Mines Physique 2 PC 2018Sujet, corrigé et rapport du jury
- Électrostatique (théorème de Gauss)
- Oscillateur harmonique amorti
- Optique ondulatoire (cohérence temporelle, interférences)
- Introduction à la physique quantique (relation de de Broglie, photon)
- Théorie cinétique des gaz
- Facteur de Boltzmann
- Mécanique des particules chargées
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Présentation du sujet
Électrons et atomes par l'expérience : modèle de Thomson, largeur des raies, interférences d'électrons et jets atomiquesAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Le sujet de physique II du concours Mines-Ponts PC 2018 enchaîne six parties indépendantes autour de modèles et d'expériences sur les électrons et les atomes. Il part du modèle de l'électron élastiquement lié et du rayonnement, passe par l'expérience d'interférences électroniques de Faget et Fert, la déviation d'atomes de césium par la lumière et la mesure d'une durée de vie, puis termine sur la population des niveaux d'énergie de l'hydrogène.
- 1Partie I : modèle classique de Thomson de l'atomeChamp du noyau par le théorème de Gauss, oscillations de l'électron et perte d'énergie par rayonnement (questions 1 à 3).
- 2Partie II : émission et absorption de rayonnementOscillateur amorti, longueur du train d'onde, cohérence temporelle, largeur naturelle d'une raie et élargissement Doppler (questions 4 à 9).
- 3Partie III : expérience de Faget et FertChamp et potentiel d'un fil chargé, figure d'interférences d'électrons, interfrange et caractère relativiste ou non (questions 10 à 16).
- 4Partie IV : déviation du césium par un faisceau lumineuxQuantité de mouvement du photon et estimation du nombre de photons absorbés par les atomes (questions 17 à 20).
- 5Partie V : durée de vie d'états excités de l'héliumJet d'ions accélérés et mesure de la durée de vie à partir de l'intensité lumineuse reçue le long du jet (questions 21 à 27).
- 6Partie VI : irradiation d'une vapeur d'hydrogène atomiquePhotoionisation, loi de Boltzmann pour la population des niveaux et troncature de la somme sur les niveaux (questions 28 à 33).
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesCharge et densité de charge confondues · Résolution de l'équation caractéristique · Cohérence temporelle mal compriseAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLe sujet de physique atomique comportait de nombreuses parties indépendantes couvrant les programmes de PCSI et PC, si bien que chacun pouvait avancer, mais un score correct demandait d'aller au-delà des premières questions de chaque partie. Les copies sont en général soignées. Le jury déplore toutefois de nombreux problèmes d'homogénéité, des conversions d'unités erronées (eV et J) et des réponses qualitatives données au hasard.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Charge et densité de charge confonduesQ1
Au théorème de Gauss, beaucoup confondent charge et densité volumique de charge et obtiennent des résultats non homogènes ; les symétries doivent être justifiées et le volume d'une sphère connu.
« Le volume et la surface d’une sphère doivent être connus des candidats ! »
- 2Résolution de l'équation caractéristiqueQ4
L'application mécanique de formules de discriminant mal retenues a conduit à de nombreuses résolutions fausses ; une résolution méthodique en deux lignes aboutissait sûrement.
- 3Cohérence temporelle mal compriseQ6, Q7, Q8
Peu de candidats relient la longueur du train d'onde à la largeur spectrale ou comparent la longueur de cohérence à la différence de marche ; la largeur de raie en longueur d'onde est souvent fausse.
- 4Effet Doppler et unitésQ9
L'effet Doppler est attribué au déplacement de l'onde, et la masse molaire n'est pas convertie en kg/mol dans l'application numérique.
- 5Primitive de 1/rQ11
En passant du champ au potentiel, des erreurs de signe, l'oubli de la constante d'intégration et une primitive de 1/r fausse sont fréquents.
« 1/r est très souvent intégré en −1/r2 »
- 6Résultats absurdes non détectésQ25, Q30
Probabilité négative ou non homogène, température négative en kelvin : ces résultats sont rendus sans commentaire.
Ce qui a été bien réussi
- Les copies sont globalement bien rédigées, avec des résultats encadrés et des schémas tracés à la règle.
- L'établissement de l'équation différentielle de la question 4 n'a pas posé de problème à la majorité des candidats.
- La question 24 est plutôt bien traitée.
- Les candidats ayant abordé la question 33 ont souvent su justifier la troncature de la série.
Conseils du jury
- Présenter une application numérique avec une puissance entière de 10 et l'unité.
- Vérifier systématiquement l'homogénéité des résultats et les conversions entre eV et J.
- Justifier les réponses qualitatives par des arguments précis plutôt que de répondre au hasard.
- Donner une seule réponse par question : le jury ne choisit pas entre deux formules incompatibles.
- Privilégier la conservation de l'énergie quand elle évite un calcul long par la deuxième loi de Newton.
