Polytechnique Physique A PC 2016Sujet, corrigé et rapport du jury
- Optique ondulatoire et réflexion totale
- Dipôle électrique induit et polarisabilité
- Mécanique du point et énergie potentielle
- Effet tunnel et probabilité de transmission
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Présentation du sujet
DifficileLe miroir à atomes : onde évanescente, rebond d'atomes froids et mesure des rugosités de surface (analyse d'article scientifique)Afficher ou masquer la section
Présentation du sujet
DifficileLa composition de physique A (XE), filière PC, du concours d'admission Polytechnique-ESPCI 2016 propose l'analyse d'un article scientifique sur le miroir à atomes, un dispositif fondé sur une onde évanescente qui permet de faire rebondir des atomes froids et de mesurer la rugosité d'une surface. Les candidats répondent à 35 questions réparties en quatre parties indépendantes, en s'appuyant sur le texte et trois figures plutôt que sur leurs seules connaissances.
- 1I. Onde évanescenteModélisation de l'onde évanescente créée par réflexion totale à la surface d'un prisme et étude de sa longueur caractéristique de décroissance.
- 2II. Rebond des atomesÉtude de la polarisabilité atomique, de l'énergie du dipôle induit et des conditions dans lesquelles un atome froid rebondit sur la barrière de potentiel.
- 3III. Interaction d'un atome avec une surface diélectriqueÉtude du potentiel dipolaire et du potentiel de van der Waals, de leur somme, et de l'effet tunnel à travers la barrière de potentiel résultante.
- 4IV. Mesure des rugosités de surfaceModulation de l'onde évanescente par réflexion partielle, diffraction des ondes de de Broglie atomiques et exploitation pour sonder la rugosité d'une surface.
Difficile. Sur 1344 copies, la note moyenne s'élève à 8,56/20 avec un écart-type de 3,13 : seules 1,64 % des copies obtiennent entre 16 et 20, tandis que 46 % se situent en dessous de 8/20.
L'épreuve en chiffres
Moyenne 8,56 / 20 · écart-type 3,13 · 1 344 copies · où vous situez-vous ?Afficher ou masquer la section
L'épreuve en chiffres
- Moyenne
- 8,56/ 20
- Écart-type
- 3,13
- Copies
- 1 344
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
6 erreurs relevéesSchéma de réfraction incohérent avec le sens de propagation · Continuité du champ électrique énoncée sans démonstration · Paraphrase du texte au lieu d'une démonstrationAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLe jury rappelle que l'exercice, fondé sur l'analyse d'un article scientifique, exige une démarche rigoureuse appuyée sur des principes physiques et non une paraphrase du texte. Il déplore des copies souvent rédigées dans un langage approximatif, des résultats donnés sans justification ni unité, et un défaut fréquent de vérification de l'homogénéité dimensionnelle.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Schéma de réfraction incohérent avec le sens de propagation1
À la question 1, des points ont été retirés lorsque les schémas présentaient un angle de réfraction inférieur à l'angle d'incidence, alors que le faisceau se propage d'un milieu plus réfringent vers un milieu moins réfringent.
« Des points ont été enl evés lorsque les schémas présen- taient l’angle de réfraction inférieur à l’angle d’inciden ce »
- 2Continuité du champ électrique énoncée sans démonstration2
À la question 2, très mal traitée, la plupart des candidats se sont contentés de rappeler la continuité du champ électrique à l'interface, donnée dans l'énoncé, sans en expliciter la raison physique ni démontrer le résultat final.
« Question très mal traitée dans l’ensemble. »
- 3Paraphrase du texte au lieu d'une démonstration8
À la question 8, un nombre très important de copies se contente de paraphraser le texte au lieu de démontrer le résultat demandé, ce qui ne rapporte aucun point.
« Un nombre très important de copies répond à cette question en paraphrasant sim- plement le texte et n’obtient par conséquent aucun point »
- 4Conversion d'unités oubliée pour la masse molaire11
À la question 11, beaucoup de candidats obtiennent un résultat numérique erroné pour la vitesse des atomes faute de convertir la masse molaire donnée en g/mol vers des kg/mol.
« Question bien traitée dans son ensemble cependant beaucoup obtiennent un résultat numérique erroné pour la vitesse des atomes »
- 5Probabilité de transmission par effet tunnel mal justifiée27
La question 27, abordée par l'immense majorité des candidats, a été très mal traitée : les réponses concernant l'expression littérale de la probabilité de transmission sont souvent fantaisistes et non justifiées.
