Mines Physique 2 PSI 2003Sujet et rapport du jury
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ÉCOLE NATIONALE DES PONTS ET CHAUSSÉES, ÉCOLES NATIONALES SUPÉRIEURS DE L'AÉRONAUTIQUE ET DE L'ESPACE DE TECHNIQUES AVANCÉES, DES TÉLECOMMUNICATIONS, DES MINES DE PARIS, DES MINES DE SAINT-ÉTIENNE, DES MINES DE NANCY, DES TÉLÉCOMMUNICATIONS DE BRETAGNE ÉCOLE POLYTECHNIQUE (FILIERE TSI)
CONCOURS D'ADMISSION
SECONDE ÉPREUVE DE PHYSIQUE
Filière PSI
(Durée de l'épreuve :
4 heures; l'usage de la calculatrice est autorisé)
Sujet mis à disposition des concours : Cycle international, ENSTIM, INT, TPE-EIVP
Les candidats sont priés de mentionner de façon apparente sur la première page de la copie :
Physique II - Filière PSI
L'énoncé de cette épreuve, particulière aux candidats de la filière PSI, comporte 7 pages.
Sujet mis à disposition des concours : Cycle international, ENSTIM, INT, TPE-EIVP
Les candidats sont priés de mentionner de façon apparente sur la première page de la copie :
Physique II - Filière PSI
L'énoncé de cette épreuve, particulière aux candidats de la filière PSI, comporte 7 pages.
- 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.
- Il ne faudra pas hésiter à formuler tout commentaire qui vous semblera pertinent, 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.
- Convention typographique : un vecteur est noté en gras, par exemple
A ; le vecteur unitaire pour la coordonnéeα est notéu_α .
PRODUCTION ET STOCKAGE D'HOLOGRAMMES
L'addition cohérente de deux ondes optiques produit une figure d'interférence, dont l'enregistrement est nommé hologramme. L'holographie consiste en l'étude de la production et de l'utilisation d'hologrammes ; elle diffère de l'étude classique d'interférences par la complexité des ondes qui interfèrent et celle du dispositif expérimental. Un hologramme peut produire l'image tridimensionnelle d'un objet. L'utilisation d'hologrammes est largement répandue à des fins publicitaires, éducatives, techniques ou artistiques.
Les deux parties de ce problème sont indépendantes entre elles ; la partie I concerne la production et la restitution d'un certain type d'hologrammes, dits épais, la partie II s'intéresse à une méthode d'enregistrement d'hologramme s'appuyant sur l'effet photoréfractif, caractérisé plus bas.
Toutes les longueurs d'onde dont il sera question sont les longueurs d'onde dans le vide.
Toutes les longueurs d'onde dont il sera question sont les longueurs d'onde dans le vide.
Partie I: Hologrammes épais
Pour former l'hologramme d'un objet, on utilise (Fig. 1) une onde lumineuse plane monochromatique, de pulsation
ω , de longueur d'onde
λ_(réf) que l'on sépare en deux faisceaux. L'un des faisceaux sert d'onde de référence ; l'autre faisceau éclaire un objet, et subit simultanément réflexion, réfraction et diffusion. L'hologramme est produit en faisant interférer sur une
plaque photosensible l'onde de référence avec l'onde ayant éclairé l'objet. L'utilisation ultérieure d'un faisceau de lecture (Fig. 2) permettra d'obtenir, en transmission dans ce problème, une onde non plane, de pulsationω , caractéristique de l'objet.
On notea(M, t) = A_(obj)(M)exp[i(ωt − ψ(M))] l'amplitude complexe au point M et à l'instant
t de l'onde issue de l'objet. Dans le trièdre orthonormé Oxyz, l'onde de référence, d'amplitude
A_(réf) de phase nulle au point O et à l'instant
t = 0 , est caractérisée par son vecteur d'onde
k_(réf) = k_(réf)(u_x sinφ + u_z cosφ) . On la note
A_(réf)exp[i(ωt − k_(réf).OM)] et l'on suppose, dans tout le problème, l'amplitude
A_(réf) de l'onde de référence très supérieure à celle de l'onde issue de l'objet :
m/2 = (A_(obj))/(A_(réf)), |m|≪1 .
