Mines Physique 1 PC 2012 — Énoncé 1/6
´
ECOLE DES PONTS PARISTECH
SUPAERO(ISAE),ENSTAPARISTECH,
TELECOMPARISTECH,MINES PARISTECH,
MINESDESAINT–´
ETIENNE,MINESDENANCY,
T´
EL ´
ECOMBRETAGNE,ENSAEPARISTECH (FILI`
ERE MP)
´
ECOLE POLYTECHNIQUE(FILI`
ERE TSI)
CONCOURS D’ADMISSION 2012
PREMI `
ERE´
EPREUVEDEPHYSIQUE
Fili`
ere PC
(Dur´
ee del’´
epreuve:3heures)
L’usagedelacalculatrice estautoris´
e
Sujet mis `
adisposition desconcours:Cycle international, ENSTIM,TELECOMINT,TPE–EIVP
Lescandidats sontpri´
esdementionnerdefac¸on apparentesurla premi`
erepagedelacopie:
PHYSIQUEI—PC.
L’´
enonc´
ede cette´
epreuve comporte6 pages.
–Si, aucoursdel’´
epreuve,un candidatrep`
ere ce quiluisemble ˆ
etreune erreurd’´
enonc´
e,il estinvit´
e`
ale
signalersursa copie et`
apoursuivresa compositionenexpliquant lesraisonsdes initiativesqu’il aura´
et´
e
amen´
e`
aprendre.
–Ilnefaudrapash´
esiter`
aformulerlescommentaires(incluantdesconsid´
erationsnum´
eriques)quivous
semblerontpertinents,mˆ
eme lorsquel’´
enonc´
enele demandepasexplicitement. Lebar`
eme tiendra compte
de ces initiativesainsiquedesqualit´
esder´
edaction dela copie.
PROPAGATION DE LALUMI`
ERE
L’objectifde ce probl`
eme estd’´
etudierdiff´
erentsaspectsdelapropagation delalumi`
ere.Dansune
premi`
erepartieon ´
etudieralemod`
eleg´
eom´
etriquedelalumi`
ere.Dansunedeuxi`
emepartie,on
mod´
eliseralalumi`
ereparuneonde ce quipermettrad’introduireuneparticule appel´
ee photon.On
´
evoquerafinalement lapossibilit´
ed’une´
eventuellemassepource photon eton essaierad’entirerles
cons´
equences.
Lavaleurdesconstantesfondamentalesutilis´
eesainsiqu’un formulaired’analysevectoriellesont
fournisenfin d’´
epreuve.Hormislenombrejtelquej2=−1,lesnombrescomplexes serontsou-
lign´
es,et leurscomplexesconjugu´
es serontnot´
esparlesymbole∗enexposant : siaetbsontdeux
r´
eelsetsiz=a+jbalorsz∗=a−jb.Lesvecteurs serontsurmont´
esd’un chapeaus’ils sontunitaires
ou d’unefl`
echedansle casg´
en´
eral.
I.—Propagationg´
eom´
etriquedelalumi`
ere
Danslemod`
eleg´
eom´
etriquedelalumi`
ere,on repr´
esentelatrajectoiredel’´
energielumineusedans
un milieu d’indice der´
efraction n(M)au pointM,parune courbeg´
eom´
etriqueCnomm´
ee rayon
lumineux.L’objectifde cettepartie est l’obtention d’une´
equation diff´
erentielledont lasolution admet
cette courbepourgraphe.
1—D´
efinirlanotion demilieulin´
eaire,homog`
ene,transparentet isotrope.Quelle est latrajectoire
d’un rayon lumineux dansun telmilieu?
2—RappelerlesloisdeDescartesetfaireun dessin pourlesillustrer.Aucoursdequelsi`
ecle ces
loisont-elles´
et´
epropos´
ees?
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Mines Physique 1 PC 2012 — Énoncé 2/6
3—Onconsid`
ereun dioptred´
elimitantdeux milieux d’indice constantsn1etn2.Expliquerla
notion der´
eflexion totale;D´
emontrerqu’il existeun angled’incidence limite
α
lim pourlar´
efraction.
Onexprimera
α
lim enfonction den1etn2.
On´
etudiemaintenant latrajectoired’un rayon lumineux dansun milieu non homog`
enelelong d’une
direction.Onconsid`
erepourceladansun premiertemps,lemilieustratifi´
erepr´
esent´
esurlafigure
1:chaque couchehorizontale estrep´
er´
ee parun entieri,touteslescouchesont lamˆ
eme´
epaisseuret
l’indice nidela coucheiestconstant.Onsupposefinalementquel’indice d´
ecroˆ
ıt avec i:pourdeux
entiersietjsii<jalorsni>nj.On note
α
il’angle entrelerayon quisepropagedansla couche
d’indice niet levecteurb
ex.