« mal traitée et a conduit à des réponses fantaisistes »
- 6Résultats numériques donnés sans unité
Le jury rappelle qu'un résultat numérique présenté sans unité est en général considéré comme faux, une règle pourtant élémentaire encore trop souvent négligée.
« Un résultat numérique est en général considéré faux s’il est présenté sans unités. »
Ce qui a été bien réussi
- L'immense majorité des candidats a correctement pris la valeur numérique 1 pour l'indice optique de l'air à la question 1.
- La question 11, sur la vitesse des atomes de rubidium, a été bien traitée dans son ensemble malgré des erreurs numériques fréquentes.
- Les questions 19 et 20, sur le temps de propagation du champ électrique, ont été bien traitées en général par ceux les ayant abordées.
- La question 25 a été bien traitée par une grande majorité de candidats.
Conseils du jury
- Rédiger dans un langage clair et correct, sans multiplier les erreurs grammaticales et orthographiques qui nuisent à la compréhension du raisonnement.
- Vérifier systématiquement l'homogénéité dimensionnelle de ses résultats littéraux.
- Ne jamais donner un résultat numérique sans unité, et adapter le nombre de chiffres significatifs aux données de l'énoncé.
- Justifier toutes les hypothèses et les principes invoqués : un résultat donné sans explication n'est pas considéré comme valide.
- Ne pas se contenter de paraphraser le texte source : chaque réponse doit être argumentée et s'appuyer sur un raisonnement physique rigoureux.
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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ÉCOLE POLYTECHNIQUE
ÉCOLE SUPÉRIEURE DE PHYSIQUE ET DE CHIMIE INDUSTRIELLES
FILIÈRE PC
COMPOSITION DE PHYSIQUE - A - (XE)
(Durée : 4 heures)
On se contentera, pour les applications numériques, d'un seul chiffre significatif.
Miroir à atomes
Données utiles pour l'analyse du texte
| Nombre d'Avogadro |
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| Constante de Boltzmann |
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| Constante de Planck réduite |
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| Accélération de la pesanteur |
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| Masse molaire du rubidium |
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L'atome devant son miroir*
Abstract
Résumé Les progrès du refroidissement d'atomes par laser ont permis de contrôler le mouvement des atomes. De cette maîtrise est née l'optique atomique qui, après l'optique électronique et l'optique neutronique, étend le champ de l'optique à des objets plus gros et plus complexes. Nous nous sommes particulièrement intéressés à un composant optique de base, le miroir. En se réfléchissant à sa surface, les atomes nous informent sur leur interaction avec celle-ci.
ses ondes et les longueurs d'onde de de Broglie associées sont d'autant plus grandes que les atomes sont plus lents, de un à quelques centaines de nanomètres. L'optique atomique utilise deux types de miroirs : le miroir magnétique et le miroir à onde évanescente. C'est en cherchant à améliorer la qualité de ces derniers que nous avons mis en évidence leur sensibilité à l'interaction de van der Waals ou à la rugosité
1 Réfléchir un atome sur un miroir de lumière

2 Caractériser l'interaction d'un atome avec une surface
méthode, dans une expérience consistant à lâcher méthode
elle atteint une valeur maximale
dipolaire à une distance connue entre l'atome et la paroi. La figure 2 (droite) représente l'énergie potentielle qui correspond aux deux forces en fonction de la distance
3 Mesurer les rugosités de surface
soit observable, il faut que la profondeur de modulation des surfaces équipotentielles, qui jouent le rôle de miroir atomique et qui produisent donc la modulation des ondes atomiques réfléchies, soit de l'ordre de la longueur d'onde de de Broglie
Appendice

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Analyse de l'article
I - Onde évanescente
- Démontrer la condition d'obtention de la réflexion totale (lignes 27-29). Vous appuierez votre raisonnement par un schéma. Déterminer l'angle limite si l'indice optique du prisme vaut
n = 2 .
2. Expliquer pourquoi les composantes tangentielles
3. En déduire la relation liant
4. Retrouver la condition de réflexion totale et, quand elle est vérifiée, donner l'expression de la longueur caractéristique de décroissance de l'onde évanescente, qu'on notera
5. Tracer l'allure de la variation de
II - Rebond des atomes
- En utilisant la modélisation exposée dans l'appendice (lignes
210 − 231 ), déterminer l'expression de la polarisabilitéα(ω) en fonction dem, e, ε_0, ω_0 etω . Quelle est son unité ? - Justifier l'expression de
U donnée dans l'appendice, ligne 234. - Justifier les lignes 39-44.
- Expliquer les lignes 45-49.
