Mines Physique 1 PSI 2012 — Énoncé 1/5
´
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 PSI
(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—PSI.
L’´
enonc´
ede cette´
epreuve comporte5 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.
R´
ESONANCES&PLASMONSDESURFACE
Leprobl`
emese composedetroispartieslargement ind´
ependantes.Lapremi`
erepartiepr´
esenteun
mod`
elequiserviradanslapartiesuivantepour r´
esoudrequalitativementparanalogiequelquesques-
tions,avec descalculsplus simples.Lad´
eriv´
ee par rapportautempstd’unefonction x(t)estnot´
ee ˙x.
HormisjdanslapartieIetidanslapartieII,lesnombres susceptiblesd’avoirunepartieimaginaire
non nullesontsoulign´
es.Lanotation Re(z)signifiepartier´
eelledu nombre complexez.Lesvecteurs
sontnot´
esavec un chapeaus’ils sontunitairesb
ex,avec unefl`
eche−→
vdansle casg´
en´
eral.Lesappli-
cationsnum´
eriquespeuvent toutesˆ
etre effectu´
ees sanscalculatrice,il n’estdoncdemand´
edefournir
qu’un ordredegrandeurcorrect.
I.—R´
esonance enm´
ecanique
Danstoute cettepartieon noterajlenombre complexetelquej2=−1.
I.A.—L’oscillateurharmoniqueamortientretenu.
Unemassemsuppos´
ee ponctuelle etdont l’abscisse estrep´
er´
ee parlafonction x(t),peutsed´
eplacer
surun plan horizontalsousl’action d’un ressortderaideurk0.On posera
ω
0=pk0/m.Elle est
soumise`
auneforce defrottementvisqueux proportionnelle`
alavitesse−→
Fv=−f˙xb
ex,cr´
e´
ee parun
amortisseur`
a aircommerepr´
esent´
esurlafigure1.Enfaisantapparaˆ
ıtreun facteurd’amortissement
sansdimension
ξ
>0,le coefficientfpeutˆ
etremis souslaformef=2
ξω
0m.`
Al’instantt=0
lamasse estabandonn´
ee sansvitesseinitialed’uneposition x(t=0)=x0>0.Onentretient les
oscillationsdu syst`
eme enexerc¸antsurlamassemet`
apartirdet=0,uneforce sinuso¨
ıdalede
pulsation
ω
quis’´
ecrit −→
Fe=k0x0Reej
ω
tb
ex.L’originedel’axedesxcorrespond `
alaposition dela
masselorsqueleressortn’estni´
etir´
enicompress´
e.
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Mines Physique 1 PSI 2012 — Énoncé 2/5
m
k
f
mex
x
FIGURE1 – Oscillateurmobile amorti
1—D´
eterminerl’´
equation diff´
erentiellev´
erifi´
ee parx(t)etd´
ecrivant lemouvementdem.On
utiliserales seulsparam`
etres
ξ
,
ω
0,
ω
etx0.
2—R´
esoudrel’´
equation obtenue`
alaquestion 1 dansle casg´
en´
eral.On noteXml’amplitudedu
mouvementdanslalimitet≫(
ξω
0)−1,exprimerdanscettelimite
–lavaleur
ω
Mde
ω
rendantmaximalelafonction Xm(
ω
).Onexprimera
ω
Menfonction de
ω
0et
ξ
;
–lavaleurXM=Xm(
ω
M)danslalimite
ξ
≪1;
–lalargeurdelabandepassante∆
ω
=|
ω
2−
ω
1|avec Xm(
ω
2)=Xm(
ω
1)=XM/√2,toujoursdans
lalimite
ξ
≪1.
3—Enconsid´
erant lavariable
χ
=
ω
/
ω
0,tracerunerepr´
esentation graphique approximativede
lafonction g
ξ
(
χ
)=Xm(
χ
)/x0pour
ξ
=0,05 et
ξ
=0,2.
I.B.—Interaction ´
electrom´
ecanique.
FIGURE2 – Vue encouped’un couplage´
electrom´
ecanique
Uneondesonoreplanesinuso¨
ıdaleprogressiveincidentesepropagedelagaucheversladroitedans
un tubeTcommerepr´
esent´
e encoupesurlafigure2.L’onder´
efl´
echiesurunemembraned’aireΣse
propagequant`
a elledeladroiteverslagauchesurcettemˆ
emefigure.Lasurpression due`
al’onde
incidente estnot´
ee pi,etcelledue`
al’onder´
efl´
echiepr.`
Al’ext´
erieurdu tubelapression p0est
suppos´
ee constante,`
al’int´
erieurdu tube elles’´
ecrit p=p0+pi+pr.
