Mines Physique 1 PC 2012Sujet, corrigé et rapport du jury
- Optique géométrique
- Ondes électromagnétiques dans le vide et les milieux diélectriques
- Électromagnétisme
- Analyse dimensionnelle
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Présentation du sujet
Difficulté moyennePropagation de la lumière : optique géométrique et nature ondulatoireAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Difficulté moyenneLe sujet comporte deux parties indépendantes autour des différentes modélisations des phénomènes optiques. La première partie aborde l'optique géométrique à travers l'étude des mirages et des fibres optiques. La deuxième partie traite de la nature ondulatoire de la lumière et de ses relations avec l'électromagnétisme, avec trois sous-parties dont l'une étudie le cas d'un photon de masse non nulle à travers deux situations expérimentales.
- 1Partie I : propagation géométrique de la lumièreÉtudier les mirages et les fibres optiques à l'aide de l'optique géométrique.
- 2Partie II.A : propagation dans le videÉtudier la propagation de l'onde lumineuse dans le vide et son lien avec l'électromagnétisme.
- 3Partie II.B : propagation dans un diélectriqueÉtudier la propagation de l'onde lumineuse dans un milieu diélectrique.
- 4Partie II.C : propagation de l'onde lumineuse avec une masse de photon non nulleÉtudier deux situations expérimentales dans l'hypothèse d'un photon de masse non nulle.
Difficulté moyenne. Le rapport signale que le jury a été heureux de corriger un grand nombre de bonnes copies, tout en relevant de nombreuses erreurs de rigueur et de rédaction chez les candidats les moins préparés.
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesRésultats fournis retrouvés sans rigueur · Absence de vérification d'homogénéité · Confusion entre unité et dimensionAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesL'épreuve articule différentes modélisations des phénomènes optiques, de l'optique géométrique à l'optique ondulatoire en lien avec l'électromagnétisme. Le jury regrette que les indications données dans l'énoncé sur la forme des résultats attendus n'aient pas été mises à profit, certaines réponses relevant plus du jeu de piste que de la réflexion. Le manque de vérification d'homogénéité et de justification rédigée des résultats a été particulièrement pénalisant.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Résultats fournis retrouvés sans rigueur
Les questions consistant à établir des résultats déjà donnés ont suscité des réponses relevant plus du jeu de piste que de la réflexion, ce qui a été sévèrement sanctionné.
« des réponses relevant plus du jeu de piste que de la réflexion »
- 2Absence de vérification d'homogénéité
Les candidats qui conduisaient ouvertement leurs calculs ont trop souvent négligé de vérifier l'homogénéité des résultats ou leur pertinence sur des cas simples.
- 3Confusion entre unité et dimensionQ16
À la question 16, l'analyse dimensionnelle n'est pas toujours maîtrisée et de nombreux candidats confondent unité et dimension, ce qui les empêche de s'en servir spontanément pour vérifier leurs résultats.
« Trop de candidats confondent unité et dimension »
- 4Erreurs de signe répétéesQ17-20
Aux questions 17 à 20, de nombreuses erreurs de signe ont été observées, conséquence du manque de vérifications de base lors des calculs.
- 5Utilisation erronée de la relation potentiel-champQ10
À la question 10, trop de candidats ont utilisé à tort la relation entre le potentiel et le champ électrostatique.
Ce qui a été bien réussi
- La partie sur l'optique ondulatoire scalaire (questions 14-15) a été une bonne surprise pour les correcteurs, beaucoup de candidats ayant su faire le lien entre différents chapitres du cours.
- Le lien entre la question 8-9, très proche du cours, et les autres chapitres du programme de physique est relativement bien compris.
Conseils du jury
- Lire l'intégralité du problème avant de commencer, pour en saisir les objectifs et la méthodologie et éviter les contresens.
- Vérifier systématiquement l'homogénéité des résultats et leur pertinence sur des cas simples.
- Justifier et rédiger soigneusement chaque réponse : une suite de calculs sans explication ne constitue pas une réponse.
