Mines Physique 1 PC 2024Sujet, corrigé et rapport du jury
Analyse physique d'un spa
Faisable en sup ?
Faisable en partie en PCSI : 4 questions sur 22. Autres questions faisables en PCSI
Autres premières années : BCPST1 5 questions.
Détail par partie
- Partie I : Installation du spa4/8En partie
- Partie II : Utilisation du spa0/82e année
- Partie III : Vidange du spa0/62e année
Téléchargements
Présentation du sujet
Analyse physique d'un spa gonflable : gonflage, chauffage, pertes thermiques, régulation et vidangeAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Le sujet suit la vie d'un spa gonflable, de son installation à sa vidange, en parties indépendantes. Il mobilise la thermodynamique (gaz parfaits, diffusion, bilans thermiques), les ondes électromagnétiques et leur interaction avec la matière, l'électronique et la dynamique des fluides. Aucun schéma n'est fourni par l'énoncé.
- 1Partie I : installation du spaGonflage de l'enveloppe modélisée par un gaz parfait, puis chauffage de l'eau par l'unité de contrôle ou par le Soleil, avec diffusion du rayonnement par les molécules de l'air.
- 2Partie II : utilisation du spaRésistances thermiques des parois et du sol, refroidissement exponentiel de l'eau, puis thermistance décrite par le modèle de Drude et montage à ALI pour le maintien en température.
- 3Partie III : vidange du spaÉcoulement parfait incompressible, relation de Bernoulli, durée de vidange en régime quasi permanent et durée du régime transitoire.
L'épreuve en chiffres
Moyenne 11,1 / 20 · écart-type 4,04 · 3 549 présents · où vous situez-vous ?Afficher ou masquer la section
L'épreuve en chiffres
- Moyenne
- 11,1/ 20
- Écart-type
- 4,04
- Présents
- 3 549
- Coefficient
- 4
- Durée
- 3 h
Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.
Source : document officiel du concours, épreuve du 13 mai 2024. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesPuissance et puissance surfacique confondues · Polarisation de l'air mal interprétée · Résistance thermique mal définieAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesToutes les questions ont été traitées, certaines par presque tous les candidats, d'autres par quelques-uns seulement. Les questions proches du cours ont souvent été bien traitées. Le jury relève surtout un manque de rigueur sur les signes, les orientations et les bilans, ainsi que de nombreux points perdus sur les applications numériques d'une épreuve sans calculatrice.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Puissance et puissance surfacique confonduesQ5
Les réponses sur l'éclairement solaire sont souvent non justifiées. Un schéma du faisceau en incidence oblique permettait de raisonner correctement.
« beaucoup de confusion entre puissance et puissance surfacique. »
- 2Polarisation de l'air mal interprétéeQ6
L'approximation d'onde plane locale est peu évoquée, et la résonance rarement citée. Il fallait penser à la déformation du nuage électronique.
« beaucoup se sont fourvoyés en évoquant l'orientation de dipôles préexistants »
- 3Résistance thermique mal définieQ9
Définition et expression sont confondues, le régime quasi stationnaire n'est pas mentionné et les coordonnées cylindriques posent problème pour les parois.
« Manque de rigueur dans la définition de la résistance thermique. »
- 4Bilan thermique avec erreur de signeQ10
Les échanges sont mal orientés, ce qui conduit parfois à une solution qui diverge sans que le candidat réagisse.
« d'où parfois une équation différentielle à solution divergente, ce qui aurait dû interpeller le candidat. »
- 5Convention récepteur et notationsQ13
Dans cette question de cours, beaucoup ne définissent pas vecteurs, composantes, flux ou orientations.
« la convention récepteur et sa nécessité ne semble pas être incontournable pour un nombre important de candidats. »
- 6Hypothèses de l'écoulement non justifiéesQ17, Q19
Le lien entre écoulement parfait et vitesse uniforme sur une section est rarement compris, et le régime quasi permanent peu évoqué.
« Le lien entre non-viscosité et uniformité du champ de vitesse sur une section n'est pas clair pour la plupart des candidats. »
Ce qui a été bien réussi
- La question Q1 sur le gonflage, abordée par tous, a reçu beaucoup de bonnes réponses.
- La question de cours Q14 est correctement traitée, souvent avec tous les points.
- Les calculs d'électrocinétique de Q16 sont presque toujours correctement effectués et justifiés.
- La question classique Q18 donne beaucoup de résultats corrects, et Q19 est globalement bien traitée.
- Quelques candidats ont traité toute la question Q7 de manière élégante.
Conseils du jury
- Faire soi-même des schémas, puisque l'énoncé n'en propose pas, en particulier pour les questions d'initiative.
- Définir ses notations et orienter les grandeurs avant tout bilan, local ou global.