4—Relierlescouples(ni,
α
i)etnj,
α
jpouri6=j.Reproduirelesch´
emasurla copie etdessiner
latrajectoiredu rayon lumineux.
...
...
...
...
...
n0
ni
0
y
x
y
O
...
...
...
...
...
FIGURE1 – Milieuinhomog`
enestratifi´
esuivantOy
Afin ded´
eterminerl’´
equation diff´
erentielledelatrajectoiredu rayon lumineux,on rend lastratifica-
tion infinimentfine:on tend versun milieucontinu.`
Al’ordonn´
ee y,l’indice der´
efraction estn(y)
et l’angle entrelerayon et levecteurb
exestnot´
e
α
(y).LepointM(x,y)d´
ecrit latrajectoiredu rayon
lumineux,on notesson abscisse curviligne,c’est-`
a-direlalongueurdelatrajectoireOM,etb
eslevec-
teurunitairetangent`
alatrajectoire.AinsientoutpointMdelatrajectoire,on adsb
es=dxb
ex+dyb
ey
avec b
es=cos[
α
(y)]b
ex+sin[
α
(y)]b
ey.
5—D´
eterminerunequantit´
eC0constante entoutpointMdelatrajectoire enfonction den(y)et
α
(y)puisexprimern(y)enfonction deC0,dsetdx.
6—Montrerquela courbeCcorrespond `
alasolution del’´
equation
d2y
dx2=−d
dy−n2
β
2
o`
ul’on exprimera
β
enfonction deC0.Quelle analogiem´
ecaniquepeut-on envisager?En utilisant
cette analogie,retrouverler´
esultatdelaquestion 1.
7—L’indice du milieus’´
ecrit souslaformen2(y)=n2
0+ky2o`
un0etksontdeux constantes
r´
eelles.D´
eterminer,selon lesignedek,l’expression delatrajectoirey=y(x)passantparl’origineO
de coordonn´
eesx=0ety=0.Onexprimeray(x)enfonction dex,
α
0,ketn0.Quelest lesignedek
dansle casd’un mirage etdansle casd’unefibreoptique.
FIN DELA PARTIEI
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Mines Physique 1 PC 2012 — Énoncé 3/6
II.—Nature ondulatoire delalumi`
ere
Lalumi`
ere est`
apr´
esentmod´
elis´
ee paruneonde´
electromagn´
etiqueplanedepulsation
ω
etdevecteur
d’onde−→
k.Onassocie`
a cetteondeuneparticule,appel´
ee photon,d’´
energieE
γ
=h
ω
etdequantit´
ede
mouvement−→
p
γ
=h−→
ko`
uhest la constantedePlanck.Onsupposeque cesexpressions sont toujours
valables,quelquesoit lemilieu danslequelsepropagel’onde et ind´
ependammentdel’´
eventuelle
massedu photon.On utiliseralesnotations suivantes:
–Champ´
electrique au pointM`
al’instantt:−→
E(M,t),
–Champmagn´
etique au pointM`
al’instantt:−→
B(M,t),
–Champ deRiemann-Silbersteinau pointMet`
al’instantt:−→
Ψ(M,t)=−→
E(M,t)+jc−→
B(M,t);
–Potentielscalaire au pointM`
al’instantt:V(M,t);
–Potentielvectorielau pointM`
al’instantt:−→
A(M,t);
–VecteurdePoynting au pointM`
al’instantt:−→
Π(M,t);
–Densit´
evolumiqued’´
energie´
electromagn´
etique au pointM`
al’instantt:uem(M,t);
–Densit´
evolumiquede charge enM`
al’instantt:
ρ
(M,t);
–Densit´
ede courantenM`
al’instantt:−→
j(M,t).
On pourrautiliserlevecteur−→
∇repr´
esent´
edanslabase cart´
esienneB=(b
ex,b
ey,b
ez)parletriplet
∂
∂
x,
∂
∂
y,
∂
∂
z.Dansler´
ef´
erentielgalil´
een{O,B},on rep`
erelepointMparlevecteur
−→
r=−−→
OM=xb
ex+yb
ey+zb
ez.
II.A.—Propagation danslevide
8—Ecrireles´
equationsdeMaxwell danslevide.Donnerl’expression de−→
Πetdeuemenfonction
de−→
Eet−→
Bainsiquedesconstantesutiles.En quellesunit´
es s’expriment−→
Πetuem?