- Relire sa copie pour déceler d'éventuelles incohérences entre les réponses données.
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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PREMIÈRE ÉPREUVE DE PHYSIQUE
Filière PC
(Durée de l'épreuve:
L'usage de la calculatrice est autorisé
Sujet mis à disposition des concours : Cycle international, ENSTIM, TELECOM INT, TPE-EIVP
Les candidats sont priés de mentionner de façon apparente sur la première page de la copie :
PHYSIQUE I - PC.
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.
PROPAGATION DE LA LUMIÈRE
La valeur des constantes fondamentales utilisées ainsi qu'un formulaire d'analyse vectorielle sont fournis en fin d'épreuve. Hormis le nombre
I. - Propagation géométrique de la lumière

- 6 - Montrer que la courbe
𝒞 correspond à la solution de l'équation
FIN DE LA PARTIE I
II. - Nature ondulatoire de la lumière
- Champ électrique au point
M à l'instantt : E⃗(M, t) , - Champ magnétique au point
M à l'instantt : B⃗(M, t) , - Champ de Riemann-Silberstein au point
M et à l'instantt : Ψ⃗_–(M, t) = E⃗(M, t) + jcB⃗(M, t) ; - Potentiel scalaire au point
M à l'instantt : V(M, t) ; - Potentiel vectoriel au point
M à l'instantt : A⃗(M, t) ; - Vecteur de Poynting au point
M à l'instantt : Π⃗(M, t) ; - Densité volumique d'énergie électromagnétique au point
M à l'instantt : u_(em)(M, t) ; - Densité volumique de charge en
M à l'instantt : ρ(M, t) ; - Densité de courant en
M à l'instantt : j⃗(M, t) .
II.A. - Propagation dans le vide
- 9 - Enoncer l'équation locale de conservation de l'énergie dans le vide, appelée aussi équation locale de Poynting. Par analogie avec une ou plusieurs équations de bilan local dans d'autres domaines de la physique que l'on précisera, donner l'interprétation physique de
Π⃗ etu_(em) ainsi que celle du flux deΠ⃗ à travers une surface fermée arbitraire.
10 - Retrouver en les justifiant les expressions deE⃗(M, t) etB⃗(M, t) en fonction des potentielsV(M, t) etA⃗(M, t) . En déduire l'expression deΨ⃗_–(M, t) en fonction des potentielsV(M, t) etA⃗(M, t) . Montrer que les quatre équations de Maxwell enE⃗(M, t) etB⃗(M, t) se réduisent à deux équations aux dérivées partielles ne faisant intervenir queΨ⃗_–(M, t) etc .
◻11 - Relier chacune des deux grandeursΨ⃗_–^∗(M, t) ⋅ Ψ⃗_–(M, t) etΨ⃗_–^∗(M, t) ∧ Ψ⃗_–(M, t) à une grandeur physique connue.
◻12 - Déterminer l'équation de propagation du champΨ⃗_–(M, t) . Nommer cette équation et en déduire les équations de propagation du champ électrique et magnétique. Dans le cas étudié, le champ électrique s'écrit sous forme complexeE⃗_–(M, t) = E⃗_0 e^(j(ωt − k⃗ ⋅ r⃗)) . En déduire la relation de dispersion reliant la norme du vecteur d'ondek = ‖k⃗‖ et la pulsationω . Déterminer l'expression de l'énergie du photonE_γ en fonction de sa quantité de mouvementp_γ^(→−) .
