نموذج المباراة الوطنية المشتركة CNC 2022: الفيزياء 1 - شعبة PSI لولوج مدارس المهندسين
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باختصار
هذا نموذج امتحان كتابي سابق لمباراة مباراة ولوج المدارس العليا للمهندسين لدى المباراة الوطنية المشتركة CNC (الأقسام التحضيرية) (2022)، منشور على وظيفة إنفو للاطلاع والتحميل المجاني بصيغة PDF مع تصحيح مقترح.
- الجهة المنظمة
- المباراة الوطنية المشتركة CNC (الأقسام التحضيرية)
- الدرجة
- مباراة ولوج المدارس العليا للمهندسين
- التخصص
- الفيزياء 1
- الدورة
- 2022
- عدد الصفحات
- 6
- لغة الأسئلة
- الفرنسية
- التصحيح
- تصحيح مقترح متوفر في هذه الصفحة
📝 نص أسئلة النموذج (مستخرج آلياً من الصفحات الممسوحة)
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— صفحة 1 — Concours National Commun - Session 2022 - Filière PSI * On veillera à une présentation et une rédaction claires et soignées des copies. Il convient en particulier de rappeler avec précision les des questions abordées. ٠ Si au cours de l’épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d’énoncé, il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en indiquant clairement les raisons des initiatives qu’il est amené à prendre. * Toutes les réponses devront être très soigneusement justifiées. ° Siun résultat donné par l'énoncé est non démontré, il peut néanmoins être admis pour les questions suivantes. Ainsi, les diverses parties du problème sont relativement indépendantes entre elles. e Tous les résultats numériques seront donnés avec un nombre de chiffres significatifs compatibles avec les données fournies. Le sujet de cette épreuve est constitué de deux parties indépendantes : la première partie est notée sur 4 points, la deuxième sur 16 points. Partie 1 : Turbine à gaz De la vapeur d'eau évolue dans une turbine horizontale, de section constante Z, munie d’une hélice. À l’extérieur, la température est constante et vaut 7,=35°C . La vapeur est admise dans la turbine à la température T, = 400 °C et la pression P = 6,0 bar , et ressort à la température T, =100 °C sous pression P,=1,0har . Le débit massique au travers de la turbine vaut D, =1kg.s". On assimile la vapeur d’eau à un gaz parfait et on note c, sa chaleur massique. Données : - Masse molaire de l’eau : M, =18g.mol"". - Coefficient isentropique : y = ©! 13 - Constante des gaz parfaits : R=8,314 J.mol".K”". - Expression de l’entropie molaire d’un gaz parfait en fonction de la température T et de la pression P : 7-1 7 P - Expression des deux principes de la thermodynamique pour un fluide en écoulement stationnaire : 0 avec h l’enthalpie massique, e, l’énergie cinétique massique et e, créée * l’énergie potentielle massique du fluide ; P, la puissance mécanique utile qu’il reçoit et P, la puissance thermique reçue, s,, l'entropie créée par unité de “créée temps et où l’on a noté e les grandeurs en entrée et s celles en sortie. On néglige les variations d’énergie cinétique. Épreuve de Physique I 1/6 نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 2 — Concours National Commun - Session 2022 - Filière PSI 1. Sachant que le but d’une turbine est de récupérer une puissance mécanique, les pertes thermiques sont donc a priori faibles. Exprimer, en fonction de D,, c,, T, et T,, la puissance maximale cédée à la turbine dans l'hypothèse d’un écoulement adiabatique. 2. Calculer la variation d’entropie du fluide entre l’entrée et la sortie de la turbine. Justifier que le résultat obtenu est contradictoire avec l'hypothèse d’un écoulement adiabatique. On suppose que la transformation est réversible dans la turbine. 3. Déduire du second principe de la thermodynamique la puissance 7 cédée par la vapeur d’eau à l’extérieur. 