Mines Physique 1 PC 2023Sujet, corrigé et rapport du jury
Les sylphes
Faisable en sup ?
Faisable en partie en PCSI : 14 questions sur 24. Autres questions faisables en PCSI
Autres premières années : MPSI 8 · PTSI 8 · MP2I 8 · TSI1 8 · BCPST1 12 questions.
Détail par partie
- Partie I : Observation des sylphes11/12En partie
- Partie II : Une atmosphère électrique0/52e année
- Partie III : Formation avalancheuse de courant3/7En partie
Téléchargements
Présentation du sujet
Les sylphes : observation depuis l'ISS, propagation d'ondes dans le plasma atmosphérique et cascade avalancheuseAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Le sujet étudie les sylphes, émissions lumineuses rouges produites entre 40 et 80 km d'altitude lors d'orages, en trois parties indépendantes. La première traite de leur observation, difficile depuis le sol à cause de l'absorption par le dioxygène, et envisage l'ISS. La deuxième étudie la propagation d'ondes électromagnétiques dans un plasma et l'existence d'une fréquence limite, exploitée sur une carte d'échos radar. La troisième présente un modèle d'ionisation en cascade. La calculatrice était interdite.
- 1Partie I : observation des sylphesAnalyse de spectres et d'images, visibilité depuis le Pic du Midi, champ gravitationnel et orbite de l'ISS, puis modèle de pression atmosphérique et pression partielle en dioxygène (Q1 à Q12).
- 2Partie II : une atmosphère électriqueForce de Lorentz sur un électron, conductivité complexe, équation de propagation et relation de dispersion dans un plasma, fréquence limite et analyse d'une carte d'échos radar (Q13 à Q17).
- 3Partie III : formation avalancheuse de courantBilan sur un faisceau d'électrons, libre parcours moyen et section efficace, énergie d'ionisation, électrons relativistes et nombre d'étapes de la cascade (Q18 à Q24).
L'épreuve en chiffres
Moyenne 11,18 / 20 · écart-type 4,13 · 3 447 présents · où vous situez-vous ?Afficher ou masquer la section
L'épreuve en chiffres
- Moyenne
- 11,18/ 20
- Écart-type
- 4,13
- Présents
- 3 447
- Coefficient
- 4
- Durée
- 3 h
Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.
Source : document officiel du concours, épreuve du 4 mai 2023. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesConclusion sans raisonnement · Théorème de Gauss gravitationnel · Hypothèse de trajectoire circulaire oubliéeAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesL'épreuve mobilise la mécanique du point, l'analogie gravitationnelle du théorème de Gauss, la thermodynamique et les ondes électromagnétiques dans les plasmas. Elle mêle des questions proches du cours et des questions d'initiative ou d'analyse de documents qui demandent un raisonnement construit. Le jury rappelle que toute réponse non justifiée ne rapporte rien et regrette que des candidats renoncent aux applications numériques ou rendent des copies proches du brouillon.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Conclusion sans raisonnementQ1, Q2, Q3
Dans les questions d'analyse de documents, les points portent sur la démarche et non sur la conclusion. Affirmer la couleur des sylphes ou la présence d'un sylphe ne suffit pas.
« affirmer que la couleur est rouge n’est pas un raisonnement »
- 2Théorème de Gauss gravitationnelQ4
Question proche du cours souvent mal traitée : erreur de signe dans l'énoncé du théorème, surface non fermée, symétries et invariances oubliées, et résultat forcé.
« Le théorème de Gauss pour la gravitation est souvent faux (avec notamment une erreur de signe dans son énoncé). »
- 3Hypothèse de trajectoire circulaire oubliéeQ5
Elle est indispensable pour montrer que la vitesse de l'ISS est constante. Des confusions entre champ de gravitation et constante de gravitation ont aussi été relevées.
« De nombreux candidats oublient d’affirmer l’hypothèse de trajectoire circulaire »
- 4Statique des fluides et modèle d'atmosphèreQ8, Q10
La loi de la statique des fluides est énoncée avec des erreurs de signe ou sans vecteurs. Beaucoup ont ensuite cherché à retrouver le modèle de l'atmosphère isotherme, qui n'était pas celui étudié.
« Trop de candidats ont voulu retrouver l’expression de la pression dans le cas de l’atmosphère isotherme »
- 5Fréquence limite du plasmaQ16
Il faut montrer le caractère non propagatif de l'onde sous la pulsation plasma. La relation entre fréquence et pulsation est parfois inconnue et la racine carrée souvent oubliée.
