نموذج المباراة الوطنية المشتركة CNC 2012: الفيزياء 1 - شعبة MP لولوج مدارس المهندسين
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هذا نموذج امتحان كتابي سابق لمباراة مباراة ولوج المدارس العليا للمهندسين لدى المباراة الوطنية المشتركة CNC (الأقسام التحضيرية) (2012)، 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
- 2012
- عدد الصفحات
- 9
- لغة الأسئلة
- الفرنسية
- التصحيح
- تصحيح مقترح متوفر في هذه الصفحة
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— صفحة 1 — ROYAUME DU MAROC المملكة المغربية Ministère de l’Enseignement Supérieur, de la Recherche Scientifique et de la Formation des Cadres 8 Présidence du concours National commun Ecole Nationale Supérieure de l’Informatique et d’Analyse des Systèmes ENSIAS CONCOURS NATIONAL COMMUN d’admission dans les Etablissements de Formation d’Ingénieurs et Établissements Assimilés Session 2012 ÉPREUVE DE PHYSIQUE I Filière : MP Durée 4 heures Cette épreuve comporte 8 pages au format A4, en plus de cette page de garde L’usage de la calculatrice est interdit page de garde نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 2 — Concours National Commun - Session 2012 - Filière MP L'énoncé de cette épreuve comporte 8 pages. L'usage de la calculatrice est interdit. On veillera à une présentation claire et soignée des copies. Il convient en particulier de rappeler avec précision les | références | des questions abordées. L'épreuve est constituée de deux problèmes indépendants. Le premier traite quelques circuits de l'électronique analogique. Le deuxième étudie quelques notions liées au phénomène de polarisation de la lumière. 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 les raisons des initiatives qu'il est amené à prendre. Premier problème Étude de quelques circuits de l'électronique analogique 1** partie Étude de filtres passifs 1.1. Modélisation linéaire d’un circuit Le circuit RC de la figure 1 est alimenté par un dipôle actif linéaire modélisé par le générateur de THÉVENIN, de résistance interne R, et de force électromotrice e(t). 1.1.1. Représenter le schéma du circuit en utilisant la modélisation de NORTON du dipôle actif. Préciser les grandeurs caractéristiques du modèle. 1.1.2. La tension e(t › 0) est égale à une valeur constante notée F. Déterminer, à l'instant t = 07, le courant qui traverse le circuit ainsi que les tensions ur et uc aux bornes de la résistance R et du condensateur C respectivement. 1.1.3. A t = 0, on éteint le générateur, qui devient équivalent à sa seule résistance interne. Établir l'équation différentielle régissant l’évolution ultérieure de i(t) et faire apparaître la constante de temps 7 du circuit. 1.1.4. Déterminer l'expression de l’intensité de courant : à l'instant # = 0*. 1.15. Déterminer l'expression de ë(t › 0) puis donner l'allure de la représentation graphique 1.16. On suppose maintenant que le circuit RC de la figure 1 est alimenté par une tension e(t) sinusoïdale de pulsation w. 1.1.6.1. Quelle sera, en module, l'impédance de charge minimale du générateur + Sachant que sa résistance interne est R, = 509, à quelle condition pourra-t-on considérer le générateur comme idéal ? On suppose cette condition remplie dans la suite. 1.1.6.2. Déterminer la fonction de transfert complexe en tension H si la grandeur de sortie est la tension s(t) aux bornes du condensateur. Quelle est la nature du filtre ainsi réalisé ? Définir la pulsation de coupure à —3 dB de ce filtre et donner son expression wc en fonction des paramètres du montage. Épreuve de Physique I 1/8 Tournez la page S.V.P. نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 3 — Concours National Commun - Session 2012 - Filière MP Figure 1: Circuit RC alimenté par un générateur Figure 2: Filtre de WIEN. de THEVENIN. 