4. En déduire la puissance P, cédée à la turbine. Partie 2 : Mesure de la vitesse d’un écoulement L'objectif de cette partie est d’étudier deux méthodes qui permettent de mesurer la vitesse d’un écoulement et donc son débit volumique. Données : * Divergence en coordonnées cylindriques : div(A) = : r dr 7+7 080 0z * COs(a)+cos(b)=2cos g cos › ; 2 2 1. Profil de vitesse dans une conduite cylindrique On étudie l’écoulement d’un fluide k k + dans une conduite cylindrique 1 0 | a horizontale de rayon a, de longueur L الي ان حسم .ااا 2 et d’axe (Oz) orienté par le vecteur \ 2 \ | unitaire e, , (figure 1). On repère un Figure 1 : Conduite cylindrique point de l’espace par ses coordonnées cylindriques (r,0,2) auxquelles on assoie la base cylindrique (eee) ; L’écoulement du fluide, de vitesse v, est décrit en première approximation comme l’écoulement d’un fluide visqueux, incompressible et homogène. On note n la viscosité dynamique du fluide, p sa masse volumique et D, le débit volumique. On suppose que l’écoulement du fluide est laminaire en régime permanent et on néglige les effets de la pesanteur. 1.1. Quelle conséquence l'hypothèse de fluide en écoulement incompressible a-t-elle sur la masse volumique du fluide ? 1.2. L’équation locale de conservation de la masse dans le cas d’un fluide quelconque est SL + div(pv) =0. Que peut-on en déduire concernant le champ de vitesse pour le fluide incompressible ? Que peut-on dire aussi du débit volumique D, ? On rappelle l’expression du nombre de Reynolds pour une conduite Épreuve de Physique I 2/6 نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 3 — Concours National Commun - Session 2022 - Filière PSI cylindrique de rayon a : 7 où v, est la vitesse moyenne عل l’écoulement dans une section droite. 1.3. Exprimer l’unité de n en fonction du mètre, du kilogramme et de la seconde. 1.4. Expliquer ce que signifient écoulement laminaire et écoulement turbulent. On suppose que les champs des vitesses et pressions présentent une invariance par rotation autour de l’axe de la conduite : v=v(r, 2e, et P=P(r,z). 1.5. Justifier que l’on peut chercher un profil de vitesse sous la forme 1.6. Justifier qu’une particule fluide est animée d’un mouvement rectiligne uniforme. 1.7. Exprimer la résultante des forces pressantes dF, qui s’exercent sur la particule fluide. 1.8. Exprimer la résultante des forces de viscosité dF, = dF,e. qui s’exercent sur la particule fluide en fonction de n, r, pm et dz. 1.9. En appliquant le principe fondamental de la dynamique, montrer que dP _ 2n dv(r) dz r dr 1.10. En déduire que la pression ne dépend pas de r et que c’est une fonction affine et décroissante. Exprimer la pression P(z) en fonction des deux valeurs aux extrémités du tuyau, AP = P(z=0)-P(=L). 1.11. Justifier la condition aux limites que doit respecter le champ des vitesses, 1.12. Montrer que le profil de vitesse dans le tronçon cylindrique de l'artère a ainsi pour expression : Donner l’expression de v, - 1.13. Représenter graphiquement le profil du champ des vitesses. Commenter. Épreuve de Physique I 3/6 نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 4 — Concours National Commun - Session 2022 - Filière PSI 1.14. Montrer que le débit volumique du fluide est donné par l’expression : D,=e€ 9 AP ع étant un coefficient numérique dont on donnera la valeur. 1.15. En déduire la vitesse moyenne v, du fluide. 1.16. Application numérique : Le fluide est du sang dans une grosse artère avec p=1,05.10*kem” , n=3.10"PI , a=410*m , L=1,2.10"m et AP=7,5Pa . Calculer v, et R. Comparer à la valeur critique de R, de l’ordre de 1000 et conclure quant à la nature de l’écoulement, laminaire ou turbulent. 