.jpg)
II.B. - Propagation dans un diélectrique
- 15 - On considère l'interface plane entre deux diélectriques d'indice
n_1 etn_2 représentée sur la figure 3 . L'interface est dans le planOxy , sa taille suivant l'axeOy est supposée très grande devant sa longueurL suivant l'axeOx . Une onde plane de pulsationω arrive avec un angle d'incidenceα sur l'interface. On modélise l'interface comme une pupille de diffraction suivant l'axeOx . Calculer l'éclairementI(θ) dans la directionθ . Dans quelle direction trouve-t-on le maximum de diffraction ? Conclure. On noteraI_0

II.C. - Propagation de l'onde lumineuse avec une masse de photon non nulle
- 17 - Déterminer la nouvelle relation de dispersion entre
ω, k, c etδ . En déduire l'équation aux dérivées partielles dont les solutions sont les formulations complexes des champs électrique et magnétiqueE⃗_–(M, t) = E⃗_0 e^(j(ωt − k⃗ ⋅ r⃗)) etB⃗_–(M, t) = B⃗_0 e^(j(ωt − k⃗ ⋅ r⃗)) . Cette équation est appelée << équation de Klein-Gordon>>.
- H1 Les densités de charge et de courant sont modifiées de façon additive par l'existence d'une masse pour le photon
- H2 L'expression des champs
E⃗(M, t) etB⃗(M, t) en fonction des potentielsV(M, t) etA⃗(M, t) n'est pas modifiée par l'introduction de la masse du photon.
- 22 - Déterminer l'expression des vecteurs
E⃗_–_0 etB⃗_–_0 tels queE⃗_– = E⃗_–_0 e^(j(ωt − kz)) etB⃗_– = B⃗_–_0 e^(j(ωt − kz)) . On exprimeraB_–_0 en fonctionk⃗, A⃗_‖ et/ouA⃗_⊥ puisE⃗_–_0 en fonction en fonction deω, ω_p, A⃗_‖ et/ouA⃗_⊥ . Qu'en déduire de la nature transverse du champ électromagnétique si la masse du photon est non nulle?
FIN DE LA PARTIE II
- Permittivité diélectrique du vide :
ε_0 = 1/(36π)10^(− 9) F.m^(− 1) , - Perméabilité magnétique du vide :
μ_0 = 4π ⋅ 10^(− 7)H ⋅ m^(− 1) , - Célérité de la lumière :
c = 3.10^8 m.s^(− 1) , - Constante de Planck :
h = 6, 62 ⋅ 10^(− 34) J.s etℏ = h/(2π) = 1, 05 ⋅ 10^(− 34) J.s
-
rot^(→−)[rot^(→−)(u⃗)] = grad^(→−)[div(u⃗)] − △u⃗ , - Si
g est un champ scalaire,rot^(→−)(gu⃗) = grot^(→−)(u⃗) + grad^(→−)(g) ∧ u⃗ , -
div[u⃗ ∧ v⃗] = − u⃗ ⋅ rot^(→−)(v⃗) + v⃗ ⋅ rot^(→−)(u⃗) , -
grad^(→−)(u⃗ ⋅ v⃗) = u⃗ ∧ [rot^(→−)(v⃗)] + v⃗ ∧ [rot^(→−)(u⃗)] + (u⃗ ⋅ grad^(→−))v⃗ + (v⃗ ⋅ grad^(→−))u⃗ , -
u⃗ ∧ (v⃗ ∧ w⃗) = (u⃗ ⋅ w⃗)v⃗ − (u⃗ ⋅ v⃗)w⃗ ,
FIN DE L'ÉPREUVE
Questions fréquentes
3 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique 1 Mines PC 2012 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
3 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique 1 Mines PC 2012 ?
Le sujet porte sur l'optique géométrique (mirages, fibres optiques) et sur l'optique ondulatoire en lien avec l'électromagnétisme, y compris une étude théorique d'un photon de masse non nulle.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées sur ce sujet Mines PC 2012 ?
Le jury relève un manque de vérification d'homogénéité des résultats, une confusion fréquente entre unité et dimension, des erreurs de signe répétées et une utilisation erronée de la relation entre potentiel et champ électrostatique.
Le sujet de physique 1 Mines PC 2012 est-il difficile ?
Le rapport indique un niveau intermédiaire : le jury a corrigé un grand nombre de bonnes copies, mais les candidats les moins rigoureux ont été pénalisés par un manque de justification et de vérification des résultats.
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