X ENS Physique B PC 2012Sujet, corrigé et rapport du jury
- Théorème de Gauss et champ électrique
- Modèle de l'électron élastiquement lié (oscillateur)
- Polarisation d'un milieu diélectrique et vecteur de Poynting
- Développements limités appliqués à la physique
- Loi de Descartes et indice optique
- Analyse dimensionnelle et ordres de grandeur
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Présentation du sujet
Difficulté moyenneOptique non linéaire des matériaux diélectriques : susceptibilité électronique, génération de seconde harmonique et effet Kerr optiqueAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
Difficulté moyenneLe sujet propose l'étude de propriétés d'optique non linéaire des matériaux diélectriques, notamment la génération de seconde harmonique et l'effet Kerr optique. Il comporte trois parties : un modèle de susceptibilité électronique en réponse linéaire, l'effet non linéaire d'ordre deux avec le doublement de fréquence, puis l'effet non linéaire d'ordre trois avec l'effet Kerr et l'autofocalisation d'un faisceau lumineux.
- 1Partie I : modèle de susceptibilité électronique en réponse linéaireÉtude du théorème de Gauss, de la polarisation d'un milieu et de la réponse linéaire d'un modèle d'électron lié.
- 2Partie II : effet non linéaire d'ordre deux, doublement de fréquenceÉtude des ordres de grandeur, des composantes de la polarisation non linéaire, puis de l'intensité de l'onde à fréquence double.
- 3Partie III : effet non linéaire d'ordre trois, effet Kerr optiqueÉtude de l'effet Kerr optique puis de l'autofocalisation d'un faisceau lumineux via la loi de Descartes.
Difficulté moyenne. Le rapport qualifie le sujet de difficulté standard pour ce type d'épreuve, moyennement bien traité, avec une moyenne de 8,46/20 sur 1328 copies et un écart-type de 3,51.
L'épreuve en chiffres
Moyenne 8,46 / 20 · écart-type 3,51 · 1 328 copies · où vous situez-vous ?Afficher ou masquer la section
L'épreuve en chiffres
- Moyenne
- 8,46/ 20
- Écart-type
- 3,51
- Copies
- 1 328
Votre note sur 20 à ce sujet, en conditions de concours.
Source : rapport du jury. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesThéorème de Gauss mal utilisé sur une question simple · Graphe de 1/(1-x²) souvent faux · Confusion entre le terme a0 et la position d'équilibreAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesL'ensemble du sujet a été abordé et les premières questions de chaque partie ont été assez bien traitées, mais l'interdépendance des questions au sein de chaque partie a pénalisé les candidats restant distants du sujet ou pratiquant le grappillage de points. Les candidats les mieux notés ont traité les trois parties de façon homogène et sans lacune grave.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Théorème de Gauss mal utilisé sur une question simpleI.1.a, I.1.b
Peu de candidats ont su l'appliquer avec rigueur, et les approximations non justifiées sur la distribution des charges sont fréquentes.
- 2Graphe de 1/(1-x²) souvent fauxI.3.c
Un très grand nombre de graphes sont faux alors qu'il s'agit d'une fonction simple à esquisser après deux ans de classe préparatoire, et les commentaires physiques manquent souvent.
« un très grand nombre de graphes sont faux. »
- 3Confusion entre le terme a0 et la position d'équilibreII.B.8.c
Très peu de réponses pertinentes sont apportées à cette question pourtant facile, en raison de cette confusion.
- 4Erreurs sur la définition du vecteur de PoyntingII.C.9
Le jury relève un mélange entre la définition complexe et la définition réelle du vecteur de Poynting, ainsi que des oublis de la permittivité.
« mélange entre définition complexe et définition réelle »
- 5Ordres de grandeur farfelus
Les ordres de grandeur proposés pour la taille typique d'un atome vont du femtomètre au dixième de millimètre.
« s’échelo nnent cette année du »
Ce qui a été bien réussi
- La question (II.B.7) sur la force subie par le nuage électronique a été bien réussie dans l'ensemble.
- La question (II.B.8) a. et b. a été globalement assez bien traitée.
- La compatibilité du système d'équations avec la conservation de l'énergie a souvent été montrée avec succès en (II.C.10).
Conseils du jury
- Lire soigneusement l'énoncé et tenir compte de toutes les hypothèses fournies plutôt que de plaquer un exercice déjà traité.
- Systématiser la vérification de l'homogénéité des résultats, sans pour autant la substituer à une démonstration complète.
- Connaître les ordres de grandeur incontournables, comme la taille typique d'un atome.
- Accompagner chaque graphe tracé d'un commentaire physique sur ses limites, ses asymptotes ou ses divergences.
- Encadrer ou souligner le résultat final de chaque question pour en faciliter la lecture par le correcteur.
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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filière PC
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L'utilisation des calculatrices n'est pas autorisée pour cette épreuve.
Pour les applications numériques, on se contentera de donner un unique chiffre significatif.