2. Vélocimétrie laser La vélocimétrie laser est une technique ‘ optique qui consiste à croiser deux faisceaux | tuyau laser cohérents, faisant entre eux un angle | de 24 (a‹‹1) afin de mesurer la vitesse locale d’un fluide qui s’écoule selon l’axe Oz dans un tuyau transparent (figure 2). L’écoulement du fluide est ensemencé par des particules fines solides réfléchissantes Figure 2 : Principe de la (appelées traceurs). En passant vélocimétrie laser. alternativement dans les franges brillantes et sombres qui résultent des interférences des deux faisceaux (Il) et (2), les traceurs réfléchissent la lumière. Ils diffusent une intensité lumineuse proportionnelle à l’éclairement de leur surface. La lumière diffusée présente un clignotement régulier et est détectée par un photodétecteur qui la convertit en signal électrique. Les traceurs sont emportés par l’_écoulement stationnaire et on pourra assimiler leur vitesse à celle du fluide. On ne considère pour l'instant qu’une seule particule. Les deux faisceaux laser cylindriques, de même intensité, de même état de polarisation et de même diamètre, sont issus d’un laser de longueur d'onde dans le vide À =514,5nm . Leurs directions forment un angle 24 - 20 . Le plan médiateur des deux faisceaux est réglé pour être exactement perpendiculaire à la direction de l’_écoulement. Les amplitudes instantanées au point M des ondes correspondant aux deux faisceaux, supposées planes et de vecteurs d’onde k, et 27 Fu ), s’écrivent respectivement sous la forme : = ماح اميا Épreuve de Physique I 4/6 نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 5 — Concours National Commun - Session 2022 - Filière PSI avec 9, (M,1)=ot- k,.OM +Q, et P,(M,1)=ot- k,. OM + ,و0 P, étant une constante. Dans un premier temps, on assimile l’indice optique du fluide à celui de 2.1. À quelle couleur correspond la longueur d’onde À, =514,5nm ? 2.2. Exprimer les vecteurs d’onde 3 et k, en fonction de k, et à. Dans la base (ee) associée repère (0x2) : 2.3. Exprimer l’amplitude de l’onde résultante :)04.1( au point M de la zone de croisement (champ d’interférence) des deux faisceaux en fonction des coordonnées x et z de M , et des autres données. 2.4. L’onde résultante est-elle plane ? Est-elle progressive ? Est-elle stationnaire ? Est-elle monochromatique ? On définit l'intensité lumineuse /(M) au point M par I(M)=‹ s’(M,1)›, moyenne temporelle de s’(M,f#), et on note ...ا l’intensité maximale en M . 2.5. Justifier que l’on observe des interférences dans la zone de croisement des deux faisceaux laser. 2.6. Exprimer le déphasage p=@(M,t)-@,(M,t) entre les deux ondes en un point M du champ d’interférence. Montrer que /(M) se met sous la forme 1(M)=1,, 5 ar . Donner l’expression de À, - 0 2.7. Décrire l'aspect des franges d’interférences. Exprimer l’interfrange i, en fonction de À et a. 2.8. Tracer l’allure de (M) en tenant compte de la largeur des faisceaux incidents. La figure 3 donne le signal électrique détecté par un photodétecteur. 2.9. Que vaut la période T du ا clignotement ? ات | TR spi 2.10. Exprimer la vitesse V d'écoulement du ال رز ٠ fluide en supposant que le traceur suit |] 275 Figure 3: Tension en sortie valeur numérique. du photodétecteur (1V/div et lus/div). parfaitement l'écoulement. Calculer sa Épreuve de Physique I 5/6 نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 6 — Concours National Commun - Session 2022 - Filière PSI On souhaite connaître l’influence de l’indice du fluide dans le résultat établi. On considère alors le cas réel où l'indice optique du fluide est n,#n, =1. Chaque rayon lumineux d’un des deux faisceaux incidents, arrive avec un angle d'incidence مه par rapport à l’axe (Ox) qui est la normale au dioptre air-fluide. On note a' l’angle de réfraction. 