Mines Physique 1 MPI 2024Sujet, corrigé et rapport du jury
Des objets astronomiques, de Mars à Sirius
Faisable en sup ?
Faisable en partie en MP2I : 18 questions sur 26. Autres questions faisables en MP2I
Autres premières années : PCSI 20 · TSI1 15 · BCPST1 12 questions.
Détail par partie
- Partie I : Les lois de Kepler et l'unité astronomique10/12En partie
- Partie II : Structure et énergie des étoiles8/14En partie
Téléchargements
Présentation du sujet
Difficulté moyenneDes objets astronomiques, de Mars à Sirius : mouvements planétaires et structure interne des étoilesAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Difficulté moyenneLe sujet comporte deux problèmes totalement indépendants sur l'astronomie. Le premier étudie les mouvements planétaires à partir de la gravitation de Newton, de la résolution de l'équation du mouvement, de la période orbitale et des lois de Kepler, avec l'unité astronomique déterminée par l'observation de Mars. Le second étudie les différentes composantes de l'énergie d'une étoile pour évaluer la stabilité d'une naine blanche.
- 1Problème I : mouvements planétairesLoi de la gravitation de Newton, résolution de l'équation du mouvement, période orbitale et unité astronomique par l'observation de Mars, lois de Kepler.
- 2Problème II : structure interne des étoilesÉnergie potentielle gravitationnelle, énergie cinétique liée à la pression et au confinement quantique, stabilité d'une naine blanche.
Difficulté moyenne. Le rapport conclut que l'épreuve a permis de classer les candidats de façon satisfaisante, avec plusieurs questions bien ou relativement bien traitées et d'autres nettement discriminantes.
L'épreuve en chiffres
Moyenne 11,09 / 20 · écart-type 4,03 · 839 présents · où vous situez-vous ?Afficher ou masquer la section
L'épreuve en chiffres
- Moyenne
- 11,09/ 20
- Écart-type
- 4,03
- Présents
- 839
- Coefficient
- 3
- Durée
- 3 h
Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.
Source : document officiel du concours, épreuve du 13 mai 2024. 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 distance centre à centre et surface à surface · Analyse qualitative de l'énergie et du travail très discriminante · Théorème de Gauss mal appliquéAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLe théorème de Gauss gravitationnel et le mouvement planétaire sont globalement bien traités, mais une confusion entre les trois lois de Kepler apparaît parfois. Le jury a été surpris par le caractère très discriminant de l'analyse qualitative de l'énergie et du travail, et regrette un manque général de rigueur dans la gestion des vecteurs et la vérification de l'homogénéité des expressions.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Confusion entre distance centre à centre et surface à surfaceQ1, Q2, Q3
Cette confusion sur la première question entraîne des erreurs en cascade sur les deux questions suivantes.
« De nombreuses copies confondent la distance centre à centre avec la distance surface à surface »
- 2Analyse qualitative de l'énergie et du travail très discriminante
Le jury a été surpris que cette analyse, pourtant qualitative, se révèle extrêmement sélective entre les copies.
« Le jury a trouvé surprenant que l'analyse qualitative de l'énergie et du travail soit apparue extrêmement discriminante. »
- 3Théorème de Gauss mal appliquéQ2
Confusion sur le signe et la constante à utiliser, et nombreuses réponses purement qualitatives sans le théorème de Gauss, souvent non conclusives ; les symétries et invariances ne sont pas explicitées.
- 4Confusion entre sens du transfert d'énergie et signe du travailQ13
Le concept d'énergie de liaison est très mal maîtrisé et l'analyse qualitative pose de grandes difficultés.
« Confusion étonnante entre le sens de transfert de l'énergie et le signe algébrique du travail. »
- 5Question de programmation peu réussieQ7
Un tiers seulement des candidats a traité cette question, avec un faible taux de succès global.
« Question traitée par un tiers des candidats, avec un taux de succès global »
- 6Lien avec l'incertitude de Heisenberg rarement faitQ21
La fonction d'onde stationnaire d'une particule dans une boîte est globalement connue, mais peu de candidats en saisissent tous les détails ou font le lien avec la relation d'incertitude de Heisenberg.
Ce qui a été bien réussi
- Le théorème de Gauss gravitationnel et le mouvement planétaire sont bien traités par la plupart des candidats.
- Les questions sur la condition de corps fixe, le changement de variable ou l'intégration de l'énergie ont été relativement bien traitées.
Conseils du jury
- Être attentif au soin des copies : encadrement des réponses, propreté de l'écriture, schémas réalisés à l'aide d'une règle.
- Être rigoureux et vérifier la cohérence des réponses : propagation des signes, homogénéité des grandeurs, nature scalaire ou vectorielle, ordre de grandeur des applications numériques.