- Expliquer pourquoi les atomes rebroussent chemin (lignes
49 − 51 et figure 2 à gauche). - Vérifier que les valeurs de
U_0 et de la vitesse des atomes de rubidium indiquées lignes53 − 55 sont bien cohérentes entre elles. - Expliquer quantitativement les lignes 55-57.
- Expliquer les lignes 57-62. Préciser quantitativement ce que signifie "incidence rasante".
- Estimer la densité volumique d'atomes dans le piège et la comparer avec la densité de molécules dans l'air ambiant.
- Estimer la pression dans le piège en supposant que les atomes froids se comportent comme un gaz parfait. Quelle contrainte expérimentale en découle ?
- Vérifier la valeur de la vitesse de chute des atomes indiquée ligne 72 .
III - Interaction d'un atome avec une surface diélectrique
- Tracer l'allure des lignes du champ d'un dipôle électrique.
- En déduire pourquoi un dipôle permanent est attiré par son dipôle image dans une paroi diélectrique (lignes 94-97) et justifier la dépendance en
1/z^3 indiquée ligne 119 . - Expliquer les lignes 103 à 108.
- L'ordre de grandeur de la distance minimale atome-paroi donnée dans le texte vérifie-t-elle la condition énoncée aux lignes 107-108 ?
- Le potentiel dipolaire est de la forme
U_0 exp(− 2z/ℓ) et le potentiel de van der Waals est de la forme− A/z^3 . Quel est le signe deA ? Décrire le comportement asymptotique du potentiel total pourz → 0 etz → ∞ . - Construire avec
U_0, ℓ etA une quantité sans dimensionδ proportionnelle àA . - Tracer l'allure du potentiel total dans les limites
δ≫1 etδ≪1 . De quelle limite se rapproche la figure 2 à droite ? - Écrire, sans les résoudre, les deux équations permettant de déterminer
A en fonction de l'altitude initiale des atomes, qu'on noterah , et de la valeur deU_0 correspondant au seuil de réflexion des atomes (lignes 123-134).
25. De quel autre phénomène physique rencontré dans l'article peut-on rapprocher l'effet tunnel ? Vous argumenterez votre réponse.
26. On cherche l'expression de
27. Comment varie la largeur de cette barrière en fonction de
IV - Mesure des rugosités de surface
- Donner l'expression de l'amplitude de l'onde évanescente résultant du faisceau laser incident en fonction de
x etz . Par analogie, en déduire l'amplitude de l'onde évanescente résultant du faisceau laser réfléchi sur le miroir de réflectivitéR . - En déduire que le potentiel répulsif qui en résulte se met sous la forme
30. Exprimer
31. Donner l'expression de la profondeur des équipotentielles dans cette approximation.
32. Rappeler la définition de la longueur d'onde de de Broglie et retrouver son ordre de grandeur pour le rubidium (lignes 183-185).
33. Montrer que les conditions expérimentales de la figure 3 correspondent bien au régime où la diffraction doit être observable.
34. Retrouver l'ordre de grandeur de
35. Calculer à quel angle de diffraction correspondent les pics sur la figure 3 à droite.
- *Texte extrait et adapté d'un article publié dans la revue Images de la physique en 1998.
Questions fréquentes
5 questionsSur quels chapitres porte la composition de physique A PC Polytechnique-ESPCI 2016 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
5 questionsSur quels chapitres porte la composition de physique A PC Polytechnique-ESPCI 2016 ?
Le sujet, sur le miroir à atomes, mobilise l'optique ondulatoire (réflexion totale, onde évanescente), la physique du dipôle électrique induit, la mécanique du point et l'effet tunnel.
Quelle est la moyenne à la composition de physique A PC 2016 ?
Sur 1344 copies, la note moyenne s'élève à 8,56/20 avec un écart-type de 3,13.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées à ce sujet de physique A PC 2016 ?
Le jury relève des schémas incohérents avec le sens de propagation de la lumière, des réponses paraphrasant le texte au lieu de le démontrer, une conversion d'unités oubliée pour la masse molaire, et des résultats numériques donnés sans unité.
Ce sujet de physique A PC Polytechnique-ESPCI 2016 est-il difficile ?
Oui, le rapport le confirme : sur 1344 copies, la moyenne est de 8,56/20 et seules 1,64 % des copies dépassent 16/20.
En quoi ce sujet de physique A PC 2016 est-il particulier ?
Contrairement aux épreuves de physique traditionnelles, ce sujet demande d'analyser un véritable article scientifique et de répondre à des questions qui s'appuient précisément sur le texte et les figures, sans se limiter à le paraphraser.
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