de la fonction
T : χ ↦ T(χ) = χe^χ et déterminer la valeurβ de son minimum global.
La fonction W de Lambert est définie comme étant la fonction réciproque deT sur[β, + ∞[ . Reproduire le graphe deT représenté sur la partie gauche de la figure 2 et expliquer comment en déduire l'allure de W représenté sur la partie droite.
- Dresser le tableau de variation de la fonction

-
- On peut montrer que :
(χ + exp[W(χ)])W^′(χ) = 1 . Quelle est la valeur deW(0) ?
- On peut montrer que :
La fonction
On montre que si
En déduire que la portée est donnée par
En posant
-
- À l'aide de la figure 2, déterminer la valeur numérique de l'angle assurant la portée maximale pour
v_0 = 10 m ⋅ s^(− 1), g = 9, 8 m ⋅ s^(− 2) etτ = 0, 4 s .
- À l'aide de la figure 2, déterminer la valeur numérique de l'angle assurant la portée maximale pour
II L'intégrale elliptique de première espèce
On étudie un pendule simple constitué d'une masse ponctuelle
On repère sa position par l'angle
-
- Établir l'équation différentielle du mouvement vérifiée par la fonction
θ(t) .
- Établir l'équation différentielle du mouvement vérifiée par la fonction

-
- On fait l'approximation des petits angles tels que
sinθ ∼ θ . Établir dans ces conditions la périodeT_0 des oscillations.
- On fait l'approximation des petits angles tels que
-
- Déterminer l'expression générale de
(dθ)/(dt) sans faire l'approximation des petits angles. En déduire que la périodeT des oscillations du pendule est donnée par :
- Déterminer l'expression générale de
-
- Après avoir tracé le graphe de la fonction
χ ↦ 1 + √χ pourχ ∈ [0; 9] , illustrer le principe de la méthode des rectangles médians pour calculer le réelI = ∫_0^9(√χ + 1)dχ en utilisant 9 rectangles.
Si on double le nombre de rectangles utilisés qu'en est-il de la différence entre la valeur exacte deI et la valeur approchée numériquement par la méthode des rectangles médians?
- Après avoir tracé le graphe de la fonction
-
- Recopier et compléter le code suivant permettant de calculer
K(χ) par la méthode des rectangles médians.
- Recopier et compléter le code suivant permettant de calculer
import math as m
def f(x,phi):
return.............
S = 0.
N = 100
a = 0.
b = m.pi/2.
pas = ...........
theta_0 = m.pi/3.
x = m.sin(theta_0)**2
for i in range(N):
phi = ...........
S = ...........
print(pas * S)

III La fonction d'erreur de GAUSS :
erf(χ)
III.A Introduction au problème de Stefan
-
- Comment explique-t-on de nos jours le résultat erroné obtenu par Lord Kelvin?
.jpg)
-
- Rappeler la définition du vecteur
j⃗_Q , densité de flux thermique. Quelle est sa dimension?
- Rappeler la définition du vecteur
En déduire la dimension de la conductivité thermique
On étudie une tranche mésoscopique de sol de masse
-
- Quelle est l'énergie thermique
δQ reçue par cette tranche entret ett + dt ?
- Quelle est l'énergie thermique
Établir l'expression de sa variation d'énergie interne
En déduire l'équation de la chaleur à une dimension
En déduire l'expression d'une longueur caractéristique
On introduit la température adimensionnée
-
- Quelle est l'équation vérifiée par
θ(y, t) ?
- Quelle est l'équation vérifiée par
On introduit une variable de similarité sans dimension
On donne
Elle est souvent notée
III.B Formation d'une croûte de lave solide.

On utilisera également la température adimensionnée
-
- Quelle est l'énergie
δQ libérée par la solidification à la températureT_f d'une tranchedy_s de lave de surfaceS en fonction de la masse volumiqueρ de la lave en fusion et l'enthalpie de fusion massique :Δh_(sol → liq) .
- Quelle est l'énergie
-
- Toute l'énergie libérée par la solidification doit être évacuée par diffusion dans la lave solide car la lave en fusion reste à la température
T_f . Montrer que :
- Toute l'énergie libérée par la solidification doit être évacuée par diffusion dans la lave solide car la lave en fusion reste à la température

-
- En déduire que
-
- Quel algorithme peut on utiliser pour obtenir la constante
λ numériquement?
Expliquer en quelques mots son fonctionnement.
- Quel algorithme peut on utiliser pour obtenir la constante
-
- À l'aide de la figure 7, estimer la valeur numérique de
λ .
- À l'aide de la figure 7, estimer la valeur numérique de
Comparer votre résultat à ceux de la figure 8 tirés d'une expérience
.jpg)
FIN DE L'ÉPREUVE
- Wright, T. L., Peck, D. L., and Shaw, H. R. (1976). Kilauea lava lakes : Natural laboratories for study of cooling, crystallization, and differentiation of basaltic magma. In The Geophysics of the Pacific Ocean Basin and its Margin, eds. G. H. Sutton, M. H. Manghnani, R. Moberly, and E. U. McAfee, vol. 19 of Geophysical Monograph Series, Washington, D.C. : American Geophysical Union, pp. 375-90
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique 1 Mines MPI 2023 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique 1 Mines MPI 2023 ?
Le sujet porte sur la chute d'un projectile avec frottements, le pendule simple au-delà des petits angles, et la diffusion thermique dans un demi-espace, autour des fonctions spéciales W de Lambert, intégrale elliptique et fonction d'erreur de Gauss.
Le sujet de physique 1 Mines MPI 2023 est-il difficile ?
Le jury indique avoir été surpris par la grande sélectivité de la première partie, en particulier sur la résolution des équations différentielles avec conditions aux limites.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées sur le sujet physique 1 Mines MPI 2023 ?
Le jury relève surtout un manque de sens physique face à des résultats non physiques, des confusions entre équation horaire et trajectoire, et une mauvaise exploitation des conditions initiales.
Faut-il savoir programmer un schéma d'Euler pour ce sujet Mines physique 1 MPI 2023 ?
Oui, le rapport précise qu'une implémentation explicite du schéma d'Euler était attendue en Q11, et non une importation de fonction d'une bibliothèque Python.
Pas de description pour le moment