« La relation fréquence / pulsation n’est pas toujours connue. »
- 6Bilan forcé par la question suivanteQ18
La méthode générale des bilans doit être appliquée au lieu de chercher un résultat homogène à partir de l'expression donnée ensuite.
« ont essayé de trouver un résultat homogène en s’appuyant sur la question suivante »
Ce qui a été bien réussi
- De nombreux candidats ont compris, en s'appuyant sur la question précédente, que le déplacement de l'ISS complique l'enregistrement d'un sylphe (Q7).
Conseils du jury
- Justifier chaque réponse de manière claire et concise : une réponse non justifiée ne rapporte aucun point.
- Ne pas se servir de l'analyse dimensionnelle comme justification, mais comme moyen de détecter une erreur.
- Traiter les applications numériques en posant le calcul et en respectant les chiffres significatifs, car leur barème est binaire.
- Chercher au brouillon et ne rédiger sur la copie qu'une fois le raisonnement trouvé.
- Maîtriser les notions de cours de PCSI et de PC.
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
Corrigé détaillé
24 questionsIndice, stratégie puis corrigé complet pour chaque question, avec les remarques du jury.Afficher ou masquer la section
Corrigé détaillé
24 questions24 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.
- Q1À l'aide des courbes de la figure 2, justifier la couleur caractéristiques des sylphes. Justifier également…
- Q2La distance qui sépare à vol d'oiseau le Pic du Midi de Bigorre de la chaîne des Alpes françaises est-elle…
- Q3Montrer que l'analyse des deux images de la figure 4 prouve bien la détection d'un sylphe.
- Q4L'iss se situe à une altitude d'environ 400 km. Montrer en utilisant le théorème de Gauss, et moyennant…
- Q5Après avoir montré qu'elle est constante, déterminer l'expression de la norme de la vitesse de l'iss sur son…
- Q6Déterminer l'expression de la période de révolution de l'iss autour de la Terre et faire le lien avec la…
- Q7Les deux microcaméras de l'iss ont pour objectif d'enregistrer, lors d'un passage au-dessus d'un orage, la…
- Q8Rappeler, sans démonstration, l'expression vectorielle de la loi de la statique d'un fluide de masse…
Voir les 16 autres questionsMasquer les autres questions
- Q9Montrer que dans les conditions du problème on peut prendre, et. Montrer que la pression dans l'atmosphère…
- Q10Quelle expression simplifiée de proposeriez-vous à la lumière de l'expression précédente et des valeurs des…
- Q11Pour quelle raison principale, le modèle étudié cesse-t-il d'être correct à partir d'une altitude de l'ordre…
- Q12Discuter la possibilité d'observation des sylphes en lien avec la pression partielle en dioxygène depuis la…
- Q13Montrer que la contribution magnétique de la force de Lorentz sur l'électron est négligeable devant la…
- Q14Justifier le fait que la contribution des ions au courant électrique est négligeable devant celle des…
- Q15Établir l'équation de propagation du champ électrique. En déduire la relation de dispersion vérifiée par le…
- Q16Pour quelle fréquence limite, une onde envoyée depuis la surface de la Terre ne peut plus se propager…
- Q17L'image de la figure 6 montre la localisation et le nombre d'échos radar qui reviennent au niveau de…
- Q18En raisonnant entre et, établir l'équation différentielle d'évolution de. Résoudre cette équation et…
- Q19Montrer que le libre parcours moyen s'écrit.
- Q20Pour la molécule de diazote, on a. Justifier cet ordre de grandeur pour la section efficace. Déterminer la…
- Q21Sachant que l'énergie d'ionisation de la molécule de diazote est, un électron initialement au repos et…
- Q22Justifier le fait que ces électrons cosmiques sont nécessairement relativistes.
- Q23Expliquer le phénomène de cascade avalancheuse.
- Q24Déterminer la valeur numérique de. Pour cette question, on prendra un libre parcours moyen de l'ordre du…
Description
Le sujet étudie les sylphes, émissions lumineuses rouges produites entre 40 et 80 km d'altitude lors d'orages, en trois parties indépendantes. La première traite de leur observation, difficile depuis le sol à cause de l'absorption par le dioxygène, et envisage l'ISS. La deuxième étudie la propagation d'ondes électromagnétiques dans un plasma et l'existence d'une fréquence limite, exploitée sur une carte d'échos radar. La troisième présente un modèle d'ionisation en cascade. La calculatrice était interdite.
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A2023 - PHYSIQUE I PC
Mines-Ponts
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).