L'intensitéI(M) au point M d'une onde d'amplitude complexe
s_–(M, t) sera conventionnel lement définie par le carré du module :
I(M) = s_–(M, t)s_–∗(M, t) = |s_–(M, t)|^2 .
plaque photosensible l'onde de référence avec l'onde ayant éclairé l'objet. L'utilisation ultérieure d'un faisceau de lecture (Fig. 2) permettra d'obtenir, en transmission dans ce problème, une onde non plane, de pulsation
On note
L'intensité

Fig. 1 Enregistrement d'un hologramme
.jpg)
Fig. 2 Lecture en transmission d'un hologramme
On établit aisément (et l’on admettra) l’expression suivante de l’intensité lumineuse
I(M) au point M de la plaque photosensible :
On suppose dans tout le problème que l'objet dont on forme l'hologramme est ponctuel et situé à l'infini sur l'axe Oz (Fig. 1); il génère alors une onde plane de vecteur d'onde
k_(obj) = k_(réf)u_z , d'amplitude
A_(obj)≪A_(réf) en phase avec l'onde de référence au point O. La phase de cette onde plane est donc:
Ψ(M) = Ψ(x, y, z) = k_(obj) .OM. On admettra, sans chercher à l'établir, que la relation [1] donne, à l'ordre le plus bas en
m :
où
Δk = k_(obj) − k_(réf) . La figure d'interférence est enregistrée sur une plaque photosensible parallélépipédique (c'est l'hologramme!). Ce parallélépipède est défini par
− X/2 ≤ x ≤ X/2 ,
− Y/2 ≤ y ≤ Y/2 et
− e/2 ≤ z ≤ e/2 . On suppose
e≪X et
e≪Y , inégalités dont on ne manquera pas de tirer les conséquences pratiques, en termes de diffraction. La mémoire holographique est située dans la zone de recouvrement du faisceau de référence et du faisceau issu
de l'objet. En dehors de la mémoire holographique, les ondes se propagent dans l'air, assimilé au vide. On rappelle la relation :∫_(− u/2)^(u/2)exp_2 2iπ(ax)/λ dx = usinc(◻πau)/λ = .
de l'objet. En dehors de la mémoire holographique, les ondes se propagent dans l'air, assimilé au vide. On rappelle la relation :
Enregistrement et lecture d'un seul hologramme.
où (
M, u_d ) représente le déphasage de l'onde émise en
M dans la direction
u_d par rapport à l'onde émise dans la même direction par le point O . La longueur d'onde de lecture est
λ_(lec) (
k_(lec) = 2ð/λ_(lec) ) et son vecteur directeur unitaire est
u_(lec) = sin(θ_(lec))u_x + cos(θ_(lec))u_z . Exprimer
(M,u_d ) en fonction de
λ_(lec) et des vecteurs
u_(lec), u_d et
OM , puis en fonction de
θ_(lec), θ_d, λ_(lec) et des coordonnées
(x, y, z) du point M .
◻3 - L'amplitude totale
A_–(θ_(lec), θ_d) de l'onde diffractée à l'infini par la mémoire holographique dans la direction
u_d s'exprime en termes des trois intégrales
a_1, a_2 et
a_3 :
PosonsΔsin_(d, l) = sin(θ_d) − sin(θ_(lec)) et
Δcos_(d, l) = cos(θ_d) − cos(θ_(lec))
(M,
Posons
et, de manière similaire :
Déterminer en fonction de
θ_(lec) la valeur de
θ_d pour laquelle le terme indépendant de
m dans
A_–(θ_(lec), θ_d) est maximal. Estimer la largeur angulaire du pic principal de diffraction pour ce terme. Que dire de ce terme en dehors de son maximum principal?
◻4 - Montrer que la contribution à
A_–(θ_(lec), θ_d) des deux termes dépendant de
m ne prend de valeurs notables, (compte tenu des ordres de grandeur de
e, X, λ_(lec) et
λ_(réf) ) que si les angles
θ_d, θ_(lec) et
φ , tous supposés petits (devant
π , par exemple), sont reliés par les relations, respectivement :
Deux types d'enregistrement d'hologrammes multiples
Lorsque plusieurs hologrammes sont enregistrés dans la même mémoire, on admettra que les résultats précédents sont valables pour chacun d'entre eux.
◻8 - Dans un premier type d'enregistrement, la longueur d'onde
λ_(ref) de l'onde de référence est identique pour les deux hologrammes et
φ prend respectivement les valeurs
φ_1 et
φ_2 , petites devant
π . L'onde de lecture est caractérisée par
λ_(lec) = λ_(réf) et
θ_(lec) = φ_1 , de manière à reconstituer l'image associée à l'hologramme 1 dans la direction
θ_d = 0 . La reconstitution est dite correcte si
|θ_(lec) − φ_2| > 2|δ| . Quelle est la signification physique de cette inégalité ?
◻9 - Dans un second type d'enregistrement, l'angle de référence
φ est identique pour les
deux hologrammes et les longueurs d'onde prennent, respectivement, les valeursλ_1 et
λ_2 . L'onde de lecture est caractérisée par
λ_(lec) = λ_1 et
θ_(lec) = φ .
deux hologrammes et les longueurs d'onde prennent, respectivement, les valeurs
Montrer, en vous inspirant de la question 8, que la reconstitution de l'image associée à l'hologramme 1 peut être dite correcte si
|λ_(lec) − λ_2| est supérieur à un certain seuil, dont on donnera l'expression. Calculer le nombre d'hologrammes enregistrables dans une plage de longueurs d'onde
λ autour d'une valeur centrale
λ_0 , pour
λ_0 = 500 nm, λ = 10 nm ,
X = 2 cm et
φ_0 = 0, 1rad .