Cettemembrane estsolidaired’un sol´
eno¨
ıde constitu´
eparun fildelongueurtotaleℓ,quis’enfilesur
un aimantdetellemani`
ereque ce fil,surtoutesalongueur,soit soumis`
aun champmagn´
etique−→
B
radial(doncperpendiculaire aufilquiestorthoradial)d’intensit´
eB=k−→
Bkuniformedansl’espace
etconstantedansletemps.L’ensembledu dispositif: tube,sol´
eno¨
ıde,aimant,poss`
edelasym´
etriede
r´
evolution autourdel’axedesx.
Lefilestreli´
e`
aun circuit R,L,Ca.Lesensdu courantchoisiest telquei>0 donneuneforce
deLAPLACEorient´
ee commel’axedesx.Onsupposeque cetteforce est int´
egralement transmise
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Mines Physique 1 PSI 2012 — Énoncé 3/5
`
alamembranequiest´
egalementsoumise aux forcesdepression maislibredetoute autreforce.
Cettemembrane coulisselibrement lelong del’axedesx.On n´
egligetoutfrottementm´
ecanique,
ainsiquel’´
emission ´
eventuelled’uneondesonoreversladroiteparlamembrane.Larepr´
esentation
complexedel’abscissedelamembranes’´
ecrit x(t)=Xej
ω
t.Onrappellequepouruneondesonore,
lasurpression est tellequepi=
ρ
csvi,pourl’ondeincidentesepropageantversladroite,etpr=
−
ρ
csvrpourl’onder´
efl´
echiesepropageant lagauche.Leparam`
etre
ρ
d´
esignelamassevolumique
moyennedel’air,csla c´
el´
erit´
edu son dansl’airetvietvrlavitessedel’airau passagedesondes
correspondantes.On pourrautiliserlesrepr´
esentationscomplexesde cesdeux vitessesvi=Viej
ω
tet
vr=Vrej
ω
t.
4—´
Ecrireleprincipefondamentaldeladynamique en projection surl’axedesxappliqu´
e au
syst`
ememembrane-sol´
eno¨
ıde ensupposantquesamasse estnulle.
5—Eneffectuantun bilan depuissance,exprimerlaforce ´
electromotrice (f´
em)Einduitedansle
circuit enfonction deB,ℓet˙x.En d´
eduirel’´
equation diff´
erentiellev´
erifi´
ee pari.
6—On d´
efinit le coefficientder´
eflexion
λ
parlarelation pr=
λ
pi,montrerque
1+
λ
1−
λ
=Rm
R+jΩ(
ω
)avec Ω(
ω
)=L
ω
−(Ca
ω
)−1
o`
ul’on exprimeraRmenfonction deB,ℓ,
ρ
,csetΣ.On v´
erifieraqueRmesthomog`
ene`
aune
r´
esistance.
7—Interpr´
eterlesvaleursde
λ
cor-
respondant`
aB=0et`
aB→+∞.
8—Dansquellesconditionspeut-on
obtenir|
λ
|=0?Quelnomdonner`
a cet
ajustement?Calculerlavaleurnum´
erique
deBcorrespondant`
a cetajustementpour
ℓ=4m;Σ=10cm2;
ρ
=6
5kg.m−3;cs=
1
3·103m.s−1etR=100Ω.
9—Calculer|
λ
|enfonction de
Rm,RetΩ(
ω
).D´
eterminerlavaleur
num´
eriquede|
λ
|siCa=10
µ
F;L=
0,1H;Rm=150Ω;R=100Ωet
ω
=
√2·103rad.s−1.En utilisant lesdivers
r´
esultatsdelaquestion 2,interpr´
eteret
commenterlesdiff´
erentescourbesdela
figure3 quirepr´
esente|
λ
|enfonction de
ω
pourRm=66;100 et150Ω.FIGURE3 – Moduledu coefficientder´
eflexion
λ
enfonc-
tion delapulsation
ω
pourdiff´
erentesvaleursdeRm
FIN DELA PARTIEI
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Mines Physique 1 PSI 2012 — Énoncé 4/5
II.—Lesplasmonsdesurface
Danstoute cettepartieon noterailenombre complexetelquei2=−1.
II.A.—Propagation d’uneondesurun plan m´
etallique
Onconsid`
ereun planconducteurinfini(Π=xOz,voirfi-
gure4)plong´
edanslevide.Ce planestparcouru pardesondes
´
electromagn´
etiquesde c´
el´
erit´
eccaract´
eris´
eesparunedensit´
esur-
faciquede courant−→
jsind´
ependantedex,etdont larepr´
esentation
complexes’´
ecrit −→
js=jsMei(Kz−
ω
t)b
ez
o`
ujsMetKsontdesconstantesr´
eellesetpositives.FIGURE4 – G´
eom´
etriedu plan
10 —Enadaptant l’´
equation de conservation dela charge aucasdedistributions surfaciques,
d´
eterminerladensit´
esurfaciquede charge
σ
(z,t)associ´
ee `
a−→
js.