Étude de quelques phénomènes non linéaires dans les milieux diélectriques
Données numériques, formulaire et notations.
Partie I : Un modèle de susceptibilité électronique en réponse linéaire.
- Caractérisation de la force d'interaction noyau-nuage
F⃗ .
a) Exprimer alors la force
b) Exprimer
c) Exprimer le potentiel
d) Interpréter
2. Caractérisation de la force d'interaction onde-nuage
a) Rappeler les hypothèses qui président au calcul de cette force d'interaction, dans le cadre classique, et que nous adopterons.
b) Exprimer la force électromagnétique subie par le nuage.
3. Susceptibilité linéaire.
a) Exprimer le déplacement
b) Exprimer le vecteur polarisation
c) La susceptibilité
d) Estimer l'ordre de grandeur de
Pour les matériaux entrant dans le cadre de cette modélisation, la permittivité relative statique est de l'ordre de quelques unités. Ceci corrobore-t-il le résultat obtenu?
Définition du cadre d'étude pour les deuxième et troisième parties.
Partie II : Effet non linéaire d'ordre deux - Doublement de fréquence.
II.A Ordres de grandeur.
- Proposer un ordre de grandeur du champ électrique intra-atomique (noté
E^⋆ ). - Il apparaît que les effets non linéaires deviennent observables pour des champs électriques avoisinant
10^(− 3)E^⋆ . Un laser (pulsé), de puissance 10 kW , focalisé sur une surface de100μ m^2 permettrait-il d'oberver de tels effets?
II.B Composantes de la polarisation.
6. Un tel potentiel permettrait-il de modéliser l'interaction noyau-nuage pour le modèle adopté à la question (1), mais hors du domaine linéaire?
7. Écrire le principe fondamental de la dynamique (PFD) appliqué à la particule effective
8. Nous recherchons une solution
b) En considérant successivement les termes d'ordre
c) Au vu de la forme du potentiel, justifier le signe de
d) Exprimer la polarisation et l'écrire sous la forme :
e) Esquisser l'allure de l'évolution de l'amplitude (
f) Miller (1963) écrivit
g) Le milieu est traversé par le faisceau d'un laser (Nd-YAG) de longueur d'onde
II.C Intensité de l'onde de fréquence double.
sensible que si les vitesses de phase des ondes de pulsations
9. Exprimer les composantes
10. Établir que le système d'équations (11) est compatible avec la conservation de l'énergie électromagnétique.
Interpréter ce résultat dans le contexte de notre étude.
11. Déterminer l'équation différentielle dont la fonction
12. Exprimer
13. Exprimer le rapport
14. Calculer l'ordre de grandeur du rapport
Données :
15. En construisant une longueur caractéristique de variation de la fonction
Partie III : Effet non linéaire d'ordre trois - Effet Kerr optique.
III.A Effet Kerr.
16. Écrire le principe fondamental de la dynamique ( PFD ) appliqué à la particule effective
17. Recherchons des solutions
18. Limitons-nous dès à présent au terme de pulsation
La dépendance
19. L'indice optique
20. Une onde plane, décrite par le champ électrique
21. Pour l'arséniure de gallium, dans l'infra-rouge,
III.B Autofocalisation d'un faisceau lumineux.
- En considérant que l'on peut faire l'analogie avec la diffraction par une fente, exprimer alors la divergence angulaire
θ_d du faisceau, en fonction deλ, z_0 et accessoirementn_L (se reporter à la figure (1)). Estimerθ_d .
.jpg)
- Déterminer l'angle limite
θ_ℓ au dessous duquel la réflexion des rayons, formant le faisceau, est totale (se reporter à la figure (2)).

- Déterminer la valeur critique
E_c du champ pour laquelle la divergence du faisceau est contrebalancée par l'effet Kerr. Donner un ordre de grandeur deE_c . - Décrire les situations pour
E_0 > E_c etE_0 < E_c .
Questions fréquentes
4 questionsSur quoi porte le sujet de Physique B X-ENS PC 2012 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quoi porte le sujet de Physique B X-ENS PC 2012 ?
Le sujet porte sur l'optique non linéaire des matériaux diélectriques : susceptibilité électronique, génération de seconde harmonique et effet Kerr optique avec autofocalisation d'un faisceau lumineux.
Ce sujet de Physique B X-ENS PC 2012 est-il difficile ?
Le rapport le juge de difficulté standard mais moyennement bien traité, avec une moyenne de 8,46/20 sur 1328 copies.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées sur ce sujet X-ENS Physique B PC 2012 ?
Le jury relève des ordres de grandeur farfelus, des unités extravagantes pour le champ électrique, et de nombreuses erreurs sur la définition du vecteur de Poynting.
Faut-il traiter les trois parties du sujet X-ENS Physique B PC 2012 pour bien réussir ?
Oui, les candidats les mieux notés ont traité les trois parties de façon homogène et rapide, sans lacune grave, plutôt que de grappiller des points ici et là.
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