Partie II : Stockage d'hologrammes
Cette partie, indépendante de la précédente, étudie une méthode d'enregistrement d'un hologramme. On se limite à des phénomènes unidimensionnels selon l'axe
Ox . L'intensité lumineuse éclairant le milieu lors de l'enregistrement s'exprime par
I(x) = I_0[1 + mcos(kx)] , avec
m ∈ [0, 1[ . L'information sur l'objet holographié est contenue dans le terme de modulation spatiale
I_0 mcos(kx) .
Stockage dans un cristal photoréfractif
Un cristal photoréfractif est un cristal transparent dont l'indice est
.jpg)
Neutre
D^0
Ionisé
D^+
modifiable par éclairement. Il est modélisé par une matrice de permittivité diélectrique statiqueε , dans laquelle sont présents deux types de sites, l'un et l'autre fixes dans le réseau:
modifiable par éclairement. Il est modélisé par une matrice de permittivité diélectrique statique
- Des sites donneurs d'électrons notés (D), qui peuvent chacun s’ioniser en libérant un électron, pour former un site chargé (
D^+ ). On noteN_D la densité particulaire totale de ces sites et

Neutre
A^0
.jpg)
Ionisé
A^−
on la suppose uniforme et constante. On note
N_D^+(x, t) la densité particulaire de sites ionisés (
D^+ ) à l'abscisse
x et à l'instant
t . Avec les notations du tableau ci-dessous,
N_D = N_D^0 + N_D^+ .
- Des sites accepteurs, notés (A), qui peuvent chacun capter un électron pour former un site chargé (
A^− ). La densité particulaire totale de ces sites, notéeN_A , est uniforme et constante. Dans les conditions de cette étude, tous les accepteurs sont ionisés :N_A = N_A^− .
On suppose enfin
N_D très supérieur aux autres densités particulaires, en particulier
N_D ≈ N_D^0 .
| Type | Symb. | Conc. |
| Donneur neutre |
|
|
| Donneur ionisé |
|
|
| Accepteur ionisé |
|
|
| Électron |
|
|
Le courant électrique dans le cristal est uniquement dû aux électrons libérés par l'ionisation des donneurs. La densité particulaire d'électrons libres à l'abscisse
x et à l'instant
t est notée
N_e(x, t) .
Ionisation des donneurs : deux mécanismes
L'ionisation des donneurs résulte du transfert spontané des électrons en sites (D) vers les sites (A) ; l'inégalité
N_D≫N_A permet donc l'ionisation totale des accepteurs.
L'ionisation de sites D se produit aussi lorsque le cristal est éclairé par une onde lumineuse d'intensité
I(x) . À l'instant
t et à l'abscisse
x , le nombre de sites (D) ionisés par unité de temps et de volume est donc, pour ce mécanisme,
αI(x)[N_D − N_D^+(x, t)] ≈ αI_I(x)N_D , où
α est une constante positive.
Neutralisation des donneurs
Les électrons libres peuvent se recombiner avec les sites ionisés (
D^+ ) et les neutraliser. Le nombre de recombinaisons par unité de temps et de volume est
βN_D^+(x, t)N_e(x, t) , où
β est une autre constante caractéristique du cristal. On a donc, pour
t > 0 :
Avant irradiation,
N_D^+(x, 0) = N_A et
N_e(x, 0) = 0 .
10- Justifier que, immédiatement après l'irradiation, l'ionisation des sites (D) est plus importante dans les zones d'éclairement maximal. Rappeler la loi de Fick pour la diffusion particulaire (on noteraD la constante qui intervient dans cette loi). Préciser la direction des courants électriques de diffusion qui résultent de l’éclairement.
10- Justifier que, immédiatement après l'irradiation, l'ionisation des sites (D) est plus importante dans les zones d'éclairement maximal. Rappeler la loi de Fick pour la diffusion particulaire (on notera
11 - Quel est, dans les régions d'éclairement maximal, le signe de la densité volumique de charge associée à la diffusion des électrons libres? Même question pour les zones d'éclairement minimal. En déduire la direction du champ électrique
E_c dans une région située entre une zone d'éclairement maximal et une zone d'éclairement minimal.
12 - Quelle est l'influence de ce champ électrique sur les mouvements des électrons libres dans le cristal?