- Faire attention à la direction des quantités vectorielles.
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
Corrigé détaillé
26 questionsIndice, stratégie puis corrigé complet pour chaque question, avec les remarques du jury.Afficher ou masquer la section
Corrigé détaillé
26 questions26 questions corrigées une à une : un indice, puis la stratégie, puis le corrigé complet avec le résultat encadré et les remarques du jury. Chaque question est vérifiée avant publication.
- Q1Quelle condition (inégalité forte) permet de considérer comme fixe ? Quelle est l'expression de la force…
- Q2Que devient l'expression de si reste ponctuel tandis que l'astre, de rayon, possède une répartition de masse…
- Q3Cette expression reste-t-elle encore applicable si et sont tous deux à symétrie sphérique ? On pourra, dans…
- Q4Montrer que le mouvement de est plan; on notera le plan de ce mouvement. Définir la constante issue de la…
- Q5Exprimer et en déduire que où est une constante d'intégration et un paramètre du mouvement qu'on exprimera…
- Q6Exprimer et en fonction de,, et. En déduire en fonction de, et et montrer que pour un mouvement borné…
- Q7En utilisant par exemple la question précédente, montrer que où la constante s'obtient par le calcul de…
- Q8Dans le cas particulier où, préciser la nature de la trajectoire et l'expression de; en déduire une des lois…
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- Q9Proposer l'écriture des lignes de code Python permettant le tracé de la figure 2: courbe en trait plein puis…
- Q10Représenter sur un schéma unique l'ensemble des paramètres géométriques,,, ci-dessus au moment de la mesure…
- Q11En déduire la relation permettant de déterminer en fonction de,, et.
- Q12La valeur annoncée par CASSINI était (secondes d'angle). Est-elle compatible avec la relation ci-dessus ?
- Q13Donner et justifier physiquement le signe de. Expliquer pourquoi on nomme parfois l'énergie de liaison de…
- Q14Exprimer la masse volumique, supposée uniforme et constante, de l'étoile en fonction de et. En déduire, en…
- Q15Justifier que la contribution à l'énergie gravitationnelle de cet accroissement (passage de à) s'écrit…
- Q16On s'intéresse à l'équilibre de la colonne de fluide d'aire et comprise entre les altitudes et. Expliciter…
- Q17Un volume de fluide est soumis à la pression, supposée uniforme. Dans quel modèle l'énergie cinétique…
- Q18Expliciter le champ gravitationnel ressenti au sein de l'étoile en équilibre à la distance du centre, en…
- Q19Calculer l'énergie cinétique totale de l'étoile en fonction de, et; commenter.
- Q20Exprimer en fonction de, et seulement.
- Q21La particule étudiée étant confinée à l'intervalle, exprimer la fonction d'onde spatiale et l'énergie de…
- Q22Que deviennent ces expressions de la fonction d'onde et de l'énergie de l'état fondamental dans un modèle…
- Q23En déduire que l'énergie cinétique totale due au confinement de l'étoile se met sous la forme dans laquelle…
- Q24Pour une étoile de ce type, déterminer le rayon qui assure un minimum de l'énergie totale.
- Q25Calculer numériquement dans le cas d'une masse égale à celle du Soleil et conclure.
- Q26En estimant la vitesse des électrons dans le modèle de Fowler justifier l'argument de Chandrasekhar.
Description
Le sujet comporte deux problèmes totalement indépendants sur l'astronomie. Le premier étudie les mouvements planétaires à partir de la gravitation de Newton, de la résolution de l'équation du mouvement, de la période orbitale et des lois de Kepler, avec l'unité astronomique déterminée par l'observation de Mars. Le second étudie les différentes composantes de l'énergie d'une étoile pour évaluer la stabilité d'une naine blanche.
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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 : 3 heures
L'usage de la calculatrice et de tout dispositif électronique est interdit.
sur la première page de la copie :
il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant les raisons des
initiatives qu'il est amené à prendre.
Des objets astronomiques, de Mars à Sirius

I Les lois de Kepler et l'unité astronomique
On s'intéressera en particulier aux orbites de la Terre et de Mars, la planète la plus proche de la Terre avec une trajectoire extérieure. Le plan de sa trajectoire est presque confondu (à moins de
I.A Mouvements d'une planète sous l'action d'un astre attracteur
-1. Quelle condition (inégalité forte) permet de considérer
Quelle est l'expression de la force gravitationnelle
-
- Que devient l'expression de
F⃗ si𝒫 reste ponctuel tandis que l'astre𝒜 , de rayonR_A < r , possède une répartition de masse à symétrie sphérique? On justifiera sa réponse.
