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Mines Physique 1 PC 2012Sujet, corrigé et rapport du jury

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Présentation du sujet

Difficulté moyenne
Propagation de la lumière : optique géométrique et nature ondulatoire
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Le 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.

  1. 1Partie I : propagation géométrique de la lumièreÉtudier les mirages et les fibres optiques à l'aide de l'optique géométrique.
  2. 2Partie II.A : propagation dans le videÉtudier la propagation de l'onde lumineuse dans le vide et son lien avec l'électromagnétisme.
  3. 3Partie II.B : propagation dans un diélectriqueÉtudier la propagation de l'onde lumineuse dans un milieu diélectrique.
  4. 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 relevées
Résultats fournis retrouvés sans rigueur · Absence de vérification d'homogénéité · Confusion entre unité et dimension
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L'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

  1. 1
    Résultats 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 »
  2. 2
    Absence 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.

  3. 3
    Confusion 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 »
  4. 4
    Erreurs 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.

  5. 5
    Utilisation 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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Lecture du sujet en ligne

L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.
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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 2012
PREMIÈRE ÉPREUVE DE PHYSIQUE
Filière PC
(Durée de l'épreuve: 3 heures)
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

L'objectif de ce problème est d'étudier différents aspects de la propagation de la lumière. Dans une première partie on étudiera le modèle géométrique de la lumière. Dans une deuxième partie, on modélisera la lumière par une onde ce qui permettra d'introduire une particule appelée photon. On évoquera finalement la possibilité d'une éventuelle masse pour ce photon et on essaiera d'en tirer les conséquences.
La valeur des constantes fondamentales utilisées ainsi qu'un formulaire d'analyse vectorielle sont fournis en fin d'épreuve. Hormis le nombre j tel que j^2 = − 1, les nombres complexes seront soulignés, et leurs complexes conjugués seront notés par le symbole ∗ en exposant : si a et b sont deux réels et si z_– = a + jb alors z_–^∗ = a − jb. Les vecteurs seront surmontés d'un chapeau s'ils sont unitaires ou d'une flèche dans le cas général.

I. - Propagation géométrique de la lumière

Dans le modèle géométrique de la lumière, on représente la trajectoire de l'énergie lumineuse dans un milieu d'indice de réfraction n(M) au point M, par une courbe géométrique 𝒞 nommée rayon lumineux. L'objectif de cette partie est l'obtention d'une équation différentielle dont la solution admet cette courbe pour graphe.
1-Définir la notion de milieu linéaire, homogène, transparent et isotrope. Quelle est la trajectoire d'un rayon lumineux dans un tel milieu?
◻2 - Rappeler les lois de Descartes et faire un dessin pour les illustrer. Au cours de quel siècle ces lois ont-elles été proposées?
◻3 - On considère un dioptre délimitant deux milieux d'indice constants n_1 et n_2. Expliquer la notion de réflexion totale; Démontrer qu'il existe un angle d'incidence limite α_(lim) pour la réfraction. On exprimera α_(lim) en fonction de n_1 et n_2.
On étudie maintenant la trajectoire d'un rayon lumineux dans un milieu non homogène le long d'une direction. On considère pour cela dans un premier temps, le milieu stratifié représenté sur la figure 1 : chaque couche horizontale est repérée par un entier i, toutes les couches ont la même épaisseur et l'indice n_i de la couche i est constant. On suppose finalement que l'indice décroît avec i : pour deux entiers i et j si i < j alors n_i > n_j. On note α_i l'angle entre le rayon qui se propage dans la couche d'indice n_i et le vecteur e_x ˆ.
◻4 - Relier les couples (n_i, α_i) et (n_j, α_j) pour i ≠ j. Reproduire le schéma sur la copie et dessiner la trajectoire du rayon lumineux.
Figure 1 - Milieu inhomogène stratifié suivant Oy
Afin de déterminer l'équation différentielle de la trajectoire du rayon lumineux, on rend la stratification infiniment fine : on tend vers un milieu continu. À l'ordonnée y, l'indice de réfraction est n(y) et l'angle entre le rayon et le vecteur e_x ˆ est noté α(y). Le point M(x, y) décrit la trajectoire du rayon lumineux, on note s son abscisse curviligne, c'est-à-dire la longueur de la trajectoire OM, et e_s ˆ le vecteur unitaire tangent à la trajectoire. Ainsi en tout point M de la trajectoire, on a dse_s ˆ = dxe_x ˆ + dye_y ˆ avec e_s ˆ = cos[α(y)]e_x ˆ + sin[α(y)]e_y ˆ.
◻5 - Déterminer une quantité C_0 constante en tout point M de la trajectoire en fonction de n(y) et α(y) puis exprimer n(y) en fonction de C_0, ds et dx.
  • 6 - Montrer que la courbe 𝒞 correspond à la solution de l'équation
(d^2 y)/(dx^2) = − d/(dy)(− (n^2)/(β^2))
où l'on exprimera β en fonction de C_0. Quelle analogie mécanique peut-on envisager? En utilisant cette analogie, retrouver le résultat de la question 1.
◻7 - L'indice du milieu s'écrit sous la forme n^2(y) = n_0^2 + ky^2 où n_0 et k sont deux constantes réelles. Déterminer, selon le signe de k, l'expression de la trajectoire y = y(x) passant par l'origine O de coordonnées x = 0 et y = 0. On exprimera y(x) en fonction de x, α_0, k et n_0. Quel est le signe de k dans le cas d'un mirage et dans le cas d'une fibre optique.