CONCOURS 2023
PREMIÈRE ÉPREUVE DE PHYSIQUE
L'usage de la calculatrice ou de tout dispositif électronique est interdit.
sur la première page de la copie :
PHYSIQUE I - PC
Les sylphes

I Observation des sylphes
-
- À l'aide des courbes de la figure 2, justifier la couleur caractéristiques des sylphes.

.jpg)
-
- La distance
d qui sépare à vol d'oiseau le Pic du Midi de Bigorre de la chaîne des Alpes françaises est-elle de l'ordre de 500,1000 ou 1500 km ?
Sans prendre en compte l'altitude du Pic du Midi de Bigorre, tracer sur un schéma approprié la ligne d'horizon qui en part et qui passe au dessus des Alpes à une altitudeh . En faisant les hypothèses qui s'imposent exprimerh en fonction deR_T etd et calculer sa valeur numérique.
Est-il possible de voir des sylphes alpins sans effet de réfraction atmosphérique depuis le Pic du Midi de Bigorre? Peut-on voir le Mont-Blanc par beau temps?
- La distance

-
- Montrer que l'analyse des deux images de la figure 4 prouve bien la détection d'un sylphe.
-
- L'ISS se situe à une altitude
h_(ISS) d'environ 400 km . Montrer en utilisant le théorème de GAUSS, et moyennant certaines hypothèses que l'on précisera, que le champ gravitationnel qu'elle subit est de la forme :
- L'ISS se situe à une altitude
-
- Après avoir montré qu'elle est constante, déterminer l'expression
v_(Iss) de la norme de la vitesse de l'ISS sur son orbite circulaire. Calculer sa valeur numérique enkm ⋅ s^(− 1) .
- Après avoir montré qu'elle est constante, déterminer l'expression
-
- Déterminer l'expression de la période de révolution
T_(Iss) de l'ISS autour de la Terre et faire le lien avec la troisième loi de Képler.
- Déterminer l'expression de la période de révolution
- Les deux microcaméras de l'ISS ont pour objectif d'enregistrer, lors d'un passage au-dessus d'un orage, la totalité de l'évolution d'un sylphe. Commenter la possibilité et la précision de ces enregistrements. On justifiera les réponses de façon numérique.
- L'atmosphère est assimilée à un gaz parfait de masse molaire
M = 29 g ⋅ mol^(− 1) . - La fraction molaire de dioxygène
O_2 est supposée la même à toute altitudez et égale à celle à la surface de la Terre à savoirx_(O_2) = 20% . - L'atmosphère est supposée en équilibre de telle sorte que la loi de la statique des fluides s'y applique et on ne prendra en compte que le poids assimilé à la force gravitationnelle.
- La pression à la surface de la Terre est
P_0 = 1 bar enz = 0 , la températureT_0 = 290 K . - La température évolue selon la loi
T(z) = T_0(1 − z/ℓ) avecℓ = 50 km , ce qui limite le modèle nécessairement à des altitudes inférieures àℓ . -
- Rappeler, sans démonstration, l'expression vectorielle de la loi de la statique d'un fluide de masse volumique
μ .
Montrer que la pression atmosphériqueP(z) obéit à l'équation différentielle suivante :
- Rappeler, sans démonstration, l'expression vectorielle de la loi de la statique d'un fluide de masse volumique
En décomposant la fonction
-
- Montrer que dans les conditions du problème on peut prendre
α ≃ 1, β ≃ 2ε etγ ≃ ε/R_T . Montrer que la pressionP(z) dans l'atmosphère est alors donnée par :
- Montrer que dans les conditions du problème on peut prendre
Sur la figure 5 ci-dessous, on a représenté sur le même schéma d'une part le modèle de pression de l'équation (1) pour les valeurs adaptées des paramètres et d'autre part la valeur de la pression mesurées par des sondes atmosphériques et spatiales.

-
- Pour quelle raison principale, le modèle étudié cesse-t-il d'être correct à partir d'une altitude de l'ordre de
z = 20 km alors qu'il est censé fonctionner potentiellement jusqu'à 50 km ?
- Pour quelle raison principale, le modèle étudié cesse-t-il d'être correct à partir d'une altitude de l'ordre de
-
- Discuter la possibilité d'observation des sylphes en lien avec la pression partielle en dioxygène depuis la Terre et depuis l'ISS.
II Une atmosphère électrique
On étudie, dans un premier temps, la propagation d'une onde électromagnétique plane progressive monochromatique de pulsation
-
- Montrer que la contribution magnétique de la force de LORENTZ sur l'électron est négligeable devant la contribution électrique de cette même force.