- S'entraîner au calcul numérique sans calculatrice et aux conversions d'unités, comme °C en K.
- Donner chaque application numérique avec une unité et un nombre de chiffres significatifs adapté.
- Poser raisonnement et calculs au brouillon : la durée de l'épreuve le permet.
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
Corrigé détaillé
22 questionsIndice, stratégie puis corrigé complet pour chaque question, avec les remarques du jury.Afficher ou masquer la section
Corrigé détaillé
22 questions22 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.
- Q1Quel est le débit volumique moyen de la pompe en litres par seconde ?
- Q2Une fois gonflé en un temps, le volume du spa reste constant. Si l'utilisateur oublie d'arrêter la pompe, au…
- Q3Le spa est gonflé en un matin à. En supposant que la pression extérieure et que le volume de l'enveloppe du…
- Q4Estimer la durée nécessaire pour atteindre la température maximale de depuis une température initiale de. La…
- Q5À quel moment de la journée le chauffage par le Soleil est-il le plus efficace ? Justifier la réponse.
- Q6Justifier qualitativement le fait que l'on puisse écrire l'onde électromagnétique issue du rayonnement…
- Q7Montrer que, pour une pulsation donnée, l'éclairement (ici assimilé à la puissance surfacique moyenne)…
- Q8Le Soleil est un corps noir (voir formulaire) dont la température de surface est. Estimer la valeur de…
Voir les 14 autres questionsMasquer les autres questions
- Q9Définir la notion de résistance thermique. Exprimer, en fonction des variables du problème, la résistance…
- Q10Montrer que l'écart de température est de la forme et calculer le temps caractéristique dont on commentera…
- Q11Estimer le gain obtenu sur le temps caractéristique en installant la toile de sol et la couverture.
- Q12La toile de sol et la couverture étant installées, quelle puissance faudrait-il fournir pour maintenir…
- Q13Sans prendre en compte les effets de la température, en négligeant les effets de bords et en régime…
- Q14Montrer que la vitesse d'un électron est constante au bout d'un temps grand devant. En déduire une…
- Q15En notant la vitesse d'un électron juste après une collision à l'instant, comment s'exprime sa vitesse juste…
- Q16À partir du montage de la figure 2, exprimer les tensions et en fonction de,, et. En déduire à quelle…
- Q17Pourquoi peut-on considérer et uniformes sur toute la section de leur canalisation ? Quelle est la relation…
- Q18On se place en régime permanent, donc avec, exprimer la vitesse de l'eau dans le tuyau en fonction de et de.
- Q19Quelle équation différentielle est vérifiée par ? En déduire la durée de la vidange du spa en fonction de…
- Q20En intégrant l'équation d'Euler le long d'une ligne de courant, établir l'équation différentielle vérifiée…
- Q21Résoudre l'équation précédente sous la forme où est une fonction trigonométrique hyperbolique et dans…
- Q22Dans tout ce qui précède, le spa est vidé sans sa couverture. En supposant celle-ci parfaitement étanche…
Description
Le sujet suit la vie d'un spa gonflable, de son installation à sa vidange, en parties indépendantes. Il mobilise la thermodynamique (gaz parfaits, diffusion, bilans thermiques), les ondes électromagnétiques et leur interaction avec la matière, l'électronique et la dynamique des fluides. Aucun schéma n'est fourni par l'énoncé.
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A2024 - PHYSIQUE I PC
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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 2024
PREMIÈRE ÉPREUVE DE PHYSIQUE
Durée de l'épreuve :
3 heures
sur la première page de la copie :
PHYSIQUE I - PC
il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il est amené à prendre.
Analyse physique d'un spa

I Installation du spa
I.A Gonflage
| Hauteur du spa gonflé sans couverture |
|
| Hauteur d'eau |
|
| Diamètre intérieur |
|
| Diamètre extérieur |
|
| Temps de gonflage |
|
| Seuil d'ouverture de la valve de surpression |
|
-
- Une fois gonflé en un temps
t_g , le volume du spa reste constant. Si l'utilisateur oublie d'arrêter la pompe, au bout de combien de temps la valve de surpression s'ouvre-t-elle? On supposera ici que la température de l'air dans l'enveloppe reste constante.
- Une fois gonflé en un temps
-
- Le spa est gonflé en
t_g un matin à15^∘C . En supposant que la pression extérieure et que le volume de l'enveloppe du spa restent constants au cours de la journée mais que la température extérieure peut augmenter, à partir de quelle température la valve de surpression s'ouvre-t-elle?
- Le spa est gonflé en
I.B Chauffage de l'eau
-
- Estimer la durée nécessaire pour atteindre la température maximale de
40^∘C depuis une température initiale de20^∘C .