1.1.6.3. Dans quel domaine de fréquence ce filtre se comporte comme un intégrateur de la tension d'entrée ? 1.2. Étude d’un filtre du second ordre : filtre de Wien On considère le filtre de WIEN (W) représenté sur la figure 2 et on suppose qu’aucun courant ne sorte de ce filtre (32 = 0). 1.2.1. Déterminer la fonction de transfert du filtre : H = a 21 Préciser les paramètres caractéristiques du filtre (amplification maximale, facteur de qualité, pulsation particulière). 1.2.2. Tracer le diagramme de BODE (gain et phase) associé à H. On fera apparaître sur chacun des graphes le tracé asymptotique et le tracé réel. Quelle est la nature de ce filtre ? 1.2.3. Montrer que les tensions d'entrée رن et de sortie va sont liées par l'équation différentielle : du, dv» 9 dv1 2 A = un + 1 22 + 00 2 + 0002 = ون en (1) Exprimer le coefficient وه en fonction de R et C et déterminer la valeur numérique du paramètre a, valeur que l'on utilisera ultérieurement. 2ème partie Étude d’un montage à base d’amplificateur opérationnel Dans cette partie, on étudie le modèle de l’amplificateur opérationnel (AO) idéal et quelques limitations à ce modèle. On considère le montage de la figure 3 avec : R, = 1 kQ et Ra = 10 kQ. Modèle d’amplificateur opérationnel idéal .2.1 ض Dans cette section, l'AO du montage représenté sur la figure 3 est supposé idéal. | 2.1.1. Pour un amplificateur opérationnel idéal, tracer la caractéristique de transfert statique, c'est-à-dire les variations de us en fonction de e. On notera Usat et —U} a les tensions de saturation. 2.1.2. Cette caractéristique fait apparaître deux domaines. Nommer et définir ces domaines. 2.1.3. Quelle est la résistance d'entrée du montage de la figure 3 formé par 10 et les résistances R, et R ? 2.1.4. En supposant que l’AO fonctionne dans sa zone linéaire, montrer que l’on a us(t) = Avue(t). Donner l'expression de A en fonction de ال et Ra. Épreuve de Physique I 2/8 هب نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 4 — Concours National Commun - Session 2012 - Filière MP Figure 3: Montage amplificateur. Figure 4: Modèle d’AO en petits signaux en négligeant les dérives. 2.15. Dans quel domaine de tensions ue peut-elle varier sans provoquer la saturation de l'AO ? 2.1.6. Tracer la courbe représentant us en fonction de ue pour ue variant de — U'at à Usat- 2.2. Limites au fonctionnement de l’AO idéal 2.2.1. Comment mesurer expérimentalement les tensions de saturation Usat et — a ? 2.2.2. Le constructeur indique que le courant maximal de sortie (courant de saturation) de l'AO est de is,maz = 20MA. On applique à l'entrée du montage ue(t) = Up cos(wt) avec و7 = 1,017. Comment choisir la valeur d’une résistance R, placée en sortie du montage pour garder un fonctionnement linéaire ? 2.2.3. Le système ne reste linéaire que si 0 › 0, 0 est appelé vitesse de balayage limite de l’AO. Le constructeur indique pour 1 فط précédent : o = 1,0 V/ us. On applique à l'entrée la même tension qu’au 2.2.2. et on fait augmenter w. Jusqu'à quelle valeur ره de w, us(t) reste-t elle théoriquement sinusoïdale ? Décrire la déformation de us(t) et dessiner l'allure du graphe us(t), pour des valeurs w › برت On peut se servir de l'apparition de cette déformation pour estimer o, proposer une autre méthode pour la mesure expérimentale de 0. 2.3. Influence de quelques défauts de l’amplificateur opérationnel réel On considère un modèle d’AO réel en fonctionnement linéaire où l’on néglige la tension de décalage et les courants de polarisation (figure 4). 2.3.1. Donner les ordres de grandeur de rg, rs et u des amplificateurs opérationnels couram- ment utilisés au laboratoire. 