Mines Physique 2 PC 2016Sujet, corrigé et rapport du jury
- Diffusion thermique (loi de Fourier, équation de la chaleur, terme source)
- Ondes thermiques et relation de dispersion
- Mécanique quantique : fonction d'onde, équation de Schrödinger, courant de probabilité
- Effet tunnel
- Électrostatique : interaction coulombienne
Téléchargements
Présentation du sujet
Difficulté moyenneDe la physique dans le tunnel du Fréjus : diffusion thermique dans la roche et radioactivité alpha par effet tunnelAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Difficulté moyenneLe sujet comporte deux parties totalement indépendantes, pour 34 questions. La première étudie la température dans le sol et sous le Fréjus par l'équation de la diffusion thermique, d'abord sans puis avec source radioactive, puis en tenant compte du relief. La seconde construit la description quantique d'une particule libre, établit l'effet tunnel à travers une barrière rectangulaire et l'applique à la radioactivité alpha.
- 1Partie I.A : évolutions saisonnières de la température dans le solLoi de Fourier, bilan thermique sur une tranche mésoscopique, onde thermique amortie et profondeur de pénétration des oscillations annuelles.
- 2Partie I.B : température d'origine géophysiqueBilan en régime stationnaire avec un terme source volumique dû à la radioactivité des roches et calcul de la température au centre du tunnel.
- 3Partie I.C : prise en compte du reliefTempérature dépendant de deux variables d'espace, séparation des variables et effet d'une surface ondulée.
- 4Partie II.A : le quanton librePostulat de Born, courant de probabilité, équation de Schrödinger indépendante du temps et relation de De Broglie.
- 5Partie II.B : effet tunnelSolutions dans les trois régions d'une barrière rectangulaire, conditions de continuité, coefficients de réflexion et de transmission, cas de la barrière épaisse.
- 6Partie II.C : radioactivité alphaBarrière coulombienne du noyau, découpage en barrières élémentaires, temps entre deux rebonds et comparaison à des mesures.
Difficulté moyenne. Le jury juge l'épreuve bien dimensionnée en longueur comme en difficulté, avec une bonne répartition entre questions simples et plus difficiles, et de nombreux candidats ont abordé plus de 75 % des questions.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesDéfinir le niveau mésoscopique de façon vague · Terme source mal interprété · Équations différentielles élémentaires mal résoluesAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLe sujet, de longueur raisonnable et proche du cours, a permis de classer correctement les candidats. Quatre questions étaient mal posées (2, 9, 15 et 27) et la correction en a tenu compte. Le jury se dit déçu par les applications numériques, qu'il attribue surtout à un manque d'attention aux unités.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Définir le niveau mésoscopique de façon vagueQ5
Situer simplement l'échelle mésoscopique entre microscopique et macroscopique n'a pas rapporté de points ; il fallait en expliquer la raison d'être.
« Les réponses qui se contentaient de situer le niveau mésoscopique entre le niveau microscopique et le niveau macroscopique n'ont pas été prise en compte. »
- 2Terme source mal interprétéQ11 à Q14
La puissance volumique produite par la radioactivité a souvent été traitée comme une puissance surfacique, et le flux venant du manteau a été ajouté au bilan au lieu d'être une condition aux limites.
« Il y a eu clairement confusion entre une densité de transfert thermique existant dans toute la croûte terrestre et une condition aux limites »
- 3Équations différentielles élémentaires mal résoluesQ15, Q21, Q25, Q26
Séparation des variables mal maîtrisée, solutions harmoniques ou exponentielles réelles manquées dans les différentes régions de la barrière.
- 4Confusion avec le puits infiniQ27
Certains annulent la fonction d'onde aux bords de la barrière au lieu d'écrire les conditions de continuité.
« certains candidats annulent la fonction d'onde en x=0 et x=a comme si l'on se trouvait dans le cas d'un puits de potentiel infini. »
- 5Barrière épaisse mal caractériséeQ29
Les applications numériques ont été très faibles et le caractère épais a été justifié par T très petit au lieu de qa très grand.
« Pour justifier le caractère épais de la barrière de potentiel, de nombreux candidats se contentent de dire que T<<1 au lieu de dire que qa>>1. »
- 6Constante de l'interaction coulombienneQ30
L'expression de K, produit de deux charges, était souvent fausse et faussait toute la suite de la question.