- Justifier le fait que la contribution des ions au courant électrique est négligeable devant celle des électrons. Déterminer la relation qui existe entre la représentation complexe du champ électrique
E⃗ de l'onde électromagnétique et celle de la densité volumique de courantj⃗ qui résulte de l'interaction entre l'électron etE⃗ . Donner l'expression de la conductivité complexe du plasmaγ_p et commenter cette expression en terme de puissance transférée.
- Établir l'équation de propagation du champ électrique
E⃗ . En déduire la relation de dispersion vérifiée par le vecteur d'ondek . - Pour quelle fréquence limite
f_p , une onde envoyée depuis la surface de la Terre ne peut plus se propager lorsqu'elle rencontre un milieu où la densité volumique d'électrons estn ? On détaillera le raisonnement permettant d'obtenir cette limite. Effectuer l'application numérique pour une densitén = 10^(11) m^(− 3) caractéristique des sylphes.
− 1 - L'image de la figure 6 montre la localisation et le nombre d'échos radar qui reviennent au niveau de l'émetteur. Analyser et commenter cette carte.

III Formation avalancheuse de courant
Un modèle repose sur la formation d'un courant lié à des ionisations en cascade provoquées par un électron primaire capable d'ioniser par chocs successifs des molécules de l'atmosphère, principalement du diazote
Les électrons fils créés par l'électron primaire peuvent à leur tour provoquer de nouvelles ionisations d'où l'effet d'avalanche. Cet électron primaire peut provenir du rayonnement cosmique qui éclaire en permanence la terre. Nous allons tout d'abord étudier la possibilité pour un tel électron de provoquer l'ionisation d'une molécule de diazote.
-
- En raisonnant entre
x etx + dx , établir l'équation différentielle d'évolution deN(x) . Résoudre cette équation et exprimerN(x) en fonction deN_0, n_(mo), S_(eff) etx .
◻ - 19. Montrer que le libre parcours moyen s'écritℓ_(pm) = ⟨x⟩ = 1/(n_(mo)S_(eff))
- En raisonnant entre
-
- Pour la molécule de diazote, on a
S_(eff) ≃ 10^(− 20) m^2 . Justifier cet ordre de grandeur pour la section efficace. Déterminer la valeur numérique du libre parcours moyenℓ_(pm) pour un électron à l'altitudez_3 = 60 km d'altitude où la pression estP_3 = 20 Pa et la températureT_3 = 260 K .
- Pour la molécule de diazote, on a
-
- Sachant que l'énergie d'ionisation de la molécule de diazote est
E_i ≃ 16eV , un électron initialement au repos et accéléré par le champ électrique local d'intensitéE peut-il ioniser cette molécule? On apportera des arguments numériques.
- Sachant que l'énergie d'ionisation de la molécule de diazote est
-
- Justifier le fait que ces électrons cosmiques sont nécessairement relativistes.
-
- Expliquer le phénomène de cascade avalancheuse.
-
- Déterminer la valeur numérique de
𝒩 . Pour cette question, on prendra un libre parcours moyenℓ_(pm) de l'ordre du centimètre. On pourra utiliser les courbes de la figure 7 en expliquant de façon détaillée la démarche suivie.
- Déterminer la valeur numérique de

Formulaire
Données numériques
Constante de Boltzmann :
Constante d'Avogadro:
Constante de Newton de gravitation :
Champ de pesanteur à la surface de la Terre :
Rayon de la Terre :
Permittivité diélectrique du vide :
Célérité de la lumière dans le vide :
Masse du proton et masse du neutron :
Masse de l'électron :
Charge de l'électron :
Constante de Planck :
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet Mines Physique 1 PC 2023 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet Mines Physique 1 PC 2023 ?
Il fait appel à la mécanique du point, à l'analogie gravitationnelle du théorème de Gauss, à la thermodynamique et à la propagation d'ondes électromagnétiques dans les plasmas, autour des sylphes.
Quelles erreurs le jury de Mines Physique 1 PC 2023 a-t-il le plus relevées ?
Des conclusions affirmées sans raisonnement, un théorème de Gauss gravitationnel faux, des erreurs de signe en statique des fluides, une fréquence plasma mal calculée et des résultats forcés à partir de l'énoncé.
Comment sont notées les applications numériques au concours Mines Physique 1 PC 2023 ?
Le barème est binaire : tous les points ou aucun. Le jury demande de poser le calcul et de donner le résultat avec le bon nombre de chiffres significatifs et une unité.
Quelles questions du sujet Mines Physique 1 PC 2023 sont proches du cours ?
Le jury cite les questions 4, 5, 6, 13, 14, 15 et 16. Les questions 1, 2, 3, 17 et 24 demandent davantage d'initiative et d'analyse de documents.
Pas de description pour le moment