2.3.2. On prend ب infinie et u (gain différentiel) fini. Représenter le schéma équivalent du montage de la figure 3 avec ce modèle de l’AO. Définir puis déterminer l'expression de la résistance de sortie du montage en fonction de rs, R1, Ra et y. 2.3.3. On considère maintenant ju fini et fonction de la fréquence f de la tension appliquée à l'entrée, à l'exclusion de tout autre défaut, notamment on prend 7 infinie et r, = 0. On adopte comme modèle pour le gain complexe : Épreuve de Physique I 3/8 Tournez la page S.V.P. نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 5 — Concours National Commun - Session 2012 - Filière MP avec j? = —1. 2.3.3.1. Quel est le nom habituellement donné à ce modèle ? 2.3.3.2. Etablir la nouvelle fonction de transfert du montage de la figure 3 et l'écrire : Donner les expressions de Ho en fonction de مر et A (voir question 2.1.4.) et de fy en fonction de fe, À et Jo. 2.3.3.3. On prend y = 1,0.10° et f. = 10 Hz. Donner les expressions approchées de Hy et de fo. Tracer, sur le même graphe, l'allure des diagrammes de BODE asymptotiques en amplitude pour ju et 2. Interpréter les limitations en fréquence observées expérimentalement avec le montage de la figure 3. 3ème partie Étude d’un montage oscillateur On relie le montage amplificateur de la figure 3 et le filtre de la figure 2 suivant le schéma de la figure 5. L'amplificateur opérationnel AO utilisé dans cette partie est supposé idéal. Les tensions de saturations en sortie de l'AO sont notées Usat et .يوونا- On suppose que la saturation en courant n’est jamais atteinte. Figure 5: Montage oscillateur 3.1. Justifier l’utilisation de l'équation (1) et déduire l'équation différentielle liant ue à us. 3.2. Montrer que la tension us est régie par l'équation différentielle suivante : dus du 2 5 re ًَ ع Préciser la condition de validité de cette équation. Donner l'expression du coefficient m en fonction de A (voir question 2.1.4.) +w3us = 0 2 3.3. Montrer que ce montage peut générer des oscillations en l'absence de générateur de fonction (GBF) pour une valeur de A › Ag. Donner la valeur limite .م 3.4. Montrer que pour A = Ayo, La tension us est sinusoïdale. Donner l'expression générale de us(t) et préciser l'expression de sa fréquence f en fonction des paramètres du montage. Épreuve de Physique I 4/8 4 نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 6 — Concours National Commun - Session 2012 - Filière MP 3.5. Comment doit-on régler pratiquent la valeur de À par rapport à Ay pour qu'il y ait démarrage des oscillations dans le circuit ? Justifier. 3.6. Est-il possible avec le montage proposé de régler l'amplitude des oscillations ? Pourquoi ? Deuxième problème Polarisation de la lumière Les applications du phénomène de la polarisation de la lumière sont multiples et les dispositifs associés sont des composants de base dans les domaines de traitement et de transmission de l'information par voie optique, dans l'affichage à cristaux liquides et dans certains procédés de cinéma en relief. Le problème comporte de nombreuses questions qualitatives pour lesquelles le candidat s’efforcera de répondre avec concision et précision. 1°° partie États de polarisation d’une onde électromagnétique 1.1. Généralités sur la polarisation des ondes lumineuses La lumière est une onde électromagnétique située dans le domaine visible du spectre. 1.1.1. La lumière émise par une source classique (appelée par la suite lumière naturelle) est-elle polarisée ? 1.1.2. Donner un exemple de source d'onde électromagnétique polarisée en précisant l’état de polarisation de l'onde émise. 1.13. Citer une situation expérimentale dans laquelle il est indispensable de considérer le caractère vectoriel de la lumière et non seulement une représentation scalaire. 