« Il s'agit d'une expression très classique que les candidats devraient connaître. »
Ce qui a été bien réussi
- Les questions 2 à 7 sur la loi de Fourier et le bilan thermique ont été bien réussies dans l'ensemble.
- La question 8 sur la solution ondulatoire est bien réussie, malgré des erreurs de signe.
- Les questions 18 et 19 sur la fonction d'onde ont été très bien réussies, et la relation de De Broglie est bien connue.
- Les conditions de continuité de la question 27 sont très souvent bien proposées et justifiées.
Conseils du jury
- Gagner en assurance dans la résolution des équations différentielles établies au fil de l'épreuve.
- Ne pas négliger les applications numériques et vérifier les unités.
- Distinguer terme source volumique, flux et condition aux limites dans un bilan thermique.
- Exploiter les courbes fournies en calculant effectivement les pentes.
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
Ces sujets peuvent vous intéresser
Lecture du sujet en ligne
L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.Afficher ou masquer la section
Lecture du sujet en ligne
SECONDE ÉPREUVE DE PHYSIQUE
L'usage de la calculatrice est autorisé.
Sujet mis à la disposition des concours :
Concours Commun TPE/EIVP, Concours Mines-Télécom, Concours
Centrale-Supélec (Cycle international).
sur la première page de la copie :
PHYSIQUE II - PC
De la physique dans le tunnel de Fréjus
I. - Température dans le tunnel de Fréjus
.jpg)

I.A. - Évolutions saisonnières de la température dans le sol
- 1 - Calculer la moyenne temporelle de la température extérieure en
z = 0 . Calculer la température maximale et minimale. Proposer une valeur numérique pourT_0 pour les évolutions annuelles de température. - 2 - Le flux thermique élémentaire, défini comme la quantité d'énergie traversant une surface élémentaire
dS pendantdt , est notédφ_Q . Rappeler la définition du vecteurj⃗_Q , densité de flux thermique. Quelle est sa dimension? - 3 - Rappeler la loi de Fourier, ainsi que ses conditions d'application. En déduire les dimensions de la conductivité thermique
κ . - 4 - On étudie une tranche mésoscopique de sol comprise entre
z etz + dz de surfaceS . Quelle est l'énergie thermiqueδQ reçue par cette tranche entret ett + dt ? - 5 - Pourquoi étudie-t-on une tranche
≪ mésoscopique≫ ? - 6 - Établir l'expression de sa variation d'énergie interne
dU en fonction de(∂j_Q)/(∂z) etS puis en fonction deρ_s, c_s, S et(∂T)/(∂t) .
7- En déduire l'équation de la chaleur à une dimension(∂T(z, t))/(∂t) = D(∂^2 T(z, t))/(∂z^2) dans laquelle on précisera l'expression et la dimension du coefficientD de diffusion thermique.
- 8 - Interpréter cette forme de solution. Déterminer la relation de dispersion correspondante. En déduire l'expression de
k_– qu'on mettra sous la formek_– = k^′ + ik^(′′) aveck^′ > 0 . Quelle est la signification physique dek^′ etk^(′′) . Déterminer l'expression correspondante de la solution réelleT(z, t) . - 9 - Calculer la profondeur
z_e à partir de laquelle les oscillations annuelles de température ne s'écartent pas deθ_0 de plus de1% . Que peut-on dire de la température dans le tunnel routier de Fréjus? Pour les roches granitiques constituant le Fréjus on donneρ_s = 2, 65 × 10^3 kg ⋅ m^(− 3) ,c_s = 8, 50 × 10^3 J ⋅ K^(− 1) ⋅ kg^(− 1) etκ = 3, 00 SI. - 10 - Que peut-on dire des variations quotidiennes de la température à la profondeur
z_e ? En terme de filtrage fréquentiel, comment se comporte le sol?
