Mines Physique 1 PC 2013Sujet, corrigé et rapport du jury
- Oscillateurs mécaniques amortis
- Systèmes MEMS et électronique
- Premier principe pour un système ouvert
- Poussée d'une tuyère
- Interférences optiques (coin d'air)
- Filtres électriques (fonction de transfert)
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Présentation du sujet
Autour d'un dragster à réaction : mesure d'accélération par MEMS, propulsion par réacteur et contrôle d'épaisseur optiqueAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Le problème étudie trois aspects indépendants liés à la fabrication d'un dragster à réaction. La première partie porte sur la mesure de l'accélération par un système MEMS, combinant vibrations mécaniques et électronique. La deuxième étudie la propulsion de l'engin par un réacteur d'avion, à travers le premier principe pour un système ouvert et la force de poussée d'une tuyère. La troisième porte sur le contrôle optique de l'épaisseur de certaines pièces.
- 1I - Mesure de l'accélération par un système embarquéÉtudie le système MEMS mesurant l'accélération, à travers l'analyse du mouvement mécanique puis la mesure électronique du déplacement.
- 2II - Propulsion de l'engin par un réacteur d'avionApplique le premier principe à un système ouvert, puis étudie la force de poussée du réacteur à travers la tuyère.
- 3III - Contrôle d'épaisseur de certaines piècesÉtudie le contrôle optique de l'épaisseur d'un dépôt métallique puis d'une pièce transparente.
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesMalhonnêteté intellectuelle sanctionnée · Forces d'amortissement mal établies · Référentiel du PFD non identifiéAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesLe jury relève un manque de rigueur récurrent : réponses non justifiées, notations mathématiques approximatives, applications numériques sans unité. Les comportements de malhonnêteté intellectuelle, consistant à employer tous les moyens pour parvenir au résultat attendu, ont été sévèrement sanctionnés. Malgré ces lacunes, le jury a eu la satisfaction de corriger un certain nombre d'excellentes copies.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Malhonnêteté intellectuelle sanctionnée
Certains candidats emploient tous les moyens pour parvenir au résultat attendu, ce qui est sévèrement sanctionné.
« Les candidats qui pratiquent la méthode selon laquelle tous les moyens sont bons pour parvenir a u résultat, affichent ainsi une malhonnêteté intellectuelle »
- 2Forces d'amortissement mal établiesI.A
L'établissement des expressions des forces d'amortissement et de tension a posé problème dans de nombreuses copies, avec des conséquences sur les questions suivantes.
« L’établissement des expressions des forces d’amortissement et de tension a posé problème très souvent »
- 3Référentiel du PFD non identifiéI.A
Très peu de candidats ont su expliquer que le principe fondamental de la dynamique devait être écrit dans le référentiel du bâti.
« très peu de copies ont su expliquer ce point particulier »
- 4Lois d'électrocinétique mal appliquéesI.B (4-6)
Les lois fondamentales de l'électrocinétique sont connues mais très mal appliquées, rendant la mise en équation délicate.
« Les lois fondamentales de l’électrocinétique sont sues mais très mal appliquées en général »
- 5Applications numériques sans unité
Les applications numériques, importantes dans ce problème, ne sont valables que si elles sont accompagnées d'une unité.
« les applications numériques, qui occupent une place non négligeable dans le problème, doivent absolument être suivies d’une unité pour être valables »
Ce qui a été bien réussi
- Le jury a été heureux de corriger un certain nombre d'excellentes copies.
- La partie sur le système mécanique (questions 11 à 13) a été réussie par un grand nombre de candidats.
- Les questions 21 et 22 d'optique ont en général été bien menées lorsqu'elles ont été traitées.
Conseils du jury
- Lire l'intégralité du sujet avant de commencer, pour saisir sa structure et repérer d'éventuels éléments de réponse donnés plus loin.
- Ne pas s'obstiner plus d'un quart d'heure sur une question infructueuse : passer à la suivante et y revenir ensuite.
- Toujours accompagner une application numérique de son unité.
- Faire preuve d'honnêteté intellectuelle plutôt que de justifier un résultat par une argumentation douteuse.
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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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)
PREMIÈRE ÉPREUVE DE PHYSIQUE
Filière PC
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.