- Connaître solidement le cours, condition nécessaire et suffisante selon le jury pour réussir cette épreuve.
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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A2018 - PHYSIQUE II PC
ÉCOLE DES PONTS PARISTECH, ISAE-SUPAERO, ENSTA PARISTECH, TELECOM PARISTECH, MINES PARISTECH, MINES SAINT-ÉTIENNE, MINES NANCY, IMT Atlantique, ENSAE PARISTECH.
Concours Centrale-Supélec (Cycle International), Concours Mines-Télécom, Concours Commun TPE/EIVP.
CONCOURS 2018
DEUXIÈME ÉPREUVE DE PHYSIQUE
Durée de l'épreuve : 4 heures
PHYSIQUE II - PC
L'énoncé de cette épreuve comporte 6 pages de texte.
Si, au cours de l'épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d'énoncé, il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu'il est amené à prendre.
Electrons et atomes par l'expérience
I. - Modèle classique de Thomson de l'atome
On montre que toute charge accélérée rayonne un champ électromagnétique. L'électron oscillant, il émet donc un rayonnement dont la puissance moyenne (sur une période d'oscillation de l'électron) est donnée par la formule de Larmor
- 1 - En utilisant le théorème de Gauss en coordonnées sphériques, déterminer le champ électrique
E⃗_n dû au noyau au sein de celui-ci (i.e. pourr < a ). En déduire la forceF⃗_n qu'exerce le noyau sur l'électron lorsque celui-ci se déplace uniquement suivant (O, eˆ_r ). Faire le lien avec la force de rappel donnée précédemment en identifiantω_0 en fonction dee, m, a etε_0 . - 2 - Déterminer, dans le cas d'oscillations libres,
r(t) en fonction des caractéristiques du système (on choisira comme conditions initialesr(0) = r_0 etr˙(0) = 0 ) et en déduire l'expression de l'énergie mécaniqueE de l'électron en fonction dem, ω_0 etr_0 . -
3 - On considère dans la suite que cette énergie mécanique, malgré sa diminution due au rayonnement, diffère peu sur une période de celle que l'on vient d'établir en négligeant les pertes d'énergie. En tenant compte de la puissance moyenne⟨P⟩ perdue par rayonnement donner l'équation différentielle vérifiée parE et montrer queE dépend en fait du temps et se met sous la formeE(t) = E_0 exp(− Γt) . Calculer la valeur de1/Γ dans le cas de la raie bleue du spectre de l'atome d'hydrogène pour laquelleλ = 486, 1 nm . Justifier a posteriori le calcul effectué.
FIN DE LA PARTIE I
II. - Émission et absorption de rayonnement
- 4 - Après avoir écrit le principe fondamental de la dynamique appliqué à l'électron, déterminer l'expression de
r(t) . Simplifier cette expression (DL à l'ordre 1) compte tenu de la valeur très petite deαω_0 devant 1 .
◻5 - Donner, en fonction deω_0 et deα , le temps caractéristique2/Γ de décroissance des oscillations der(t) et la pulsationω des pseudo-oscillations que l'on mettra sous la forme :ω = ω_0 − δω . - 6 - L'atténuation par rayonnement provoque une décroissance de l'énergie de l'oscillateur, comme cela a été vu à la question 3. Le rayonnement émis se présente comme un train d'ondes de longueur caractéristique
L_(nat) . DonnerL_(nat) en fonction de la vitessec de la lumière dans le vide et deΓ . La lumière émise par l'électron freiné est-elle monochromatique? - 7 - Si la seule source d'élargissement de la raie spectrale était celle invoquée précédemment, quel commentaire pourrait-on faire sur la cohérence temporelle de cette source et sur la faisabilité d'une expérience d'interférence par exemple avec un interféromètre de Michelson?
- 8 - On peut montrer, grâce à l'analyse de Fourier, que l'énergie rayonnée par l'électron par unité de fréquence est :
FIN DE LA PARTIE II
III. - Expérience de Faget et Fert

- 10 - Décrire qualitativement ce qu'on observe sur l'écran.
- 11 - Exprimer, en fonction de
E_0, r_0 et de la distancer au fil, le champ électriqueE⃗ créé par le fil chargé. En déduire le potentielV(r) duquel dériveE⃗ . - 12 - Sachant que l'on a
mv^2 ≃ 10^5 eV etE_0 ≃ 10^6 V ⋅ m^(− 1) , calculer la différence de potentielU = V(r_0) − V(f) à imposer entre la sortie du canon et le fil pour avoirβ ∼ 10^(− 4) radian.
13-Dans les expériences d'optique électronique les électrons arrivent un par un; décrire comment se forme la figure sur l'écran. - 14 - Comment interpréter l'onde associée aux électrons? Calculer l'interfrange
δx de l'expérience dans le cas oùZ = 10f . Comment varie-t-elle quand on augmenteU ?