9—Enoncerl’´
equation localede conservation del’´
energiedanslevide,appel´
ee aussi´
equation
localedePoynting.Paranalogie avec uneou plusieurs´
equationsdebilanlocaldansd’autresdomaines
delaphysiquequel’on pr´
ecisera,donnerl’interpr´
etation physiquede−→
Πetuemainsique celledu flux
de−→
Π`
atraversunesurface ferm´
ee arbitraire.
10 —Retrouverenlesjustifiant lesexpressionsde−→
E(M,t)et−→
B(M,t)enfonction despotentiels
V(M,t)et−→
A(M,t).En d´
eduirel’expression de−→
Ψ(M,t)enfonction despotentielsV(M,t)et−→
A(M,t).
Montrerquelesquatre´
equationsdeMaxwell en−→
E(M,t)et−→
B(M,t)ser´
eduisent`
adeux ´
equations
aux d´
eriv´
eespartiellesnefaisant intervenirque−→
Ψ(M,t)etc.
11 —Relierchacunedesdeux grandeurs−→
Ψ∗(M,t)·−→
Ψ(M,t)et−→
Ψ∗(M,t)∧−→
Ψ(M,t)`
aunegrandeur
physique connue.
12 —D´
eterminerl’´
equation depropagation du champ−→
Ψ(M,t).Nommercette´
equation eten
d´
eduireles´
equationsdepropagation du champ´
electrique etmagn´
etique.Dansle cas´
etudi´
e,le champ
´
electriques’´
ecrit sousforme complexe−→
E(M,t)=−→
E0ej(
ω
t−−→
k.−→
r).En d´
eduirelarelation dedis-
persion reliant lanormedu vecteurd’ondek=k−→
kket lapulsation
ω
.D´
eterminerl’expression de
l’´
energiedu photon E
γ
enfonction desaquantit´
edemouvement−→
p
γ
.
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Mines Physique 1 PC 2012 — Énoncé 4/6
Onsouhaited´
eterminerlavitessemoyenneded´
eplacementdansle
videdel’´
energie´
electromagn´
etique associ´
ee `
auneondeplanemo-
nochromatiquedepulsation
ω
etdevecteurd’onde~
k=kb
ez.On
consid`
erele cylindre´
el´
ementairedelongueurdℓetdesection dS
inclusedansleplan d’ondede cotezrepr´
esent´
esurlafigure2.Afin
desimplifierlemod`
ele,on supposequel’onde´
etudi´
ee estpolaris´
ee
rectilignement,larepr´
esentation complexedu champ´
electrique as-
soci´
es’´
ecrit donc−→
E(M,t)=E0ej(
ω
t−kz)b
ex.FIGURE2 – Cylindre
´
el´
ementaire
13 —ExprimerD−→
ΠEethuemi,valeursmoyennestemporelles(surunep´
eriode) respectivesde−→
Π
etuem,enfonction deE0etdesconstantesutiles.D´
eterminerlesdeux ´
energiesmoyennestemporelles
surunep´
eriode,celle contenuedansle cylindre´
el´
ementaire etcelletraversant l’´
el´
ementdesurface
dSpendant letempsdt.Ensupposantquel’´
energie´
electromagn´
etiquesed´
eplace danslevide`
ala
vitessemoyenneve=dℓ/dt,d´
eduiredesexpressionspr´
ec´
edemmentobtenuesdanscettequestion,la
valeurdeve.
II.B.—Propagation dansun di´
electrique
Onsupposemaintenantquelalumi`
eresepropagedansun di´
electriqued’indice der´
efraction constant
n.Celasignifiequeles´
equationsdeMaxwell sontmodifi´
eesenremplac¸ant lapermittivit´
edu vide
ε
0
parunepermittivit´
en2
ε
0.
14 —Quelle est lanouvellerelation dedispersion ?Quelle est lavitessedephasedel’onde ?
15 —Onconsid`
erel’interface plane entre
deux di´
electriquesd’indice n1etn2repr´
esent´
ee
surlafigure3.L’interface estdansleplanOxy,
sataillesuivant l’axeOyestsuppos´
ee tr`
esgrande
devantsalongueurLsuivant l’axeOx.Uneonde
planedepulsation
ω
arrive avec un angled’in-
cidence
α
surl’interface.Onmod´
elisel’inter-
face commeunepupilledediffraction suivant
l’axeOx.Calculerl’´
eclairementI(
θ
)dansladi-
rection
θ
.Dansquelledirection trouve-t-on le
maximumdediffraction ?Conclure.On noteraI0
l’´
eclairementmaximum.
FIGURE3 – Interface entrelesdeux di´
electriques
II.C.—Propagation del’ondelumineuseavec unemassedephoton non nulle
Onsuppose`
apr´
esentet jusqu’`
alafin du probl`
emequelephoton poss`
edeunemassem
γ
non nulle.
