Mines Physique 1 PC 2009Sujet, corrigé et rapport du jury
- Effet Doppler et redshift
- Thermodynamique du rayonnement
- Mécanique dans un référentiel non galiléen
- Énergie potentielle et équilibres
- Ondes électromagnétiques, réflexion et réfraction
- Vecteur de Poynting
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Présentation du sujet
DifficileLe rayonnement fossile : expansion de l'Univers, thermodynamique du rayonnement, sonde Planck et pression de radiationAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
DifficileLe sujet étudie le rayonnement fossile en quatre parties indépendantes. Les deux premières portent sur l'expansion de l'Univers, l'effet Doppler et les propriétés thermodynamiques du rayonnement. La troisième étudie, par la mécanique, le positionnement de la sonde Planck, et la quatrième approfondit l'électromagnétisme des ondes à travers la pression de radiation.
- 1Partie I : expansion de l'UniversÉtude des temps de propagation des signaux, de l'effet Doppler, du redshift et de la loi de Hubble pour estimer l'âge de l'Univers.
- 2Partie II : le rayonnement fossilehors programme de PCPropriétés générales puis thermodynamiques du rayonnement fossile ; cette partie ne figure pas au programme de PC.
- 3Partie III : la sonde PlanckÉtude mécanique du positionnement de la sonde, énergie potentielle gravitationnelle et force d'inertie d'entraînement dans un référentiel en rotation.
- 4Partie IV : pression de radiationRéflexion et réfraction d'une onde électromagnétique, conditions aux limites et calcul du vecteur de Poynting.
Difficile. Le jury signale une longueur excessive dont il a tenu compte dans la notation, et relève que très peu voire très très peu de candidats ont traité correctement les questions les plus délicates des parties III et IV.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesCours pas toujours maîtrisé · Traitement numérique de l'effet Doppler · Résultat non analysé (âge de l'Univers)Afficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLe sujet a pu surprendre par sa longueur, dont le jury a tenu compte dans sa notation, et par sa deuxième partie hors programme de PC mais dont les éléments de résolution figuraient dans l'énoncé. Le jury relève que le cours n'est pas toujours maîtrisé et que les résultats donnés sans démonstration sont souvent faux. Les questions les plus proches du cours, en particulier en électromagnétisme, n'ont pourtant pas donné lieu à autant de réussite qu'attendu.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Cours pas toujours maîtrisé
Dans un nombre important de copies, le jury constate que le cours n'est pas vraiment maîtrisé, alors que des questions proches du cours figuraient en nombre non négligeable.
« on constate que le cours n’est pas vraiment maîtrisé. »
- 2Traitement numérique de l'effet DopplerQ7
À la question 7, le traitement des données numériques, pas forcément simple, a posé de nombreux problèmes et entraîné beaucoup d'erreurs.
« Beaucoup d’erreurs sur cette question où le traitement des données numériques, pas forcément simple, a posé pas mal de problèmes. »
- 3Résultat non analysé (âge de l'Univers)Q8
À la question 8, l'estimation de l'âge de l'Univers n'était pas toujours vérifiée par les candidats, certains obtenant des valeurs manifestement aberrantes.
« elle est trouvée entre quelques ns et plusieurs milliards de milliards d’années »
- 4Étude des équilibres mal menéeQ19
À la question 19, la recherche de l'existence et de la nature des équilibres nécessitait une étude graphique de la fonction obtenue pour rendre la résolution plus aisée ; très peu de candidats ont traité correctement cette question.
« Une étude graphique de la fonction obtenue permettait une résolution un peu plus aisée. »
- 5Confusion sur la densité d'énergie et le vecteur de PoyntingQ26
À la question 26, deux erreurs récurrentes sont relevées : la confusion entre densité volumique d'énergie et vecteur de Poynting, et un usage incorrect des notations complexes pour les champs.
« Que de méconnaissances du cours ! »
- 6Champ à divergence nulle mal comprisQ23
À la question 23, le jury rappelle qu'un champ à divergence nulle n'est pas forcément nul, en citant le champ magnétique comme contre-exemple.
« Il est bon de rappeler qu’un champ à divergence nulle n’est pas forcément nul. »
Ce qui a été bien réussi
- La question 1, simple, sur les temps de propagation a été bien traitée dans l'ensemble.
- Les questions 2 et 3 ont été traitées correctement par un très grand nombre de candidats.
- Les questions 12 et 13, jugées très abordables, n'auraient pas dû faire perdre de points.
- La question 22, question de cours, a été bien traitée dans l'ensemble.
Conseils du jury
- Lire l'énoncé de façon précise et détaillée pour ne pas être surpris par des questions qui semblent difficiles à première vue.
- Toujours démontrer les résultats demandés : un résultat donné sans justification est souvent considéré comme faux.
- Analyser les résultats numériques obtenus, en particulier leur ordre de grandeur, plutôt que de les donner sans regard critique.
- Soigner la présentation, l'orthographe et la grammaire de la copie, car ce point reste à améliorer sérieusement.
- Vérifier l'homogénéité des formules littérales et indiquer systématiquement les unités des résultats numériques.
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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PREMIÈRE ÉPREUVE DE PHYSIQUE
PHYSIQUE I - PC.
L'énoncé de cette épreuve comporte 7 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.
LE RAYONNEMENT FOSSILE
I. - Expansion de l'Univers
On convient de ne pas tenir compte de l'atténuation de l'amplitude des ondes au cours de leur propagation.
Soit
- 3 - L'émetteur
M a une vitesse notéev⃗(t) , de normev(t) et faisant avecOM^(→−) un angleα(t) (voir figure 1). L'émetteur émet des signaux périodiques de périodeT . On suppose que la fréquence des signaux est suffisamment grande pour pouvoir négliger les variations dev⃗ et deα sur une période. On suppose également qu'à chaque instantt, v(t)T/r(t)≪1 . Exprimer, au premier ordre, la différencer(t + T) − r(t) . - 4 - En déduire, toujours au premier ordre, la période
T^′ des signaux reçus par l'observateur enO . On exprimeraT^′ en fonction deT, v, c etα .