I.B. - Température d'origine géophysique
Dans les modèles couramment utilisés cette concentration décroît exponentiellement avec la profondeur, de sorte que la puissance volumique dégagée peut s'écrire

- 11 - Effectuer, en régime stationnaire, le bilan thermique dans une tranche de croûte terrestre de surface
S , comprise entrez etz + dz . - 12 - En déduire la température
T(z) en fonction de :H, L_c, P, j_m, κ etθ_0 = 0^∘C la température moyenne de surface enz = 0 . - 13 - Exprimer le flux thermique total
j⃗_S = j_S eˆ_z au niveau de la surface enz = 0 . - 14 - Comparer les deux termes proportionnels à
z et simplifier l'expression deT(z) . Calculer la température au centre du tunnel de Fréjus (z = 1, 70 km ) puisj_S .
I.C. - Prise en compte du relief
- 16 - Toujours pour une surface plane d'équation
z = 0 , en utilisant la linéarité de l'équation satisfaite par la température, déterminerT(x, z) en considérant les sources internes d'énergie thermique. - 17 - On considère ici que la topographie de la surface peut être représentée par l'équation
h(x) = h_0 cos((2πx)/λ) . La température de la surfaceT_s = T(x, z = h) sera prise égale à celle de l'air ambiant et sera modélisée parT_s = θ_0 + βz . En effectuant un développement limité enz à l'ordre 1 , exprimer la températureT(x, z = 0) en fonction deh, T(x, z = h) et((∂T)/(∂z))_(z = 0) . Déterminer((∂T)/(∂z))_(z = 0) en fonction notamment du flux d'énergie thermique à la surfacej_S . En déduire que que l'on peut écrire
FIN DE LA PARTIE I
II. - Radioactivité
α et effet tunnel
II.A. - Le quanton libre
- 18 - Une particule quantique (quanton) est localisée sur un axe (
O, uˆ_x ). L'état quantique de cette particule est caractérisé par une fonction d'onde :Ψ_–(x, t) . Rappeler le postulat de Born donnant la probabilitédP que la particule se trouve dans l'intervalle[x, x + dx] à l'instantt . En déduire la dimension deΨ(x, t) . - 19 - Interpréter la propriété
∫_(− ∞)^(+ ∞)|Ψ_–(x, t)|^2 dx = 1 . -
20 - Quelle est la signification physique deρ = |Ψ_–(x, t)|^2 ? En associant la probabilité de présence à un «c courant de probabilité >> donner sans démonstration l'équation de conservation de la probabilité de présence. On fera apparaître un vecteurj⃗ appelé vecteur densité de courant de probabilité. Une analyse non demandée montre que dans le cas mono-dimensionnel
-
21 - Rappeler ce qu'on entend par particule non relativiste. On cherche des états d'énergie stationnaireE de la formeΨ_–(x, t) = φ_–(x) × f_–(t) . Déterminer l'équation de Schrödinger indépendante du temps vérifiée parφ_–(x) et la forme générale deΨ_–(x, t) en fonction notamment deφ_–(x) etE . Que peut-on dire de la probabilité de présencedP ?
On définit une particule libre comme une particule de massem , d'impulsionp⃗ et d'énergieE = (p⃗^2)/(2m) > 0 évoluant dans une région d'énergie potentielleV(x) nulle. - 22 - Déterminer la solution générale de l'équation de Schrödinger indépendante du temps pour une particule libre. Montrer que sa fonction d'onde
Ψ_–(x, t) est la somme de deux ondes planes se propageant en sens inverse. -
23 - Définir le vecteur d'ondek⃗ que l'on peut associer à cette particule. Déterminer la relation entrep⃗ etk⃗ . Comment s'appelle cette relation?
II.B. - Effet tunnel

-
24 - Rappeler brièvement ce que serait le comportement de ce quanton s'il était régi par la mécanique classique. -
25 - Déterminer la forme générale de la solution de l'équation de Schrödinger indépendante du temps dans la région I et III. On ne cherchera pas à déterminer les 2 constantes d'intégration qui apparaissent dans la région I ni celle qui apparaît dans la région III. -
26 - Déterminer la forme générale de la solution de l'équation de Schrödinger indépendante du temps dans la région II. On poseraq = √((2m(V_0 − E))/(ℏ^2)) . Cette solution fait apparaître 2 constantes d'intégration que l'on ne cherchera pas à déterminer. - 27 - Énoncer les propriétés générales de la fonction d'onde en
x = 0 etx = a permettant d'écrire un système de 4 équations dont les 5 inconnues sont les constantes d'intégration des questions 25 et 26 . On ne cherchera pas à résoudre ce système. Quelle dernière hypothèse permet de définir complètement la fonction d'onde en tout pointx ? - 28 - En utilisant l'équation (1) déterminer les courants de probabilité dans les régions I et III en fonction des constantes d'intégrations de la question 25. Comment peut-on interpréter ces deux courants? En déduire les coefficients de réflexion
R et de transmissionT caractérisant cette barrière d'énergie potentielle en fonction de ces mêmes constantes.