2.11. Écrire la relation entre a et a'. 2.12. Exprimer la longueur d’onde À du laser dans le fluide. 2.13. Quelle est la nouvelle expression de l’interfrange ; de la figure d’interférences ث7 Y a-t-il besoin de connaître l'indice optique du fluide pour pouvoir ‘interpréter l’expérience et déterminer la vitesse d’écoulement ? Afin de déterminer le sens de l’écoulement du fluide, on place sur le trajet du faisceau laser (l) un dispositif optoélectronique composé d’une lame transparente d’épaisseur e. L’indice de réfraction n, de cette lame varie en fonction de la tension u(t) qu’on lui applique : n,(1)=1+au(t), avec a une constante positive. On suppose que l'incidence du faisceau laser est normale sur la face d’entrée de la lame. On assimile de nouveau l’indice optique du fluide à celui de l’air. 2.14. Exprimer le nouveau déphasage @'(M) entre les deux ondes qui interfèrent au point M du champ d’interférence en fonction de u(t), a, e, M. A et z. 2.15. En déduire la position des franges brillantes. 2.16. On souhaite obtenir des franges d’interférences qui se déplacent à une vitesse constante V, dans la direction de l’axe Oz. Quelle est l’expression de la tension u(t) dans ce cas ? Expliquer comment connaître le sens de déplacement. 2.17. On suppose que la particule se déplace dans le sens des z positifs. Comment varie la période du signal délivré par le photodétecteur dans ce cas ? Épreuve de Physique I 6/6 نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com
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Ce modèle est l'épreuve de Physique I du Concours National Commun (CNC) 2022, filière PSI, commun d'accès aux écoles d'ingénieurs marocaines après les classes préparatoires. Deux parties indépendantes : turbine à gaz (thermodynamique des systèmes ouverts, 4 points) et mesure de la vitesse d'un écoulement (écoulement de Poiseuille puis vélocimétrie laser par interférences, 16 points). La durée n'est pas indiquée sur les pages fournies. Voici une correction proposée, dans l'ordre et avec la numérotation du sujet.
💡 Le barème est très déséquilibré (4/16) : la partie 2 se traite en grande partie avec des résultats de cours (Poiseuille, interférences à deux ondes). Soignez les justifications de symétrie et les applications numériques avec le bon nombre de chiffres significatifs.
Partie 1 — Turbine à gaz (4 points)
Grandeurs utiles. Pour un gaz parfait, cP = γR/((γ−1)Me) = 1,3 × 8,314 / (0,3 × 0,018) ≈ 2,00×103 J·kg−1·K−1 ; R/Me ≈ 462 J·kg−1·K−1. Températures absolues : T1 = 673 K, T2 = 373 K, T0 = 308 K.
💡 Travaillez toujours en kelvins dans les logarithmes et dans T0 ; en revanche la différence T1 − T2 = 300 K est la même en °C.
1. Puissance maximale (écoulement adiabatique)
Premier principe industriel en régime stationnaire, avec Δec = 0 (énoncé) et Δep = 0 (turbine horizontale), et Pth = 0 :
Dm(hs − he) = Pu avec, pour un gaz parfait, hs − he = cP(T2 − T1).
Pu = DmcP(T2 − T1) < 0 : le fluide cède à la turbine Pmax = −Pu = DmcP(T1 − T2) = 1 × 2,00×103 × 300 ≈ 6,0×105 W (600 kW). C'est un maximum : toute perte thermique (Pth < 0) diminue −Pu = DmcP(T1 − T2) + Pth.
2. Variation d'entropie
En divisant l'entropie molaire par Me : Δs = ss − se = cP ln(T2/T1) − (R/Me) ln(P2/P1)
Δs = 2,00×103 × ln(373/673) − 462 × ln(1/6) = −1181 + 828 ≈ −3,5×102 J·kg−1·K−1, soit DmΔs ≈ −353 W·K−1.
Si l'écoulement était adiabatique (Pth = 0), le second principe donnerait DmΔs = scréée ≥ 0. Or DmΔs < 0 : contradiction. La vapeur perd forcément de l'entropie par transfert thermique vers l'extérieur ; l'hypothèse adiabatique est fausse.