AUTOUR D'UN DRAGSTER À RÉACTION
I. - Mesure de l'accélération par un système embarqué
I.A. - Analyse du mouvement mécanique
.jpg)
- 1 - Exprimer la résultante
F⃗_r des forces de tension des ressorts appliquée à la masse en fonction dek, L et du vecteureˆ_x . Exprimer la résultanteF⃗_a des forces d'amortissement appliquée à la masse en fonction def, L˙ et du vecteureˆ_x . - 2 - En appliquant le principe fondamental de la dynamique dans le référentiel lié au sol, déterminer l'équation différentielle vérifiée par
L et décrivant le mouvement de la massem lorsque le dragster possède une accélération de modulea dans la direction desx > 0 . - 3 - Afin d'étudier la réponse mécanique globale de ce système, on s'intéresse au cas particulier d'une accélération sinusoïdale de pulsation
ω , les représentations complexes des grandeurs physiquesL eta sont notéesa_– = A_m e^(jωt) etL_– = L_–_m e^(jωt) ; calculer la transmittanceL_–/a_– de ce système en fonction deξ = ω/(ω_o), μ etG = ω_o^(− 2) . En déduire le régime de pulsation dans lequel une mesure deL permet de déterminer l'accélération subie par le système. On justifiera le raisonnement.
I.B. - Mesure du déplacement
Dans un Mems une série de de micro-lamelles sont imbriquées comme si deux peignes à cheveux étaient en regard l'un de l'autre. Les condensateurs sont alors simplement plus nombreux que dans le modèle que nous utilisons. Le dispositif formé par les condensateurs est alimenté par les tensions

- 4 - Déterminer l'équation différentielle vérifiée par
v_3(t) en fonction deV_s, τ, ω, cos(ωt) et de la tensionV_2 = (C_1 − C_2)/(C_1 + C_2)V_1 - 5 - Résoudre cette équation en trouvant l'expression de
v_3(t) en fonction deV_s, V_2, ω ,τ, cos(ωt + φ) et d'une constanteV_0 associée au régime libre, fixée par les conditions initiales et que l'on ne cherchera pas à déterminer. En particulier, on exprimera d'une part la phase à l'origineφ en fonction deω etτ et d'autre part l'amplitude des oscillations en régime permanent en fonction deω, V_2 etτ . - 6 - On fixe
τ = 5 ms etω = 10^5 rad.s^(− 1) , la mesure dev_3(t) est faite pourt≫τ . En déduire, dans ces conditions, une expression approchée dev_3(t) ne dépendant plus que deV_s ,V_2 etsin(ωt) . - 7 - Soit deux plaques parallèles, chacune de surface
S , séparées par une distancee petite devant les autres dimensions. La normale aux plaques est un vecteure_x ˆ orientant l'axeOx . On néglige les effets de bords ainsi que l'épaisseur des plaques. La première plaque située enx = 0 , porte la chargeQ et la seconde située enx = e porte la charge− Q . Déterminer la capacitéC du condensateur plan formé par ces plaques en admettant que le champ est nul à l'extérieur de ce dernier. On exprimeraC en fonction deS, e et de la permittivité du videε_o - 8 - Les condensateurs du schéma de principe de l'accéléromètre de la figure 1 sont plans et les surfaces en regard ont une aire
S . En utilisant le résultat de la question précédente, exprimerC_1 etC_2 en fonction ded, L, S etε_o .
◻9 - Sous les hypothèses de la question 6, exprimerv_3(t) en fonction deV_1, L, d, V_s etsin(ωt) . On conservera cette expression pour la suite de l'étude.
Pour extraire l'information, le principe utilisé est celui de la démodulation synchrone : le signalv_3(t) est multiplié parv_1(t) pour obtenir un signals_1(t) = h × v_1(t) × v_3(t) oùh est un gain positif, puis le résultat est filtré pour obtenir le signals(t) . L'ensemble de ce dispositif d'acquisition est représenté sur la figure 3.

- 10 - Après avoir écrit l'expression de
s_1(t) , déterminer le signals(t) qu'il est possible d'observer en mode DC sur un oscilloscope. On détaillera le raisonnement permettant d'obtenir cette expression, on exprimera tout d'abords(t) en fonction deh, V_1, L, d etV_s puis, en supposant queL eta ne dépendent pas du temps, en fonction deh, V_1, a, m, k, d etV_s .
FIN DE LA PARTIE I
II. - Propulsion de l'engin par un réacteur d'avion !
II.A. - Premier principe pour un système ouvert
On suppose que le régime est permanent. Les grandeurs intensives (pression, température...) ont des valeurs uniformes avant la partie commune et seront notées

- 11 - Démontrer que le débit massique
D_m est constant entre l'entrée et la sortie du système.