La puissance de chauffage de l'unité de contrôle indiquée sur le manuel est𝒫_c = 2, 5 kW : est-ce cohérent avec le résultat précédent?
- Estimer la durée nécessaire pour atteindre la température maximale de
-
- À quel moment de la journée le chauffage par le Soleil est-il le plus efficace? Justifier la réponse.
Justifier qualitativement l'apparition de cette polarisation.
Que représente
On admet que chaque molécule d'air rayonne la puissance moyenne
Sachant que l'épaisseur caractéristique de l'atmosphère est de l'ordre de 100 km , que peut-on dire de l'effet d'une augmentation d'altitude sur le chauffage de l'eau du spa?
II Utilisation du spa
II.A Pertes calorifiques
dans ce cas
Exprimer, en fonction des variables du problème, la résistance thermique de conduction des parois verticales du spa notée
-
- Estimer le gain obtenu sur le temps caractéristique en installant la toile de sol et la couverture.
-
- La toile de sol et la couverture étant installées, quelle puissance faudrait-il fournir pour maintenir constante la température de l'eau du spa?
II.B Module de commande : maintien en température
La température de l'eau est mesurée à l'aide d'une thermistance. On peut modéliser ce composant par un cylindre métallique de section
-
- Sans prendre en compte les effets de la température, en négligeant les effets de bords et en régime permanent, montrer que la résistance de ce cylindre serait
R_(él) = L/(σS) .
- Sans prendre en compte les effets de la température, en négligeant les effets de bords et en régime permanent, montrer que la résistance de ce cylindre serait
Dans le modèle de Drude, chaque électron de vitesse
-
- Montrer que la vitesse d'un électron est constante au bout d'un temps grand devant
τ_d . En déduire une expression de la conductivité électrique en fonction dem, e, τ_d et de la densité volumiquen_e d'électron dans le métal.
- Montrer que la vitesse d'un électron est constante au bout d'un temps grand devant
-
- En notant
v⃗_0 la vitesse d'un électron juste après une collision à l'instantt_0 , comment s'exprime sa vitessev⃗ juste avant la collision suivanteδt plus tard?
En moyennant le résultat sur un très grand nombre de collisions, proposer une interprétation physique pourτ_d .
En déduire que la résistance du métal augmente lorsque sa température augmente.
Dans la suite, on noteraR_(th) = R_0[1 + α(T − T_(ref))] la résistance de la thermistance en cuivre à la températureT , avecα = 4 × 10^(− 3) K^(− 1) etT_(ref) = 20^∘C .
On s'intéresse au mode «maintien de température » de l'unité de contrôle, utilisé lorsque l'eau du spa a déjà été chauffée à la température souhaitéeT_(max) . Ce mode maintient la température dans l'intervalle [T_(min), T_(max) ], oùT_(min) = T_(max) − 2^∘C . On a donc besoin de deux interrupteurs commandés en température. Un montage possible pour un interrupteur est donné sur la figure 2 , où les deux générateurs de tension constanteV_0 sont identiques. L'Amplificateur Linéaire Intégré (ALI) idéal fonctionne ici en saturation, il n'a alors que deux tensions de sorties possiblesV_s = ± V_(sat) , cette caractéristique permet de commander un dispositif, non étudié ici, créant une fonction ON/OFF pour le chauffage.
Les règles du fonctionnement à saturation sont précisées sur la droite de la figure 2.
- En notant

-
- À partir du montage de la figure 2, exprimer les tensions
V^+ etV^− en fonction deV_0 ,R_1, R_2 etR_(th) . En déduire à quelle condition sur la températureT on reste à saturation haute àV_s = + V_(sat) .
Pour quelle température, la sortie de l'ALI change-t-elle d'état?
Comment ce réglage est-il fait sur le spa?
Quelle précision relative sur la valeur deR_2 est-elle nécessaire pour régler la température a un degré près ?
- À partir du montage de la figure 2, exprimer les tensions
III Vidange du spa
On note
Quelle est la relation entre
Pour connaître la durée de vidange du spa, on se place en régime quasi-permanent, ainsi
-
- Quelle équation différentielle est vérifiée par
h_e(t) ?
- Quelle équation différentielle est vérifiée par
Afin de valider l'hypothèse de régime quasi-permanent, on cherche la durée du régime transitoire pendant laquelle la vitesse de l'eau dans le tuyau passe de 0 à la vitesse
-
- En intégrant l'équation d'Euler le long d'une ligne de courant, établir l'équation différentielle vérifiée par la vitesse
v_t(t) de l'eau dans le tuyau. Cette équation ne dépend que des seuls paramètresℓ, g eth_e(0) .