3. Puissance thermique cédée (transformation réversible)
scréée = 0, donc Pth = T0 Dm Δs = 308 × (−353) ≈ −1,09×105 W. La vapeur cède à l'extérieur environ 1,1×105 W (109 kW).
4. Puissance cédée à la turbine
Premier principe : Pu = DmcP(T2 − T1) − Pth = −6,00×105 + 1,09×105 ≈ −4,9×105 W.
La vapeur cède à la turbine |Pu| ≈ 4,9×105 W (≈ 490 kW), valeur inférieure à la borne adiabatique de la question 1.
Partie 2 — Mesure de la vitesse d'un écoulement (16 points)
1. Profil de vitesse dans une conduite cylindrique
1.1.
Un écoulement incompressible conserve le volume de chaque particule de fluide ; le fluide étant de plus homogène, ρ est uniforme et constante (indépendante de M et de t).
1.2.
ρ = cte ⟹ ∂ρ/∂t = 0 et div(ρv⃗) = ρ div v⃗, donc div v⃗ = 0 : le champ des vitesses est à flux conservatif. Le flux de v⃗ à travers toute section droite est le même : le débit volumique DV est identique dans toute section de la conduite (et constant en régime permanent).
1.3. Unité de η
Re est sans dimension, donc [η] = [ρ][v][a] = kg·m−3 · m·s−1 · m = kg·m−1·s−1 (= Pa·s = poiseuille Pl).
1.4. Laminaire / turbulent
- Laminaire : les couches de fluide glissent les unes sur les autres de manière ordonnée ; les lignes de courant sont régulières et stables ; le transport de quantité de mouvement se fait par viscosité (faible Re).
- Turbulent : écoulement désordonné, avec tourbillons et fluctuations aléatoires de vitesse dans le temps et l'espace, fort brassage du fluide (grand Re).
1.5.
div v⃗ = ∂v(r,z)/∂z = 0 (formule de la divergence donnée, seule la composante selon z existe) ⟹ v ne dépend pas de z : v⃗ = v(r) e⃗z.
1.6.
Une particule a une vitesse v(r)e⃗z parallèle à l'axe : elle garde le même r, donc la même vitesse. Son accélération est Dv⃗/Dt = ∂v⃗/∂t + (v⃗·grad)v⃗ = 0 + v ∂v/∂z e⃗z = 0⃗ : mouvement rectiligne uniforme.
1.7. Forces pressantes
On prend comme particule de fluide le cylindre coaxial de rayon r et de longueur dz (entre z et z + dz). Les forces pressantes latérales sont radiales et se compensent par symétrie de révolution ; restent les deux bases :
dF⃗p = [P(z) − P(z + dz)] πr² e⃗z = −(∂P/∂z) πr² dz e⃗z.
1.8. Forces de viscosité
Le fluide extérieur exerce sur la surface latérale (aire 2πr dz) la force tangentielle de Newton : dF⃗η = η (dv/dr) 2πr dz e⃗z (dv/dr < 0 : le fluide extérieur, plus lent, freine le cylindre).
1.9. Principe fondamental de la dynamique
Accélération nulle (1.6), pesanteur négligée : dF⃗p + dF⃗η = 0⃗ ⟹ −πr² dz ∂P/∂z + 2πηr dz dv/dr = 0, d'où dP/dz = (2η/r) dv/dr.
1.10. Pression
Selon e⃗r, il n'y a ni accélération ni force de viscosité radiale : l'équilibre radial d'un élément de fluide impose ∂P/∂r = 0, donc P = P(z). Alors dP/dz (fonction de z seul) = (2η/r)dv/dr (fonction de r seul) : les deux membres sont égaux à une même constante −K. P est donc une fonction affine de z. Le fluide avance vers les z croissants, v est maximale sur l'axe et nulle à la paroi, donc dv/dr < 0 et dP/dz < 0 : P est décroissante.
P(z) = P(0) − (ΔP/L) z, avec ΔP = P(0) − P(L) > 0.