1.2. États de polarisation des ondes électromagnétiques On définit l’état de polarisation d'une onde électromagnétique à partir de l’évolution temporelle du champ électrique en un point M donné. On considère une onde électromagnétique plane progressive monochromatique, qui se propage dans un milieu assimilé au vide suivant la direction Oz dans le sens des z croissants, dont le champ électrique s'écrit : Ë(M, t) = Eos Cos(wt — kz) ىل + Eny cos(wt — kz + p) dy Env, et En, sont des réels positifs qui représentent les amplitudes des composantes du champ suivant les directions 02 et Oy respectivement. w est la pulsation de l'onde, k est le module du vecteur d'onde et م le déphasage entre les deux composantes du champ supposé indépendant du temps. 1.2.1. Pour une valeur quelconque de رص quel est l’état de polarisation de l'onde ? 122. À quelle(s) condition(s) l'onde a-t-elle une polarisation circulaire ? Préciser le cas d’une polarisation circulaire gauche et le cas d’une polarisation circulaire droite. 1.23. À quelle(s) condition(s) l'onde a-t-elle une polarisation rectiligne ? Épreuve de Physique I 5/8 Tournez la page S.V.P. نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 7 — Concours National Commun - Session 2012 - Filière MP 1.24. Une lumière naturelle non polarisée est envoyée sur un polariseur rectiligne supposé parfait (P) de direction de transmission Ÿ .لم 1.241. Quelle est la direction du champ électrique Ép de l'onde après le polariseur (P) ? Cette onde arrive sur un autre polariseur (A) identique au premier, souvent appelé analyseur, dont la direction de polarisation Ÿ 4 fait un angle 0 avec مل 1.2.4.2. Quelle est la direction du champ électrique Ex de l'onde après l’analyseur (A) ? Exprimer le champ É A- 1.2.4.3. En déduire la relation, appelée loi de MALUS, liant l’éclairement lumineux transmis par l'analyseur © 4 en fonction de celui transmis par le polariseur ®p et l'angle 0. 2ème partie Interférences en lumière polarisée Pour aborder cette partie, aucune connaissance préalable sur les lames à retard n’est exigée. 2.1. Action d’une lame à retard sur la lumière polarisée Une lame à retard est une lame mince à faces parallèles, d'épaisseur e, taillée dans un cristal uniaxe ayant des propriétés optiques anisotropes. Cette lame agit sur la polarisation d’une onde lumineuse. Sous incidence normale, la lame est caractérisée par deux indices de réfraction n, si l'onde incidente est polarisée suivant Ox, et n, si elle est polarisée suivant Oy. Les axes Ox et Oy sont appelés les axes neutres de la lame (figure 1). Une onde plane monochromatique polarisée rectilignement suivant la direction Ÿ, faisant un angle به avec له ,, arrive sur la lame sous incidence normale. L'origine 0 est prise au niveau de la première face de la lame. Le vecteur d'onde et la longueur d'onde dans le vide sont respectivement notés K et À. Le champ électrique de l'onde pour z ‹ 0 est noté : E = Ep cos(ut — kz) 2.1.1. Le champ électrique est-il continu en z = 0 et en z = 9 Justifiez. 2.1.2. L'onde incidente est polarisée selon 76 (a = 0). 2.1.2.1. Établir l'expression du champ électrique de l'onde pour 0 › z › e. On exprimera la phase en fonction de w, t, n,, k et z. 2.1.2.2. Établir l'expression du champ électrique de l'onde pour z › م 2.1.3. L'onde incidente est maintenant supposée polarisée selon ه) ول = 7/2). Donner les expressions du champ électrique de l'onde pour 0 › z › e et pour z › e. | 2.14. On suppose maintenant que l’onde incidente est polarisée rectilignement dans le plan . zOy selon une direction quelconque (0 › a › 7/2). 2.141. Établir l'expression du champ électrique de l’onde pour z › › 2.1.4.2. Montrer que le déphasage avance ç de la composante selon .