Petites Mines Physique Chimie PCSI 2000Sujet
- Mécanique du point : mouvement à force centrale et lois de Kepler
- Optique géométrique : miroirs et formation des images
- Thermodynamique des systèmes ouverts et changement d'état liquide-vapeur
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Présentation du sujet
Le satellite Hipparcos, son télescope et une centrale thermiqueAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Le problème étudie en trois parties indépendantes le mouvement orbital du satellite astrométrique Hipparcos autour de la Terre, le principe optique de son télescope, puis le fonctionnement d'une centrale thermique modélisée par un cycle thermodynamique à vapeur.
- 1Partie A : satellite Hipparcospremière annéeÉtudie le mouvement képlérien du satellite à l'aide du moment cinétique et du vecteur excentricité, détermine sa trajectoire elliptique, sa période de révolution et le temps passé dans la ceinture de Van Allen.
- 2Partie B : télescope d'Hipparcospremière annéeModélise le télescope par un miroir concave et un miroir plan de renvoi, détermine la position de l'image d'une étoile, le champ observé et l'angle des miroirs pour la mesure de position relative des étoiles.
- 3Partie C : centrale thermiqueÉtudie le cycle thermodynamique de l'eau dans une centrale thermique (compression, échauffement, détente, condensation) à l'aide du diagramme (T, s), puis compare un cycle simple à un cycle à deux étages de détente.
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CONCOURS COMMUN SUP 2000 DES ÉCOLES DES MINES D'ALBI ALÈS, DOUAI ET NANTES PROBLÈME DE PHYSIQUE
Partie A: Satellite Hipparcos
Ce satellite devait être placé sur une orbite géostationnaire à une altitude H=36 000 km . Un problème de mise à feu du moteur d'apogée a laissé Hipparcos sur son orbite de transfert son altitude variant entre h et H. Après utilisation des moteurs de positionnement, l'altitude minimale a été portée à h
Au cours d'une révolution, il passe dans la ceinture de Van Hallen. On supposera que cette ceinture est comprise entre deux sphères de rayon
On assimile la terre à une sphère de centre O , de rayon
A-1: Moment cinétique
A-I-1 : Montrer que le moment cinétique
A-I-2 : On utilise les coordonnées cylindriques (O,
Montrer que le mouvement est plan et exprimer
Quelle est le nom de cette grandeur?
A-II : Vecteur excentricité
A-II-2 : On choisit l'origine de l'angle polaire pour avoir
où e est la norme de
En déduire la trajectoire du satellite.
A-III : Trajectoire d'Hipparcos
A-III-1 : Exprimer et calculer e et
A-III-2 : Exprimer et calculer le demi-grand axe a de la trajectoire.
A-IV : Période d'Hipparcos
A-IV-1 : Enoncer sans démonstration la troisième loi de Kepler.
A-IV-2 : Exprimer la période Th de révolution d'Hipparcos en fonction de T, R, H et h. Calculer Then heure.
A-V : Ceinture de Van Hallen
A-V-1 : Dé terminer les valeurs numériques des angles
A-V-2 : Représenter sur un schéma clair la trajectoire du satellite et l'aire A balayée par
Pour la question suivante, on prendra une valeur approchée de
A-V-3: Déterminer le rapport
On donne l'aire de l'ellipse :
Partie B : Télescope d'Hipparcos
réflexions et passe par un orifice dans le miroir concave pour atteindre le détecteur. Il est constitué d'une grille et de cellules CCD permettant de repérer la position de l'image. La grille comporte
.jpg)
B-I-1 Déterminer l'abscisse
B-I-2 On note a la distance séparant le miroir plan et le sommet du miroir concave. Déterminer une condition sur a pour que l'image finale
B-II : En réalité Hipparcos réalise une mesure de position relative des étoiles. Le télescope vise deux directions symétriques par rapport à Sx présentant un angle
B-II-2 Déterminer le déplacement angulaire

Partie C: Centrale Thermique
- A l'entrée A du compresseur, l'eau est à l'état liquide saturé à la pression
P_1 = 0, 2 bar. Elle subit une compression adiabatique réversible jusqu'à l'étatB de pressionP_2 = 100 bar (1bar = 10^5 Pa ). - Dans l'évaporateur, l'eau est en contact avec la chambre de combustion. Elle subit un réchauffement isobare de
B àC . Au pointC , on donne la températureT_C = 500^∘C - Dans la turbine, l'eau subit une détente adiabatique réversible. On note
D le point de sortie de pressionP_1 = 0,2 bar. - Dans le condenseur, l'eau entre en contact avec un circuit d'eau froide et se condense jusqu'au point A. La transformation est supposée isobare.

C-I-1 Placer les points
C-I-2 En déduire l'état de l'eau en
C-II : Bilan énergétique
C-II-1 Déterminer
Pour éviter la présence de vapeur d'eau dans la turbine à cause d'une détente trop importante, on utilise deux turbines. On propose donc un cycle plus proche de la réalité :
- Mêmes transformations de A à C .
- En C l'eau se détend dans une première turbine. On note
D_1 l'état à la sortie. On suppose qu'enD_1 l'eau est à l'état de vapeur saturée. - L'eau repasse dans la chambre à combustion et subit un échauffement isobare. On note
C_1 l'état de sortie. - L'eau subit une détente dans une seconde turbine. On note
D_2 l'état à la sortie. On suppose qu'enD_2 l'eau est à l'état de vapeur saturée à la pressionP_1 = 0, 2 bar. - Enfin, l'eau entre en contact avec le condenseur et est ramenée à l'état A. La transformation est supposée isobare.
C-III-1 Tracer le cycle de l'eau sur le diagramme (
Diagramme T-S de l'eau

Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte ce sujet de physique du concours commun des Mines d'Albi, Alès, Douai et Nantes PCSI 2000 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte ce sujet de physique du concours commun des Mines d'Albi, Alès, Douai et Nantes PCSI 2000 ?
Il porte sur la mécanique du point (mouvement à force centrale, lois de Kepler), l'optique géométrique (miroirs) et la thermodynamique des systèmes ouverts (cycle à vapeur).
Les trois parties du sujet sont-elles indépendantes ?
Oui, les parties A (mécanique orbitale), B (optique du télescope) et C (centrale thermique) sont totalement indépendantes et peuvent être traitées dans un ordre quelconque.
Ce sujet est-il faisable en première année ?
Les parties A et B, consacrées au mouvement à force centrale et à l'optique géométrique, relèvent du programme de première année. La partie C, sur les systèmes ouverts et les cycles thermodynamiques, relève du programme de seconde année.
Quelles notions de mécanique sont mobilisées dans l'étude du satellite ?
Le sujet mobilise la conservation du moment cinétique, le vecteur excentricité, l'équation polaire des coniques et la troisième loi de Kepler.
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