FIN DE LA PARTIE I

II. - Nature ondulatoire de la lumière

La lumière est à présent modélisée par une onde électromagnétique plane de pulsation ω et de vecteur d'onde k⃗. On associe à cette onde une particule, appelée photon, d'énergie E_γ = ℏω et de quantité de mouvement p_γ^(→−) = ℏk⃗ où ℏ est la constante de Planck. On suppose que ces expressions sont toujours valables, quel que soit le milieu dans lequel se propage l'onde et indépendamment de l'éventuelle masse du photon. On utilisera les notations suivantes :
  • Champ électrique au point M à l'instant t : E⃗(M, t),
  • Champ magnétique au point M à l'instant t : B⃗(M, t),
  • Champ de Riemann-Silberstein au point M et à l'instant t : Ψ⃗_–(M, t) = E⃗(M, t) + jcB⃗(M, t);
  • Potentiel scalaire au point M à l'instant t : V(M, t);
  • Potentiel vectoriel au point M à l'instant t : A⃗(M, t);
  • Vecteur de Poynting au point M à l'instant t : Π⃗(M, t);
  • Densité volumique d'énergie électromagnétique au point M à l'instant t : u_(em)(M, t);
  • Densité volumique de charge en M à l'instant t : ρ(M, t);
  • Densité de courant en M à l'instant t : j⃗(M, t).
On pourra utiliser le vecteur ∇⃗ représenté dans la base cartésienne ℬ = (e_x ˆ, e_y ˆ, e_z ˆ) par le triplet (∂/(∂x), ∂/(∂y), ∂/(∂z)). Dans le référentiel galiléen {O, ℬ}, on repère le point M par le vecteur
r⃗ = OM^(→−) = xe_x ˆ + ye_y ˆ + ze_z ˆ

II.A. - Propagation dans le vide

◻8 - Ecrire les équations de Maxwell dans le vide. Donner l'expression de Π⃗ et de u_(em) en fonction de E⃗ et B⃗ ainsi que des constantes utiles. En quelles unités s'expriment Π⃗ et u_(em) ?
  • 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 et u_(em) ainsi que celle du flux de Π⃗ à travers une surface fermée arbitraire.
    10 - Retrouver en les justifiant les expressions de E⃗(M, t) et B⃗(M, t) en fonction des potentiels V(M, t) et A⃗(M, t). En déduire l'expression de Ψ⃗_–(M, t) en fonction des potentiels V(M, t) et A⃗(M, t). Montrer que les quatre équations de Maxwell en E⃗(M, t) et B⃗(M, t) se réduisent à deux équations aux dérivées partielles ne faisant intervenir que Ψ⃗_–(M, t) et c.
    ◻11 - Relier chacune des deux grandeurs Ψ⃗_–^∗(M, t) ⋅ Ψ⃗_–(M, t) et Ψ⃗_–^∗(M, t) ∧ Ψ⃗_–(M, t) à une grandeur physique connue.
    ◻12 - Déterminer l'équation de propagation du champ Ψ⃗_–(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 complexe E⃗_–(M, t) = E⃗_0 e^(j(ωt − k⃗ ⋅ r⃗)). En déduire la relation de dispersion reliant la norme du vecteur d'onde k = ‖k⃗‖ et la pulsation ω. Déterminer l'expression de l'énergie du photon E_γ en fonction de sa quantité de mouvement p_γ^(→−).
On souhaite déterminer la vitesse moyenne de déplacement dans le vide de l'énergie électromagnétique associée à une onde plane monochromatique de pulsation ω et de vecteur d'onde k⃗ = keˆ_z. On considère le cylindre élémentaire de longueur dℓ et de section dS incluse dans le plan d'onde de cote z représenté sur la figure 2 . Afin de simplifier le modèle, on suppose que l'onde étudiée est polarisée rectilignement, la représentation complexe du champ électrique associé s'écrit donc E⃗_–(M, t) = E_0 e^(j(ωt − kz))e_x ˆ.
Figure 2 - Cylindre élémentaire
◻13 - Exprimer ⟨Π⃗⟩ et ⟨u_(em)⟩, valeurs moyennes temporelles (sur une période) respectives de Π⃗ et u_(em), en fonction de E_0 et des constantes utiles. Déterminer les deux énergies moyennes temporelles sur une période, celle contenue dans le cylindre élémentaire et celle traversant l'élément de surface dS pendant le temps dt. En supposant que l'énergie électromagnétique se déplace dans le vide à la vitesse moyenne v_e = dℓ/dt, déduire des expressions précédemment obtenues dans cette question, la valeur de v_e.