- En intégrant l'équation d'Euler le long d'une ligne de courant, établir l'équation différentielle vérifiée par la vitesse
-
- Résoudre l'équation précédente sous la forme
v_t(t) = v_1 f(t/τ_e) oùf est une fonction trigonométrique hyperbolique et dans laquelle on exprimera d'une partv_1 en fonction deg eth_e(0) et d'autre partτ_e en fonction deℓ etv_1 .
Déterminer la durée caractéristique du régime transitoire.
Conclure sur l'approximation de régime quasi-permanent : comment faut-il choisir la longueur du tuyau?
- Résoudre l'équation précédente sous la forme
-
- Dans tout ce qui précède, le spa est vidé sans sa couverture. En supposant celle-ci parfaitement étanche, est-il possible de vider le spa avec la couverture ? Conclure.
À toutes fins utiles...
Données physiques
- Masse de l'électron :
m = 9, 1 × 10^(− 31) kg - Charge de l'électron :
e = 1, 6 × 10^(− 19)C - Accélération de la pesanteur :
g = 9, 8 m ⋅ s^(− 2) - Permittivité diélectrique du vide :
ε_0 = 8, 9 × 10^(− 12) F ⋅ m^(− 1) - Perméabilité magnétique du vide :
μ_0 = 4π × 10^(− 7) kg ⋅ m ⋅ A^(− 2) ⋅ s^(− 2) - Constante d'Avogadro:
N_A = 6, 0 × 10^(23) mol^(− 1) - Constante molaire des gaz parfaits :
R = 8, 3 J ⋅ mol^(− 1) ⋅ K^(− 1)
- Masse volumique :
ρ_e = 10^3 kg ⋅ m^(− 3) - Capacité thermique massique :
c_e = 4, 2 × 10^3 J ⋅ K^(− 1) ⋅ kg^(− 1) - Viscosité dynamique (supposée indépendante de la température) :
η_e = 10^(− 3) Pa ⋅ s
- Conductivité thermique :
λ_a = 2, 5 × 10^(− 2) W ⋅ m^(− 1) ⋅ K^(− 1) - Coefficient d'échange conducto-convectif :
h_a = 10 W ⋅ m^(− 2) ⋅ K^(− 1) - Masse volumique :
ρ_a = 1, 2 kg ⋅ m^(− 3) - Coefficient adiabatique:
γ_a = 1, 4 - Capacité thermique massique :
c_a = 710 J ⋅ K^(− 1) ⋅ kg^(− 1)
- Conductivité thermique :
λ_h = 3, 5 × 10^(− 2) W ⋅ m^(− 1) ⋅ K^(− 1)
Formulaire
- Pour les fractions de cercles on prendra
π/3 = 1, 0; π/4 = 0, 8 etπ/5 = 0, 6 . - On rappelle la loi du déplacement de Wien selon laquelle la longueur d'onde
λ_(max) à laquelle un corps noir émet le plus de flux lumineux énergétique est inversement proportionnelle à la températureT_S de sa surface. C'est-à-direλ_(max) × T_S = 2900μ m .K. - On donne l'équation d'Euler pour un fluide dans le champ de pesanteur
g⃗ dont le champ de vitesse estv⃗(r⃗, t) , la masse volumiqueρ(r⃗, t) et le champ de pressionP(r⃗, t) :
- On rappelle que
FIN DE L'ÉPREUVE
- Les sujets sont la propriété du GIP CCMP. Ils sont publiés sous les termes de la licence
Creative Commons Attribution - Pas d'Utilisation Commerciale - Pas de Modification 3.0 France.
Tout autre usage est soumis à une autorisation préalable du Concours commun Mines Ponts.
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet Mines Physique 1 PC 2024 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet Mines Physique 1 PC 2024 ?
Selon le jury, il couvre la thermodynamique (gaz parfaits, diffusion, bilan thermique), les ondes électromagnétiques et leur interaction avec la matière, l'électronique et la dynamique des fluides, dans les programmes de PCSI et PC.
Quelles erreurs le jury a-t-il relevées au Mines Physique 1 PC 2024 ?
Des signes et orientations mal gérés dans les bilans, une résistance thermique mal définie, des confusions entre puissance et puissance surfacique et de nombreuses applications numériques fausses.
La calculatrice est-elle autorisée au Mines Physique 1 PC 2024 ?
Non : le jury parle d'une épreuve sans calculatrice et rappelle qu'elle teste aussi la capacité à mener les applications numériques avec soin.
Quelles questions du Mines Physique 1 PC 2024 ont été peu traitées ?
Les questions Q7 et Q8 sur l'atténuation du rayonnement solaire, ainsi que Q11 et Q12 sur les pertes thermiques, ont été peu traitées. Q10 l'a été par un peu moins de la moitié des candidats.
Pas de description pour le moment