12- On indice avec une les grandeurs en entrée et avec uns les grandeurs en sortie, on noteW_i le travail autre que celui des forces de pression. Appliquer le premier principe au système ferméΣ entre les instantst ett + dt en régime permanent et trouver une relation entre les énergies internes (U_e, U_s ), potentielles (E_(p, e), E_(p, s) ), cinétiques (E_(c, e), E_(c, s) ), les pressions (P_e, P_s ), les sections (S_e, S_s ), les longueurs (dℓ_e, dℓ_s ) et le travailδW_i . - 13 - La vitesse macroscopique du fluide entrant est notée
c⃗_e = c_e eˆ_x et celle du fluide sortantc⃗_s = c_s eˆ_x , on notez_e etz_s les altitudes correspondantes (l'axez est orienté vers le haut) etω_i = (δW_i)/(dm) le travail indiqué massique en posantdm = dm_e = dm_s . Le volume massique à l'entrée de la partie commune estv_e etv_s à la sortie, les enthalpies massiques sont notéesh . Réécrire le premier principe pour obtenir une expression massique de ce dernier relianth_e, h_s ,c_e, c_s, g, z_e, z_s etω_i .
II.B. - Force de poussée du réacteur - Étude de la tuyère
.jpg)
- 14 - Déterminer l'expression de la température
θ_s du gaz à la sortie de la tuyère et sa valeur numérique. - 15 - Exprimer la vitesse
c⃗_s du gaz à la sortie de la tuyère en fonction dec_p et des températuresθ_e etθ_s . Calculer la valeur numérique de sa norme. - 16 - La variation de la quantité de mouvement du gaz qui entre et qui sort du réacteur au cours du temps, lorsque l'on est en régime permanent, génère une force appelée force de poussée du réacteur. On se place dans le référentiel lié au réacteur supposé galiléen. Calculer cette force
Π⃗ en fonction du débit massique de gazD_m (entrant dans le réacteur) et des vitesses d'entréec⃗_e et de sortiec⃗_s exprimées dans le référentiel lié au réacteur. Déterminer la valeur numérique de la norme de la force de poussée subie par le dragster lors d'un départ arrêté, pour un débit massique constantD_m = 80, 0 kg ⋅ s^(− 1) et en l'absence de vent. - 17 - Déterminer la valeur de la norme
a de l'accélération subie au démarrage par un dragster de1, 06 ⋅ 10^3 kg équipé du réacteur décrit dans la question précédente. On exprimera cette accélération eng (accélération de la pesanteur). - 18 - Le débit massique est supposé constant. On admet que la force de poussée calculée dans le référentiel lié au réacteur garde la même valeur (norme, direction et sens) dans le référentiel lié au sol. Calculer le temps mis par le dragster pour parcourir les 305 m de la piste dans le cas ou la seule force existante serait la force de poussée. Le résultat attendu est numérique à deux chiffres, et non littéral, de manière à pouvoir conclure sur la capacité de ce véhicule à faire mieux qu'un dragster classique (sans réacteur) qui parcourt la distance en
3, 80 s .
FIN DE LA PARTIE II
III. - Contrôle d'épaisseur de certaines pièces
III.A. - Contrôle d'épaisseur d'un dépôt métallique

- 21 - Qu'observe-t-on sur l'écran si on remplace l'air par de l'eau dans la même expérience. Préciser, en le justifiant, ce qui est modifié et ce qui ne l'est pas.
III.B. - Mesure de l'épaisseur de la pièce transparente
- 25 - Exprimer la différence
Δλ entre les des deux longueurs d'onde de la raie double du sodium en fonction dee_1, e_(11) etλ_m . En déduire la valeur numérique de cette différence.
FIN DE LA PARTIE III
FIN DE L'ÉPREUVE
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet Physique 1 Mines PC 2013 sur le dragster à réaction ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet Physique 1 Mines PC 2013 sur le dragster à réaction ?
Le sujet porte sur les oscillateurs mécaniques amortis et les systèmes MEMS, le premier principe pour un système ouvert et la poussée d'une tuyère, ainsi que les interférences optiques et les filtres électriques.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées sur Physique 1 Mines PC 2013 ?
Des forces d'amortissement mal établies, un référentiel du PFD non identifié, des lois d'électrocinétique mal appliquées, et des applications numériques sans unité.
Le sujet Physique 1 Mines PC 2013 sur le dragster est-il difficile ?
Le rapport ne donne pas d'appréciation globale de difficulté, mais relève de grosses lacunes en mécanique chez de nombreux candidats.
Comment bien préparer l'épreuve Physique 1 Mines PC 2013 ?
Le rapport conseille de lire le sujet en entier, de ne pas s'attarder sur une question infructueuse, de toujours donner les unités, et de faire preuve d'honnêteté intellectuelle.
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