1.11. Condition aux limites
Un fluide visqueux adhère à la paroi : sa vitesse y est égale à celle de la paroi, immobile. D'où v(r = a) = 0 (condition de non-glissement).
1.12. Profil de Poiseuille
dv/dr = (r/2η)(dP/dz) = −(ΔP/(2ηL)) r ⟹ v(r) = −(ΔP/(4ηL)) r² + C. Avec v(a) = 0 : C = ΔP a²/(4ηL).
v⃗ = v0(1 − r²/a²) e⃗z avec v0 = ΔP a²/(4ηL) (vitesse sur l'axe).
1.13. Représentation
Le profil v(r) est une parabole (un paraboloïde de révolution dans l'espace) : maximum v0 sur l'axe, nul sur la paroi, tangente horizontale en r = 0. Commentaire : la viscosité transmet le frottement de la paroi vers le centre ; le cisaillement est maximal à la paroi.
1.14. Débit volumique
DV = ∫0a v(r) 2πr dr = 2πv0(a²/2 − a²/4) = πa²v0/2 = (π/8) a⁴ΔP/(Lη) : ε = π/8 ≈ 0,39 (loi de Hagen-Poiseuille).
1.15. Vitesse moyenne
vm = DV/(πa²) = a²ΔP/(8ηL) = v0/2.
1.16. Application numérique
vm = (4×10−3)² × 7,5 / (8 × 3×10−3 × 0,12) ≈ 4,2×10−2 m·s−1 (4,2 cm/s).
Re = 2ρvma/η = 2 × 1,05×103 × 4,17×10−2 × 4×10−3 / 3×10−3 ≈ 1,2×102.
Re ≈ 117 ≪ 1000 : l'écoulement est laminaire, ce qui valide le modèle de Poiseuille.
2. Vélocimétrie laser
2.1. Couleur
λ0 = 514,5 nm est dans le vert (raie classique du laser à argon ionisé).
2.2. Vecteurs d'onde
D'après la figure, le faisceau (1) descend (vers les z négatifs) et le faisceau (2) monte, tous deux en se propageant vers les x positifs, avec un angle α par rapport à (Ox) :
k⃗1 = k0(cos α e⃗x − sin α e⃗z) ; k⃗2 = k0(cos α e⃗x + sin α e⃗z).
2.3. Onde résultante
k⃗1·OM⃗ = k0(x cos α − z sin α) et k⃗2·OM⃗ = k0(x cos α + z sin α). Avec la formule cos a + cos b donnée :
s(M,t) = s1 + s2 = 2S0 cos(k0 z sin α) · cos(ωt − k0 x cos α + φ0).
2.4. Nature de l'onde
- Pas plane au sens d'une onde plane progressive : les surfaces d'onde sont les plans x = cte, mais l'amplitude 2S0cos(k0z sin α) n'y est pas uniforme.
- Progressive selon (Ox), vers les x croissants, à la vitesse de phase ω/(k0cos α) = c/cos α.
- Stationnaire selon (Oz) : la dépendance en z est séparée du temps (ventres et nœuds fixes).
- Monochromatique : une seule pulsation ω.
2.5. Pourquoi des interférences ?
Les deux faisceaux sont issus du même laser : même fréquence, déphasage constant dans le temps (ondes cohérentes, longueur de cohérence du laser grande devant les différences de marche), et même état de polarisation (énoncé). Les conditions d'interférence sont réunies dans la zone de recouvrement.
2.6. Déphasage et intensité
φ = φ1 − φ2 = (k⃗2 − k⃗1)·OM⃗ = 2k0 z sin α = 4π z sin α / λ0.
I(M) = ⟨s²⟩ = 4S0² cos²(k0z sin α) × ⟨cos²(…)⟩ = 2S0² cos²(k0z sin α), soit I = Imaxcos²(2πz/Λ0) avec Imax = 2S0² et
2π/Λ0 = k0 sin α = 2π sin α/λ0 ⟹ Λ0 = λ0/sin α (≈ 2,96 µm).