.jpg)
|
|
0,87 | 1,05 | 1,56 | 1,76 | 2,11 | 2,26 | 2,48 | 2,77 | 3,92 | 4,59 | 4,30 | 5,32 | 6,92 | 7,21 | 11,22 | 14,47 |
|
|
0,71 | 0,83 | 1,06 | 1,23 | 1,67 | 1,72 | 1,92 | 1,92 | 2,68 | 2,93 | 3,23 | 3,69 | 4,55 | 4,95 | 7,42 | 10,00 |
de Hubble est un bon ordre de grandeur de l'âge de l'Univers. Estimer numériquement l'âge de l'Univers en milliards d'années.
- 10 - Donner la valeur numérique de
ρ_c . Les observations de la matière visible de l'Univers donnent une masse volumique moyenneρ ≃ 3 × 10^(− 28) kg.m^(− 3) . D'après cette donnée, l'expansion durera-t-elle indéfiniment?
FIN DE LA PARTIE I
II. - Le rayonnement fossile
II.A. - Propriétés générales

On décide qu'à chaque instant depuis son émission, on peut identifier la température de l'Univers à celle du rayonnement fossile.
13-Le rayonnement fossile est le résultat d'un processus physique qui s'est déroulé pendant une phase très brève de l'histoire de l'Univers durant laquelle sa température
II.B. - Propriétés thermodynamiques
FIN DE LA PARTIE II
III. - La sonde Planck


Les positions d'équilibre de la sonde dans
- 19 - Montrer qu'il existe trois points de Lagrange sur l'axe (
S, eˆ_x ). Puis, à l'aide d'arguments énergétiques, préciser si ces points d'équilibre sont stables ou instables vis-à-vis de perturbations dans la directioneˆ_x .
FIN DE LA PARTIE III
IV. - Pression de radiation

- 22 - Déterminer la représentation complexe des composantes du champ magnétique
B⃗_–_i de l'onde incidente dansℬ .
24-Montrer que
- 28 - Un élément d'aire
dS de la surfacex = 0 du miroir est soumis à la force élémentairedF⃗ = 1/2j⃗_s ∧ B⃗ dS . Préciser ce que représente cette force et justifier la présence du facteur1/2 dans l'expression. Calculer la valeur moyenne temporellep_θ de la quantité
- 29 - L'onde incidente peut arriver de la région
x < 0 sur le miroir dans toutes les directions possibles (en trois dimensions). En supposant que toutes les directions sont équiprobables, donner l'expression de la pression de radiationp , qui est définie comme la moyenne sur toutes les directions dep_θ . En déduire l'équation d'état du rayonnement.
◻30 - L'équation d'état du rayonnement a été établie pour un rayonnement monochromatique. Justifier qu'elle reste valable pour un rayonnement polychromatique.
Remarque : l'étude de cette partie a traité uniquement le cas où l'onde incidente était polarisée perpendiculairement au plan d'incidence. Cependant, le même résultat final serait obtenu pour une onde dont la direction de polarisation est contenue dans le plan d'incidence.
FIN DE LA PARTIE IV
FIN DE L'ÉPREUVE
- masse du Soleil :
M_S ≃ 1, 99 × 10^(30) kg ; - masse de la Terre :
M_T ≃ 5, 97 × 10^(24) kg ; - distance Terre-Soleil :
r ≃ 1, 49 × 10^(11) m ; - constante de gravitation universelle:
𝒢 ≃ 6, 67 × 10^(− 11) kg^(− 1).m^3.s^(− 2) ; - célérité de la lumière dans le vide :
c ≃ 3, 00 × 10^8 m ⋅ s^(− 1) ; - constante de Planck :
h ≃ 6, 62 × 10^(− 34) J.s ; - constante de Boltzmann :
k_B ≃ 1, 38 × 10^(− 23) J.K^(− 1) ; - permittivité électrique du vide :
ε_0 ≃ 8, 85 × 10^(− 12) F.m^(− 1) ; - perméabilité magnétique du vide :
μ_0 = 4π × 10^(− 7)H ⋅ m^(− 1) .
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique 1 Mines PC 2009 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique 1 Mines PC 2009 ?
Le sujet, intitulé le rayonnement fossile, porte sur l'expansion de l'Univers et l'effet Doppler, la thermodynamique du rayonnement, la mécanique appliquée au positionnement de la sonde Planck, et l'électromagnétisme des ondes à travers la pression de radiation.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées ?
Le jury relève des résultats donnés sans démonstration, une maîtrise insuffisante du cours, des erreurs de traitement numérique et, en électromagnétisme, une confusion entre densité d'énergie et vecteur de Poynting.
Le sujet Mines physique 1 PC 2009 est-il long ?
Oui, le rapport indique une longueur excessive du sujet dont le jury a tenu compte dans sa notation.
La partie sur le rayonnement fossile est-elle au programme de PC ?
Non, le rapport précise que cette partie ne figure pas au programme de PC, mais que les éléments nécessaires à sa résolution étaient présents dans l'énoncé.
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