II.B. - Propagation dans un diélectrique

On suppose maintenant que la lumière se propage dans un diélectrique d'indice de réfraction constant n. Cela signifie que les équations de Maxwell sont modifiées en remplaçant la permittivité du vide ε_0 par une permittivité n^2 ε_0.
◻14 - Quelle est la nouvelle relation de dispersion ? Quelle est la vitesse de phase de l'onde?
  • 15 - On considère l'interface plane entre deux diélectriques d'indice n_1 et n_2 représentée sur la figure 3 . L'interface est dans le plan Oxy, sa taille suivant l'axe Oy est supposée très grande devant sa longueur L suivant l'axe Ox. Une onde plane de pulsation ω arrive avec un angle d'incidence α sur l'interface. On modélise l'interface comme une pupille de diffraction suivant l'axe Ox. Calculer l'éclairement I(θ) dans la direction θ. Dans quelle direction trouve-t-on le maximum de diffraction ? Conclure. On notera I_0
Figure 3 - Interface entre les deux diélectriques
l'éclairement maximum.

II.C. - Propagation de l'onde lumineuse avec une masse de photon non nulle

On suppose à présent et jusqu'à la fin du problème que le photon possède une masse m_γ non nulle. Dans ce cas, son énergie, sa quantité de mouvement et sa masse doivent vérifier la relation :
E_γ^2 = p_γ^2 c^2 + m_γ^2 c^4.
où E_γ et p_γ représentent toujours l'énergie et l'impulsion du photon données en introduction de la partie II.
◻16 - Quelle est la dimension de la constante δ = ℏ/(m_γ c) ?
  • 17 - Déterminer la nouvelle relation de dispersion entre ω, k, c et δ. En déduire l'équation aux dérivées partielles dont les solutions sont les formulations complexes des champs électrique et magnétique E⃗_–(M, t) = E⃗_0 e^(j(ωt − k⃗ ⋅ r⃗)) et B⃗_–(M, t) = B⃗_0 e^(j(ωt − k⃗ ⋅ r⃗)). Cette équation est appelée << équation de Klein-Gordon>>.
On souhaite généraliser les équations de Maxwell de manière à ce qu'elles permettent de retrouver l'équation de Klein-Gordon. Pour conserver la linéarité de ces équations, on effectue deux hypothèses :
  • H1 Les densités de charge et de courant sont modifiées de façon additive par l'existence d'une masse pour le photon
ρ(M, t) est remplacé par ρ(M, t) + f(M, t); j⃗(M, t) est remplacé par j⃗(M, t) + F⃗(M, t)
où f(M, t) et F⃗(M, t) sont des champs scalaires et vectoriels.
  • H2 L'expression des champs E⃗(M, t) et B⃗(M, t) en fonction des potentiels V(M, t) et A⃗(M, t) n'est pas modifiée par l'introduction de la masse du photon.
18-Réécrire les équations de Maxwell dans le vide sous l'hypothèse H1. Montrer que l'hypothèse H2 n'est pas en contradiction avec ces équations. En écrivant les nouvelles équations de propagation, montrer que l'on peut fixer des conditions dites de jauge pour lesquelles
A⃗ = σ_1 F⃗ et f = σ_2 V
où l'on déterminera σ_1 et σ_2 en fonction de δ et μ_0 ou ε_0. On conservera ces conditions dans la suite du problème.
◻19 - Démontrer que
(∂V)/(∂t) = χdiv(A⃗).
où l'on déterminera χ en fonction de c. On supposera que cette relation est toujours valable dans tout le reste du problème.
20-Déterminer les deux équations de Maxwell vérifiées par le champ Ψ⃗_–(M, t). En déduire que Ψ⃗_–(M, t), V(M, t) et A⃗(M, t) sont aussi solutions de l'équation de Klein-Gordon.