Un calcul non demandé permet d'obtenir
-
29 - On considère que le quanton est un électron de massem_e = 9, 11 × 10^(− 31) kg et d'énergieE = 1, 00eV évoluant dans le potentiel décrit sur la figure 4 avecV_0 = 2, 00eV . Dresser un tableau des valeurs deqa etT poura = 0, 50 nm; 1, 00 nm et2, 00 nm . Définir ce que l'on appelle une barrière d'énergie potentielle épaisse et montrer que dans ce casT ≃ T_0(E, V_0)e^(− 2qa) où l'on précisera l'expression deT_0(E, V_0) . En étudiant les variations deT_0(E, V_0) pour0 < E < V_0 , déduire que pour une barrière épaisse, l'on peut écrireln(T) ≈ − 2qa .
II.C. - Radioactivité
α

- pour des grandes valeurs de
x , cette énergie potentielle correspond à la répulsion électrostatique, et présente donc un profil coulombien de la formeK/(4πε_0 x) - pour
x < x_0 , les interactions nucléaires attractives interviennent et l'énergie potentielle est un puits très profond. - pour l'uranium 238:
Z = 92 etx_0 = 3, 50 × 10^(− 15) m . La mesure de l'énergieE des particulesα émises par ce noyau donne une valeur proche de4, 00MeV . - 30 - Déterminer l'expression de la constante
K en fonction deZ et de la charge élémentairee = 1, 61 × 10^(− 19)C . En déduire la hauteurV_0 de la barrière d'énergie potentielle à franchir. Calculer la distancex_m à laquelle l'énergie potentielle coulombienne est égale àE . Donner un ordre de grandeur de la largeur de la barrière d'énergie potentielle à franchir. Peut-on considérer que la barrière est épaisse? On donne la masse de la particuleα, m_α = 6, 64 × 10^(− 27) kg et on rappelle que1/(4πε_0) = 8, 98 × 10^9 SI .

- 31 - En généralisant le résultat obtenu pour
T en fonction deT_0 , déterminerT(x + dx) en fonction deT(x), q etdx . En considérant, pour simplifier la suite du calcul, queqdx≪1 , établir la relation
- 32 - On admettra que
- 33 - En considérant que la particule fait des aller-retour dans une région d'extension
2x_0 et que l'on peut obtenir un ordre de grandeur de la vitesse de la parti-
.jpg)
- 34 - Comparer les résultats précédents à ceux que l'on peut déduire des mesures rassemblées sur la figure 7 .
FIN DE LA PARTIE II
FIN DE L'ÉPREUVE
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet Mines Physique 2 PC 2016 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet Mines Physique 2 PC 2016 ?
La première partie porte sur la diffusion thermique avec et sans terme source ; la seconde sur la mécanique quantique, l'effet tunnel et son application à la radioactivité alpha.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées en Mines Physique 2 PC 2016 ?
Des applications numériques fausses faute d'attention aux unités, une confusion entre puissance volumique et surfacique, des équations différentielles simples mal résolues et des conditions aux limites de puits infini appliquées à tort.
Le sujet Mines Physique 2 PC 2016 comporte-t-il des questions mal posées ?
Oui. Le jury cite les questions 2, 9, 15 et 27 et indique que la correction en a tenu compte pour ne pas pénaliser les candidats.
Faut-il avoir travaillé l'effet tunnel pour Mines Physique 2 PC 2016 ?
Le jury note que les candidats ayant travaillé l'étude documentaire sur l'effet tunnel, obligatoire au programme, étaient en terrain connu dans la seconde partie.
Pas de description pour le moment