Dansce cas,son ´
energie,saquantit´
edemouvementetsamassedoiventv´
erifierlarelation :
E2
γ
=p2
γ
c2+m2
γ
c4.(1)
o`
uE
γ
etp
γ
repr´
esentent toujoursl’´
energie et l’impulsion du photon donn´
eesenintroduction dela
partieII.
16 —Quelle est ladimension dela constante
δ
=h
m
γ
c?
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Mines Physique 1 PC 2012 — Énoncé 5/6
17 —D´
eterminerlanouvellerelation dedispersion entre
ω
,k,cet
δ
.En d´
eduirel’´
equation
aux d´
eriv´
eespartiellesdont les solutions sont lesformulationscomplexesdeschamps´
electrique
etmagn´
etique−→
E(M,t)=−→
E0ej(
ω
t−−→
k.−→
r)et−→
B(M,t)=−→
B0ej(
ω
t−−→
k.−→
r).Cette´
equation estappel´
ee
≪´
equation deKlein-Gordon ≫.
Onsouhaiteg´
en´
eraliserles´
equationsdeMaxwell demani`
ere`
a ce qu’ellespermettentderetrou-
verl’´
equation deKlein-Gordon.Pourconserverlalin´
earit´
ede ces´
equations,on effectuedeux hy-
poth`
eses:
–H1Lesdensit´
esde charge etde courantsontmodifi´
eesdefac¸on additiveparl’existence d’une
massepourlephoton
ρ
(M,t)estremplac´
epar
ρ
(M,t)+f(M,t)
−→
j(M,t)estremplac´
epar−→
j(M,t)+−→
F(M,t)
o`
uf(M,t)et−→
F(M,t)sontdeschamps scalairesetvectoriels.
–H2L’expression deschamps−→
E(M,t)et−→
B(M,t)enfonction despotentielsV(M,t)et−→
A(M,t)
n’estpasmodifi´
ee parl’introduction delamassedu photon.
18 —R´
e´
ecrireles´
equationsdeMaxwell danslevidesousl’hypoth`
eseH1.Montrerquel’hy-
poth`
eseH2n’estpasencontradiction avec ces´
equations.En´
ecrivant lesnouvelles´
equationsde
propagation,montrerquel’on peutfixerdesconditionsditesdejaugepourlesquelles
−→
A=
σ
1
−→
Fetf=
σ
2V
o`
ul’on d´
eterminera
σ
1et
σ
2enfonction de
δ
et
µ
0ou
ε
0.Onconservera cesconditionsdanslasuite
du probl`
eme.
19 —D´
emontrerque
∂
V
∂
t=
χ
div(−→
A).
o`
ul’on d´
eterminera
χ
enfonction dec.Onsupposeraque cetterelation est toujoursvalabledanstout
lerestedu probl`
eme.
20 —D´
eterminerlesdeux ´
equationsdeMaxwell v´
erifi´
eesparle champ−→
Ψ(M,t).En d´
eduireque
−→
Ψ(M,t),V(M,t)et−→
A(M,t)sontaussisolutionsdel’´
equation deKlein-Gordon.
Unesource ´
emetuneondeplaneprogressivesepropageant lelong del’axeOz.Elle estd´
ecrite
parlepotentielvecteurcomplexe~
A(M,t)=~
A0ej(
ω
t−kz)et lepotentielscalaire complexeV(M,t)=
V0ej(
ω
t−kz).On d´
ecompose~
A0=~
A|| +~
A⊥o`
u~
A|| est laprojection de~
A0surl’axedepropagation et~
A⊥
est laprojection de~
A0dansleplan perpendiculaire`
al’axedepropagation.Levecteurd’ondes’´
ecrit
~
k=kb
ez.
21 —Montrerquelarelation dedispersion associ´
ee `
alapropagation de cetteondes’´
ecrit sousla
formek2c2=
ω
2−
ω
2
po`
u
ω
pestunepulsation de coupurequel’on d´
eterminera.
22 —D´
eterminerl’expression desvecteurs~
E0et~
B0telsque~
E=~
E0ej(
ω
t−kz)et~
B=~
B0ej(
ω
t−kz).
Onexprimera~
B0enfonction~
k,~
A|| et/ou ~
A⊥puis~
E0enfonction enfonction de
ω
,
ω
p,~
A|| et/ou ~
A⊥.
Qu’en d´
eduiredelanaturetransversedu champ´
electromagn´
etiquesi lamassedu photon estnon
nulle ?
23 —Etudierenfonction delaposition de
ω
par rapport`
a
ω
p,l’existence d’uneondeprogressive.
Calculerdansce caslavitessedephase eten d´
eduirel’´
evolution d’un paquetd’onde.
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