15-Que peut-on dire de la zone occupée par les franges (champ d'interférences) lorsqu'on augmente le potentielU . - 16 - Que pensez-vous de l'approche classique, au sens non-relativiste, effectuée ici?
FIN DE LA PARTIE III
IV. - Déviation du césium par un faisceau lumineux

- 17 - Rappeler l'expression de la quantité de mouvement d'un photon du faisceau irradiant.
◻18 - On suppose que la quantité de mouvement totale se conserve lors de l'absorption d'un photon par un atome de césium, et l'on noteθ l'angle que fait par rapport à (Oz ) la vitesse d'un atome de césium après cette absorption. Exprimerθ en fonction deh, m, λ etv . En déduire la déviationδx d'un atome, au niveau du détecteur, associée à l'absorption d'un seul photon.
FIN DE LA PARTIE IV
V. - Mesures expérimentales de la durée de vie de certains états excités de l'hélium
Le jet atomique ainsi obtenu est bombardé par un faisceau d'électrons énergétiques afin d'ioniser les atomes du faisceau. Les ions positifs ainsi formés sont ensuite accélérés entre les deux plaques percées d'un condensateur plan maintenu sous une différence de potentiel

- 21 - Dans ces expériences utilisant des jets atomiques, il est nécessaire de réaliser un vide poussé dans l'enceinte traversée par le jet atomique. Expliquer pourquoi.
- 22 - Pourquoi est-il nécessaire d'ioniser au préalable les atomes d'hélium?
◻23 - Quelle est la longueur d'ondeλ de la lumière émise par le jet? - 24 - En négligeant la vitesse des atomes à la sortie du four devant celle-ci, calculer la vitesse
v des cationsHe_+ à la sortie du condensateur.
◻25 - Déterminer la probabilité qu'un atome du jet se désexcite entre les instantst ett + dt . En déduire la probabilité qu'un atome du jet se désexcite entre les cotesz etz + dz .
◻26 - On noteK la proportion du rayonnement émis dans la direction du détecteur et collecté par la lentille,n^∗ la densité volumique d'atomes dans le jet etS la section du jet. Déterminer l'expression de l'intensité lumineusedI(z) reçue par le détecteur. - 27 - La tangente à
i(z) à l'origine, coupe l'axe des abscisses enℓ = 4, 2 cm . Calculer la durée de vieτ de l'état excité de l'atome d'hélium.
FIN DE LA PARTIE V
VI. - Irradiation d'une vapeur d'hydrogène atomique
On expose ce gaz à un rayonnement électromagnétique dont la fréquence
On analyse la distribution en vitesse des électrons (de masse
29- Rappeler l'expression
- 31 - Déterminer l'expression de la constante
C en fonction notamment du nombre totalN d'atomes contenus dans l'échantillon étudié. - 32 - On considère maintenant tous les niveaux d'énergie potentiellement excités de l'atome d'hydrogène. Quel est le nombre maximal
g_n d'électrons pouvant occuper le niveau d'énergieE_n . Ce nombre est appelé dégénérescence de l'étatE_n . En déduire une expression de la constanteC sous la forme d'une série infinie. Que constatez-vous? - 33 - On rappelle que le
n -ième rayon moyen de l'orbite de BOHR d'un électron de l'atome d'hydrogène est donné par la relation
FIN DE LA PARTIE VI
Données numériques
Constante de Planck :
Constante de Boltzmann :
Charge élémentaire :
Masse molaire de l'hydrogène :
Masse molaire de l'hélium :
Masse molaire du césium :
Masse de l'électron :
Masse d'un proton :
Vitesse de la lumière dans le vide:
Électron-volt :
Permitivité diélectrique du vide :
FIN DE L'ÉPREUVE
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique 2 Mines PC 2018 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique 2 Mines PC 2018 ?
Sur l'électrostatique, l'oscillateur amorti, l'optique ondulatoire (cohérence temporelle et interférences), la physique quantique élémentaire (photon, relation de de Broglie), la théorie cinétique des gaz et le facteur de Boltzmann.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées en physique 2 Mines-Ponts PC 2018 ?
Les problèmes d'homogénéité, les conversions d'unités, la confusion entre charge et densité de charge (Q1), la résolution fausse de l'équation caractéristique (Q4) et des résultats absurdes non commentés (Q25, Q30).
Le sujet Mines PC 2018 physique 2 est-il faisable par parties ?
Oui. Le jury souligne que les nombreuses parties indépendantes permettaient toujours de faire quelque chose, mais qu'il fallait dépasser les premières questions de chaque partie pour obtenir un score correct.
La calculatrice est-elle autorisée en physique 2 Mines PC 2018 ?
Non. Les applications numériques se font sans calculatrice ; le jury les a rémunérées généreusement et s'est contenté d'un chiffre significatif.
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