2.7. Aspect des franges, interfrange
I ne dépend que de z : les franges sont des plans z = cte, parallèles au plan médiateur des faisceaux (donc perpendiculaires à l'écoulement), équidistants, alternativement brillants et sombres. La période de cos² est Λ0/2 :
i0 = λ0/(2 sin α) = 514,5×10−9/(2 sin 10°) ≈ 1,48 µm.
2.8. Allure de I(M)
Les faisceaux ont une largeur finie : les franges n'existent que dans la zone de croisement (volume de mesure en forme de losange). Le long de (Oz), I(z) est une sinusoïde en cos² de période i0, contenue dans une enveloppe maximale au centre O et qui s'annule en dehors de la zone de recouvrement (enveloppe en cloche pour des faisceaux d'intensité plus forte au centre). On trace donc une suite de pics serrés (≈ 1,5 µm) sous une enveloppe en cloche — exactement la forme du signal de la figure 3.
2.9. Période du clignotement
Sur la figure 3 (1 µs/div), on compte environ 6 périodes sur 4 divisions : T ≈ 0,66 µs (lecture graphique, à ±0,03 µs près).
2.10. Vitesse d'écoulement
Le traceur parcourt un interfrange pendant une période : V = i0/T = λ0/(2T sin α) = 1,48×10−6/0,66×10−6 ≈ 2,2 m·s−1.
2.11. Réfraction
Loi de Snell-Descartes au dioptre air-fluide (normale (Ox)) : sin α = nf sin α′.
2.12. Longueur d'onde dans le fluide
La fréquence est inchangée, la célérité devient c/nf : λ = λ0/nf.
2.13. Nouvel interfrange
Le même calcul dans le fluide donne i = λ/(2 sin α′) = (λ0/nf) / (2 sin α/nf) = λ0/(2 sin α) = i0. L'interfrange ne dépend pas de l'indice : il n'est pas nécessaire de connaître nf pour déterminer la vitesse (V = i0/T reste valable).
2.14. Déphasage avec la lame électro-optique
La lame (épaisseur e, incidence normale) ajoute sur le faisceau (1), par rapport à l'air, le chemin optique (nl − 1)e = a e u(t) (ici « a » est la constante électro-optique de l'énoncé). Le terme de phase −(2π/λ0) a e u(t) s'ajoute à φ1 :
φ′(M) = (2π/λ0) [2 z sin α − a e u(t)].
2.15. Franges brillantes
φ′ = 2pπ (p entier) ⟹ zp(t) = [p λ0 + a e u(t)] / (2 sin α) = p i0 + a e u(t)/(2 sin α). Les franges gardent l'interfrange i0 mais se translatent avec u(t).
2.16. Franges défilant à la vitesse V0
dzp/dt = a e (du/dt) / (2 sin α) = V0 ⟹ u(t) = u(0) + (2V0 sin α/(a e)) · t : une rampe de tension (en pratique une dent de scie : un retour de la tension de λ0/(a e) décale les franges d'exactement un interfrange, ce qui est invisible). Comme a > 0, les franges se déplacent vers les z croissants si du/dt > 0 et vers les z décroissants si du/dt < 0 : le signe de la pente de u(t) fixe le sens de défilement.
2.17. Particule se déplaçant vers les z positifs
La particule traverse les franges à la vitesse relative |V − V0| : la période devient T′ = i0/|V − V0|.
- Si les franges défilent aussi vers les z croissants avec V0 > V : T′ = i0/(V0 − V) est plus grande que la période i0/V0 observée pour une particule immobile (la fréquence diminue).
- Une particule allant vers les z négatifs donnerait au contraire T′ = i0/(V0 + V), plus petite.
En choisissant V0 supérieur aux vitesses à mesurer, le décalage de fréquence par rapport à V0/i0 donne à la fois la valeur et le sens de l'écoulement (sans lame, T = i0/V ne dépend pas du sens).
أسئلة شائعة حول هذا النموذج
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المصدر: مباريات ولوج المدارس والمعاهد العليا
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