- Que devient l'expression de
-
- Cette expression reste-t-elle encore applicable si
𝒫 et𝒜 sont tous deux à symétrie sphérique? On pourra, dans tout ce qui suit, considérer𝒜 et𝒫 comme des points matérielsA etP .
- Cette expression reste-t-elle encore applicable si
-
- Montrer que le mouvement de
P est plan; on notera(Axy) le plan de ce mouvement. Définir la constanteC issue de la loi des aires pour ce mouvement et relier cette constante aux coordonnées polaires (r, θ ) du mouvement deP dans (Axy ).
On notev⃗ la vitesse deP etu^_r, u^_θ les vecteurs de la base polaire associée au mouvement deP .v⃗ est fonction du temps et donc aussi de l'angle polaireθ .
- Montrer que le mouvement de
-
- Exprimer
(dv⃗)/(dθ) et en déduire quev⃗(θ) = C(u^_θ + e⃗)/p oùe⃗ est une constante d'intégration etp un paramètre du mouvement qu'on exprimera en fonction deC, m_A et de la constante universelle de gravitationG .
Montrer que le vecteure⃗ est sans dimension et situé dans le plan (Axy ) du mouvement.
Sans perte de généralité, on peut supposer quee⃗ = eu^_y avece = ‖e⃗‖ ⩾ 0 .
- Exprimer
- Exprimer
r˙ etrθ˙ en fonction deC, p, e etθ .
I.B Période du mouvement
-
- En utilisant par exemple la question précédente, montrer que
T = Ip^(3/2)/√(Gm_A) où la constanteI s'obtient par le calcul de l'intégraleI = ∫_0^(2π)(dθ)/((1 + ecosθ)^2) .
- En utilisant par exemple la question précédente, montrer que
-
- Dans le cas particulier où
e = 0 , préciser la nature de la trajectoire et l'expression deT ; en déduire une des lois de Kepler, préciser laquelle et proposer son énoncé «historique» sous forme d'une phrase en français.
- Dans le cas particulier où
-
- Proposer l'écriture des lignes de code Python permettant le tracé de la figure 2 : courbe en trait plein puis mise en exergue d'une dizaine de valeurs régulièrement réparties pour
0 ⩽ e ⩽ 1/2 .
Note : on pourrait mener le calcul exact de l'intégrale qui fournitI(e) = (1 − e^2)^(− 3/2)I_(e = 0) . Ce calcul n'est pas demandé !
- Proposer l'écriture des lignes de code Python permettant le tracé de la figure 2 : courbe en trait plein puis mise en exergue d'une dizaine de valeurs régulièrement réparties pour

I.C Mesure de l'unité astronomique
Le principe de la mesure de

-
- Représenter sur un schéma unique l'ensemble des paramètres géométriques
a_0, a_1, ℓ, α ci-dessus au moment de la mesure, lors d'une conjonction inférieure (le Soleil, la Terre et Mars sont alignés dans cet ordre).
- Représenter sur un schéma unique l'ensemble des paramètres géométriques
-
- En déduire la relation permettant de déterminer
a_0 en fonction deT_0, T_1, ℓ etα .
- En déduire la relation permettant de déterminer
-
- La valeur annoncée par CASSINI était
α = 14^(′′) (secondes d'angle). Est-elle compatible avec la relation ci-dessus?
- La valeur annoncée par CASSINI était
II Structure et énergie des étoiles
.jpg)
II.A L'énergie gravitationnelle
-
- Donner et justifier physiquement le signe de
W_g . Expliquer pourquoi on nomme parfoisE_ℓ = − W_g l'énergie de liaison de l'étoile.
- Donner et justifier physiquement le signe de
-
- Exprimer la masse volumique
ρ , supposée uniforme et constante, de l'étoile en fonction deM etR .
En déduire, en fonction deM, R etr , les expressions dem (masse déjà constituée dans une sphère de rayonr ) et dedm (masse à apporter pour faire passer ce rayon der àr + dr) .
- Exprimer la masse volumique
-
- Justifier que la contribution
dW_g à l'énergie gravitationnelle de cet accroissement (passage der àr + dr) s'écritdW_g = − G(mdm)/r .
Calculer l'énergie gravitationnelle totaleW_g de l'étoile en fonction deG, M etR .
- Justifier que la contribution
II.B Pression cinétique

-
- On s'intéresse à l'équilibre de la colonne de fluide d'aire
S et comprise entre les altitudesz_1 etz_2 . Expliciter, éventuellement sous forme intégrale, les forces exercées sur cette colonne. En déduire l'équation différentielle reliantP(z), ρ(z) etG(z) .