11 —Montrerquele champ´
electrique−→
Ecr´
e´
eparladensit´
ede charges
σ
estdelaforme
−→
E=Eyb
ey+Ezb
ez
o`
uEyetEzsontdeux fonctionsdesvariablesy,zett.
12 —D´
eterminerlalimitedelafonction Ey(y,z,t)lorsquey→0+.
13 —Onsupposequek=
ω
/c<K.Danslar´
egion y>0,d´
eterminerl’expression deEy(y,z,t)
puiscelledeEz(y,z,t)enfonction desparam`
etresK,jsM,
ε
0,
ω
etketdesvariablesy,zett.Pour
cettederni`
ere expression,on pourra calculerdiv~
E.
14 —Quelles sont lespropri´
et´
esdel’ondequiexistedanslar´
egion y>0?
Onseplace dansle caso`
uleplanestun m´
etal infinimentfincontenantdeschargeslibres sousla
formed’´
electrons(chargee<0etmassem).Lenombrede ces´
electronsparunit´
edesurface estnot´
e
ρ
,il estsuppos´
e constant.Onfait l’hypoth`
eseque ces´
electronspeuventsed´
eplacersansinteraction
(frottement)avec ler´
eseaucristallinconstituant lem´
etal.Onsuppose enfin que ces´
electronsrestent
dansleplany=0etquelemoduledeleurvitessev=k~vkest toujoursn´
egligeabledevant la c´
el´
erit´
e
delalumi`
erec.
15 —En´
ecrivant larelation fondamentaledeladynamique,d´
eterminerl’expression delavitesse
d’un ´
electron danslem´
etal.
16 —En d´
eduirelarelation dedispersion reliant
ω
etKpourdesondeslibres sepropageantdans
leplanm´
etallique.Detellesondes sontappel´
eesplasmonsdesurface.Onintroduiralapulsation
ΩS=
ρ
e2
ε
0mc
17 —Pourquoiuneonde´
electromagn´
etiqueplaneprogressiveincidente,danslevide,nepeut-elle
pasexciterun plasmon desurface surlem´
etal?
II.B.—Excitation deplasmonsgrˆ
ace`
alar´
eflexion totale
Onconsid`
ere(figure5)un demi-cylindredeverred’indice n.Uneonde´
electromagn´
etiqued’intensit´
e
Iearriveperpendiculairementau plantangentenA`
alasurface du verre.Ellep´
en`
etredoncleverre en
Asansd´
eviation.Onsupposedeplusqu’ellesubit uner´
eflexion totale enOpour ressortirdu demi
cylindre enBavec uneintensit´
eIr.
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Mines Physique 1 PSI 2012 — Énoncé 5/5
FIGURE5 – Excitation desplasmonsdansla
configuration deOTTO
18 —Montrerqu’il existeuneonde´
evanescente
danslevided’´
epaisseurdentrelem´
etalet ledemi
cylindredeverre.On pourrasupposerquelaloi
delar´
efraction s’applique encore,maisavec un
angleder´
efraction rquiestun nombre complexe
telque cosr=i
β
avec
β
r´
eeletpositif.On´
ecrira
lad´
ependance enz,y,ettdu champ´
electrique en
proc´
edantparanalogie avec le caso`
urestr´
eel.
19 —Montrerque cetteonde,quiexiste alors
dansl’espace vide entreleverre et lem´
etal,peut
exciterun plasmon danslem´
etal.
20 —D´
eterminerl’expression delapulsation
ω
de ce plasmon desurface enfonction de
α
,n,et
ΩS.
21 —Commentvasemanifesterl’excitation deplasmonsdanslem´
etal?On pourraparexemple
consid´
ererlerayon ´
emergeantenB.
Lorsd’une exp´
erience on mesurelerapportgd(
α
)=Ir/Iepourdiff´
erentesincidences
α
etdiff´
erentes
valeursdeddansle casd’uneplaque enargent,d’un demi-cylindre en verre,etd’un rayon incident
de633 nmdelongueurd’onde.Pourchacunedestroisvaleursdedutilis´
ees(d1=581 nm;d2=918
nmetd3=951 nm),on areport´
esurlafigure6la courbegd(
α
)exp´
erimentale.
22 —En utilisant lesdiff´
erentsr´
esultatsdelapartieI,proposerune explication qualitativedes
r´
esultatsexp´
erimentaux rassembl´
es surlafigure6.
FIGURE6 – Proportion d’intensit´
er´
efl´
echie enfonction del’angled’incidence.Chaque courbe a ´
et´
e
obtenuepourunevaleurdiff´
erentedel’´
epaisseurdevided.
23 —Si l’on place un liquide entrelasurface du m´
etalet ledemicylindredeverre,en quoi
lesph´
enom`
enespr´
ec´
edents sont ilsmodifi´
es.Commentun teldispositifpermet-il ded´
etecterdes
impuret´
esdansun liquide ?
FIN DELA PARTIEII
FIN DE L’´
EPREUVE
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