Une source émet une onde plane progressive se propageant le long de l'axe Oz. Elle est décrite par le potentiel vecteur complexe A⃗(M, t) = A⃗_0 e^(j(ωt − kz)) et le potentiel scalaire complexe V_–(M, t) = V_0 e^(j(ωt − kz)). On décompose A⃗_0 = A⃗_‖ + A⃗_⊥ où A⃗_‖est la projection de A⃗_0 sur l'axe de propagation et A⃗_⊥ est la projection de A⃗_0 dans le plan perpendiculaire à l'axe de propagation. Le vecteur d'onde s'écrit k⃗ = keˆ_z.
◻21 - Montrer que la relation de dispersion associée à la propagation de cette onde s'écrit sous la forme k^2 c^2 = ω^2 − ω_p^2 où ω_p est une pulsation de coupure que l'on déterminera.
  • 22 - Déterminer l'expression des vecteurs E⃗_–_0 et B⃗_–_0 tels que E⃗_– = E⃗_–_0 e^(j(ωt − kz)) et B⃗_– = B⃗_–_0 e^(j(ωt − kz)). On exprimera B_–_0 en fonction k⃗, A⃗_‖et/ou A⃗_⊥ puis E⃗_–_0 en fonction en fonction de ω, ω_p, A⃗_‖et/ou A⃗_⊥. Qu'en déduire de la nature transverse du champ électromagnétique si la masse du photon est non nulle?
23 - Etudier en fonction de la position de ω par rapport à ω_p, l'existence d'une onde progressive. Calculer dans ce cas la vitesse de phase et en déduire l'évolution d'un paquet d'onde.
De nombreuses expériences ont été effectuées pour déterminer l'éventuelle masse du photon. Nous allons en décrire deux.
Un interféromètre de Michelson, réglé en lame d'air, est éclairé par une onde monochromatique de pulsation ω. On place une lentille convergente en sortie de l'interféromètre. L'axe optique de cette lentille coïncide avec l'axe du bras de sortie de l'interféromètre.
◻24 - A quel endroit du dispositif doit-on disposer un écran pour observer des franges d'interférence ? Caractériser ces franges. Comment ces franges évoluent-elles lorsque l'on translate le miroir mobile de l'interféromètre (on justifiera sa réponse) ? Un capteur d'intensité est placé au centre de la figure d'interférence. Il détecte N maxima d'intensité lorsque le miroir est translaté de Δe. Etablir la relation entre N, Δe, m_γ, ω et les constantes utiles. En déduire une méthode de mesure de m_γ. Qu'est-ce qui limite la précision de cette mesure?
On peut également envisager une expérience d'astrophysique. On étudie la lumière émise par une étoile distante de D = 1000 années-lumière et reçue par la terre. Les pulsations rouge ω_r = 8π10^(14)rad.s^(− 1) et bleue ω_b = 16π10^(14) rad.s ^(− 1) de cette lumière peuvent être associées à deux photons l'un dit rouge et l'autre bleu. L'existence d'une masse pour le photon induit un décalage temporel Δt séparant les arrivées de ces deux photons sur le détecteur terrestre. L'expérience montre que Δt ≤ 10^(− 3) s. On suppose que ω_r, ω_b≫ω_p.
◻25 - Déterminer la masse du photon en fonction de Δt et des données du problème. En déduire une limite supérieure m_(γl) pour la masse du photon.

FIN DE LA PARTIE II

Constantes fondamentales
  • 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 et ℏ = h/(2π) = 1, 05 ⋅ 10^(− 34) J.s
Formulaire d'analyse vectorielle.
  • 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 questions
Sur quels chapitres porte le sujet de physique 1 Mines PC 2012 ?
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Sur 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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