◻13 - On pose
E_c = E_c(x, t)u_x et on note
j_e la densité de courant électrique dû aux mouvements des électrons libres. Quelle est l'expression de
E_c/x en fonction de
ε, e, N_e ,
N_A(= N_A^−) et
N_D^+ ? Exprimer la conservation de la charge (équation de continuité) reliant
j_e aux densités particulaires
N_e, N_A et
N_D^+ . Justifier, pour un cristal électriquement isolé, la nullité de
j_e en régime permanent.
◻14 - Le flux d'électrons est la somme du flux diffusif
j_(dif) , qui suit la loi de Fick, et du flux
j_(dér) , dû au champ électrique
E_c dérivant du potentiel
V(x) . À l'équilibre thermodynamique, la densité des électrons est donnée par la loi de Boltzmann
N_e(x) = N_0 exp(◻eV(x))/(k_B T) , où
k_B représente la constante de Boltzmann, e la charge élémentaire (
e > 0 ) et
T la température. Quelle relation en résulte-t-il entre
N_e(x), dN_e/dx et
E_c(x) ? En déduire l'expression de
j_(dér)(x) à l'équilibre en fonction de
N_e(x) et
E_c(x) . La vitesse de dérive des électrons à l'équilibre s'écrivant
v_(dér) = − − E_c , déterminer
μ en fonction de
e, D, k_B et
T ; c'est la relation d'Einstein.
15 - Admettant que la relation d'Einstein reste applicable en régime lentement variable (même si
N_e(x) n'est plus celui qui est donné par la loi de Boltzmann), exprimer la densité de courant électrique total en présence du champ électrique
E_c .
16 - On suppose à partir d'ici qu'un état stationnaire est atteint. Déduire des questions précédentes les équations suivantes modélisant le comportement du milieu en régime permanent :
17 - L'intensité lumineuse dans le cristal est ici uniforme (
m = 0 ). Que vaut alors le champ électrique
E_c ? On cherche en régime permanent la solution uniforme des équations précédentes. Établir l'équation vérifiée par
N_e en fonction de
α, β, I_0, N_D et
N_A . Exprimer ensuite
N_e dans l'hypothèse où
N_e≪N_A . Quelle est l'inégalité relative à
I_0 équivalente à cette hypothèse ?
◻18 - Le taux de modulation
m est supposé ici non nul, et petit devant 1 . Le terme de modulation spatiale de l'intensité apparaît alors comme une petite perturbation du terme principal; on pose
N_e(x) = N_0 + ΔNcos(kx + φ) , où
N_0 est la valeur de
N_e quand
m = 0 et
φ un déphasage. Les grandeurs
m et
(ΔN)/(N_0) seront considérées comme des infiniment petits d'ordre 1 . À partir des relations [5] et [6], déterminer l'expression de
E_c(x) puis de
N_D^+(x) à l'ordre 1 . En reportant l'expression de
N_D^+ dans la relation [4], et en ne conservant que les termes d'ordre au plus égal à 1 , montrer que l'on retrouve pour
N_0 l'équation vérifiée par
N_e à la question 17, ainsi qu'une équation permettant de déterminer
φ et
N . Dans le cas où
N_0≪N_A , exprimer
N puis le champ
E_C(x) en fonction de
x, m, k_B, T, e, k et
ℓ_D = √((εk_B T)/(e^2 N_A)) .
◻19 - Le champ électrique
E_c(x) présent dans le matériau entraîne une variation locale de l'indice de réfraction
Δn(x) = − (n_0^3 r)/2E_c(x) , proportionnelle à
E_c(x) ;
n_0 représente l'indice (uniforme) du milieu en l'absence du champ et
r une constante caractéristique du milieu. Établir l'expression de la variation d'indice
Δn(x) en fonction de
m, k_B, T, e, k, ℓ_D et
r . La modulation
Δn(x) d'indice du milieu qui apparaît lors de l'illumination par l'intensité
I(x) reproduit-elle la forme exacte de la modulation
mI_0 cos(kx) de
I(x) ? Que se passerait-il si
I(x) n'était pas purement harmonique?
- 20 - Résumer l'ensemble de l'étude précédente en discutant la notion de mémoire que l'on peut attacher à ce système. Comment peut-on effacer les hologrammes enregistrés dans ce milieu photoréfractif ? La lecture d'un hologramme est-elle susceptible de l'effacer ?
- 21 - Donner l'ordre de grandeur de
Δn pour le titanate de baryumBaTiO_3 , oùℓ_D = 1, 7μ m, r = 10^(− 9) m.V^(− 1), n_0 = 2, 5 etT = 300 K .
L'éclairement est caractérisé parm = 0, 1 et2∂/k = 3μ m .
Charge électrique élémentaire :e = 1, 6.10^(− 19)C; k_B = 1, 38.10^(− 23) J.K^(− 1) .
FIN DE L'ÉPREUVE
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