La pression équilibrant la force gravitationnelle, les ordres de grandeur des énergies thermique et gravitationnelle doivent être comparables; nous allons ici le vérifier en évaluant l'énergie cinétique de l'étoile dans le cadre d'un modèle très simplifié dans lequel la masse volumiqueρ est constante mais qui prend maintenant en compte la géométrie sphérique du système. On suppose ainsi que l'équation d'équilibre local obtenue en géométrie cartésienne à la question 16 se généralise grâce à la symétrie sphérique en faisantz → r avecρ(r) = cste.
◻ − 17 . Un volumeV de fluide est soumis à la pressionP , supposée uniforme. Dans quel modèle l'énergie cinétique d'agitation thermique associée peut-elle s'écrireE_c = 3/2PV ? Dans la suite de cette partie II.B on supposera que c'est bien le cas en chaque point intérieur à l'étoile.
- On s'intéresse à l'équilibre de la colonne de fluide d'aire
-
- Expliciter le champ gravitationnel
G⃗(r⃗) ressenti au sein de l'étoile en équilibre à la distancer du centre, en fonction deG, M, R etr .
En déduire l'expression de la pressionP(r) = (3GM^2)/(8πR^6)(R^2 − r^2) .
-19. Calculer l'énergie cinétique totale de l'étoileE_c en fonction deG, M etR ; commenter.
- Expliciter le champ gravitationnel
II.C Pression de confinement quantique
On rappelle pour un état stationnaire d'une particule de masse
-
- La particule étudiée étant confinée à l'intervalle
x ∈ [0, a] , exprimer la fonction d'onde spatialeψ_1(x) et l'énergiee_1 de l'état fondamental en fonction deh, m eta .
Justifier que cette relation illustre le principe d'indétermination de Heisenberg.
- La particule étudiée étant confinée à l'intervalle
-
- Que deviennent ces expressions de la fonction d'onde et de l'énergie de l'état fondamental dans un modèle confiné à trois dimensions,
x ∈ [0, a], y ∈ [0, a] etz ∈ [0, a] ?
- Que deviennent ces expressions de la fonction d'onde et de l'énergie de l'état fondamental dans un modèle confiné à trois dimensions,
-
- En déduire que l'énergie cinétique totale due au confinement de l'étoile se met sous la forme
E_c = γM^(5/3)/R^2 dans laquelle on exprimeraγ en fonction deh, m_p etm_e .
- En déduire que l'énergie cinétique totale due au confinement de l'étoile se met sous la forme
II.D Le cas des naines blanches
La particularité de ces étoiles (essentiellement composées de carbone) et la prise en compte des dégénerescences des états d'énergie des électrons introduisent des facteurs numériques dans l'expression de
En 1931, CHANDRASEKHAR
-
- En estimant la vitesse des électrons dans le modèle de FOWLER justifier l'argument de CHANDRASEKHAR.
FIN DE L'ÉPREUVE
- R. H. Fowler, On dense matter, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 87, 114, 1926
- S. Chandrasekhar, The maximal mass of ideal white dwarfs, Astrophysical Journal, 74, 81, 1931
Formulaire en coordonnées sphériques
Données numériques
| Grandeur | Symbole, valeur et unité |
| Constante de Planck |
|
| Constante de la gravitation universelle |
|
| Distance Terre-Soleil (unité astronomique) |
|
| Masse de l'électron |
|
| Masse du proton |
|
| Masse du Soleil |
|
| Rayon du Soleil |
|
| Rayon de la Terre |
|
| Période du mouvement de la Terre (année) |
|
| Période du mouvement de Mars |
|
| Seconde d'arc |
|
Syntaxes Python
| Syntaxe d'appel | Résultats ou commentaires |
| * Générer un tableau de
|
|
|
|
r est un tableau de type numpy. array |
| * Évalue l'intégrale
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
exécuter avant de générer des tracés |
| * Tracer la courbe représentative de
|
|
| matplotlib.pyplot.plot(x, y) | x et y , énumérables de même dimension |
| * Afficher la ou les fenêtres de tracé : | |
| matplotlib.pyplot.show() | exécuter après avoir généré des tracés |
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Le sujet Physique 1 MPI 2024 des Mines sur les objets astronomiques est-il difficile ?
Le rapport le juge globalement équilibré : plusieurs questions ont été bien ou relativement bien traitées, mais l'analyse qualitative de l'énergie et certaines questions discriminantes ont posé des difficultés.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées sur ce sujet ?
Une confusion entre distance centre à centre et surface à surface, des erreurs de signe avec le théorème de Gauss, et une analyse qualitative de l'énergie jugée surprenamment discriminante.
Faut-il bien connaître les lois de Kepler pour ce sujet ?
Oui, elles sont au centre de la première partie, même si le rapport note une confusion parfois présente entre les trois lois.
Pas de description pour le moment
