Mines Physique 2 MP 2019

Thème de l'épreuve L'indice et le froid
Principaux outils utilisés thermodynamique, optique ondulatoire, mécanique, électromagnétisme, physique statistique
Mots clefs loi de Gladstone-Dale, Michelson, électron élastiquement lié, diagramme de Bode, désaimantation adiabatique, loi de Boltzmann, loi de Curie

Corrigé

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 Mines Physique 2 MP 2019 -- Corrigé Ce corrigé est proposé par Guillaume Maimbourg (professeur en CPGE) ; il a été relu par Tom Morel (professeur en CPGE) et Émilie Frémont (professeur en CPGE). Le sujet est constitué de deux parties totalement indépendantes et équilibrées. · La première partie s'intéresse à la loi de Gladstone-Dale qui relie les variations de l'indice optique de l'air aux variations de la pression et de la température. Dans un premier temps, l'objectif est de mettre en place une méthode expérimentale de détection de la variation de l'indice optique en fonction de la pression. Cette variation étant faible, elle est détectée par interférométrie de Michelson. Ensuite, il s'agit d'établir un modèle physique permettant de rendre compte du phénomène. On établit la loi d'Ohm locale en régime harmonique à l'aide du modèle de l'électron élastiquement lié, puis l'équation de propagation du champ électrique dans un milieu conducteur. Cette dernière fait apparaître une permittivité relative, qui est elle-même reliée à l'indice optique. Ainsi, les variations d'indice optique en fonction de la pression et de la température peuvent être reliées aux grandeurs physiques microscopiques du gaz. · La seconde partie propose l'étude d'un système permettant d'obtenir de très basses températures dans des environnements extrêmes tels que l'espace. Pour ce faire, un système thermodynamique magnétisable est utilisé. Des dipôles magnétiques sont orientés par un champ magnétique extérieur. Le système est alors isolé thermiquement et le champ magnétique extérieur est diminué. Les dipôles vont alors perdre leur orientation et diminuer, par suite, la température du système isolé. C'est le processus de refroidissement par désaimantation adiabatique. Il faut ensuite à déterminer la distribution statistique en orientation des dipôles magnétiques afin d'en déduire l'aimantation. Enfin, les dernières questions proposent une étude thermodynamique permettant d'évaluer la température finale du système à la fin du processus de désaimantation. Le sujet n'est ni long ni difficile, et il est énoncé clairement. Même si les processus mis en lumière ne sont pas au programme de prépa, la méthode de résolution proposée reste proche du cours. Dans chaque partie, les questions forment un ensemble relativement cohérent si bien qu'il est difficile de ne pas y répondre linéairement. Il constitue un bon sujet de révision à la portée de nombreux candidats. La seconde partie fait la part belle à la physique statistique, qui prend, année après année, une place plus importante dans les sujets de concours, en particulier en MP où son aspect calculatoire semble apprécié des jurys. Indications Partie I 3 La photodiode est au centre de la figure d'interférences. Le rayon lumineux d'intérêt est donc en incidence normale sur la cuve, si bien que la longueur du parcours dans la cuve est 2L. 5 Pour prouver la négligeabilité de l'effet du champ magnétique, utiliser une équation de Maxwell permettant de lier la norme des champs électrique et magnétique. 6 Ne pas oublier que deux électrons par molécule sont optiquement actifs. 7 Déterminer la nature du filtre en étudiant les régimes hautes et basses fréquences. 9 On peut associer à l'équation différentielle obtenue une célérité v dans le milieu telle que 1/v 2 = µ0 0 r . 10 L'équation des gaz parfaits permet de relier n à la pression et la température. 12 L'intensité s'écrit I = -e/ . Partie II 14 Utiliser la normalisation de la probabilité Pk pour k [[ -m ; m ]]. 15 On rappelle que hXi = X Xk Pk k 16 L'ordre 1 ne permettant pas de conclure, le développement des tangentes hyperboliques doit être poussé à l'ordre 3. 18 On sera attentif au fait que les grandeurs sont volumiques. 19 Utiliser l'équation de Schwarz rappelée en fin d'énoncé. L'indice et le froid I. Vérification de la loi de Gladstone-Dale 1 On suppose que l'air considéré est dans des conditions de température et de pression telles qu'il peut être assimilé à un gaz parfait. L'équation d'état des gaz parfaits s'écrit usuellement (avec la quantité de matière) pV = RT d'où = M pM = V RT D'après la loi de Gladstone et Dale, n - 1 est proportionnel à la masse volumique . Ainsi, M et R étant constants, n-1 Ainsi, p T (n - 1) - (n0 - 1) d'où n - n0 p - p0 T p - p0 T À température constante, n - n0 est donc proportionnel à la pression. 2 Un interféromètre de Michelson est représenté symboliquement sur la figure cidessous. On peut y voir les deux miroirs M1 et M2 , la lame séparatrice SP, la source, l'écran et les lentilles convergentes L1 et L2 . On se place en configuration lame d'air afin d'observer des anneaux à l'écran. Dans cette configuration, il convient que la lentille L1 fasse l'image de la source sur les miroirs. Ainsi, la lumière en incidence sur les miroirs contient une large gamme d'angle d'incidence permettant de visualiser un grand nombre d'anneaux. Dans cette configuration, les interférences sont localisées à l'infini. Par conséquent, afin de les visualiser sur un écran, il convient de placer l'écran dans le plan focal image de la lentille L2 . La lentille L2 va donc avoir pour rôle de projeter une image à l'infini à une distance finie égale à sa distance focale. M2 M2 L1 SP source e L2 f ecran M1 Afin de modéliser plus facilement la situation, utilisons la représentation dite repliée de l'interféromètre. B e M1 C M2 A D Dans la figure ci-dessus, on fait l'image de M2 par la séparatrice pour obtenir le miroir M2 . Pour un interféromètre de Michelson en lame d'air, les miroirs M1 et M2 sont parallèles et séparés d'une faible distance e. En chaque point P de l'écran, ce sont les deux rayons issus d'un même rayon primaire qui vont converger. Par ailleurs, la lentille de projection L2 ne modifie pas la différence de marche car il n'y a pas de différence de marche introduite entre deux fronts d'onde. Ainsi, les chemins optiques (CP) et (DP) sont identiques, si bien que la différence de marche s'écrit en fonction de l'angle d'incidence de la lumière sur les miroirs. On a Or Ainsi, = n0 (AB + BC - AD) e AB = BC = cos AD = AC sin = 2e tan sin = 2e n0 1 sin2 - cos cos = 2e n0 cos Notons k l'angle des rayons à l'origine de l'anneau brillant de numéro k et rk le rayon du k-ième anneau brillant, les anneaux étant comptés à partir du centre de la figure d'interférences. La lentille L2 projette un rayon d'angle k sur un cercle de rayon rk à l'écran, si bien qu'on a, à partir de la figure ci-dessous, rk = f tan k f k k 1 L2 ecran rk k axe optique k f Par ailleurs, au centre de la figure d'interférence k = 0, on peut écrire = 0 = 2e n0 En supposant l'anneau central brillant, le k-ième anneau brillant respecte la condition d'interférence constructive telle que k = 0 - k