ول du champ électrique sur sa composante selon ل est donné par : SE (ny - na) 8 دم Épreuve de Physique I 6/8 يه نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 8 — Concours National Commun -Session 2012 - 11166 اط National Commun - Session 2012 - Filière MP PM Lammel Lamme 2 Figure 1: Lame à faces parallèles. Figure 2: Système interférentiel en lumière po- larisée. 2.2. Lame à retard entre deux polariseurs On considère une lame à retard à faces parallèles d'épaisseur e, caractérisée par An = |nz — Ny|. Cette lame est placée entre un polariseur (P) et un analyseur (A). Les lignes neutres de la lame sont Oz et Oy. Les directions de transmission du polariseur et de l’analyseur font avec Oz les angles ه et 8 respectivement. Le système est placée dans un milieu assimilé au vide et éclairé, par une source de lumière blanche, en rayons parallèles et sous incidence normale. On néglige l'absorption due à la traversée de la lame et des polariseurs successifs. À la sortie du polariseur, on note que le champ électrique associé à une vibration monochroma- ض tique de pulsation w a pour expression : | ب[ 720 cos(wt) On ne tient pas compte du retard de phase dû à la propagation et on note À la longueur d'onde dans le vide de la vibration lumineuse considérée. Le champ électrique à la sortie de la lame peut être écrit sous la forme : › Ep cos(œ) cos(wt) + En sin(œ) cos(wt — p)dy est donné par la relation (3). 2.2.1. Déterminer l'expression du champ électrique à la sortie de l’analyseur (A). 2.2.2. Montrer que l'intensité de la lumière transmise par l’analyseur s’écrit sous la forme : Ip étant l'intensité transmise par le polariseur. 2.2.3. Interpréter les cas particulier œ = 0 et œ = 2. On supposera dans la suite que le dispositif est éclairé en lumière blanche et on se placera dans le cas œ = x/4. 2.2.4. Simplifier l'expression de l’intensité lumineuse transmise par l’analyseur (relation 4). 2.2.5. On place un écran après l’analyseur. Décrire ce que l’on pourra observer sur cet écran quand on fait tourner l'axe de transmission de l’analyseur (A). Épreuve de Physique I 7/8 Tournez la page S.V.P. نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو wadifa-info.com — صفحة 9 — نماذج المباريات من موقع وظيفة إنفو Concours National Commun - Session 2012 - Filière MP 2.2.6. Spectre cannelé On fixe l'analyseur tel que son axe de transmission soit parallèle à celui du polariseur (œ = م = T/4) et on analyse la lumière émergente par un système dispersif (un prisme par exemple). 2.2.6.1. Montrer que le spectre de la lumière à la sortie du système présente une série de bandes noires appelé spectre cannelé. 2.2.6.2. Application numérique : On donne e = 250 um et An = 10-2. Déterminer les longueurs d'onde correspondantes aux cannelures du spectre visible. 2.3. Dispositif à deux lames On considère à présent un montage constitué d’un ensemble de deux lames cristallines de même matériau caractérisé par An = |nz — ny|, d’épaisseurs respectives e et 2e et dont les axes rapides (et donc aussi les axes lents) sont alignés (voir figure 2). Les deux lames sont séparées par un polariseur rectiligne idéal P; dont la direction de transmission privilégiée fait un angle de 45° avec les lignes neutres des deux lames. L'ensemble est placé entre deux polariseurs Py et P, dont les directions de transmission privilégiée sont parallèles à celle du polariseur intermédiaire P,. Le dernier polariseur P› joue le rôle d’analyseur. 2.3.1. En utilisant les résultats de la section 2.2, écrire l'expression du champ électrique à la sortie du polariseur P, . 2.3.2. Déterminer les expressions du champ électrique à la sortie de la deuxième lame d’une part, et à la sortie de l’analyseur P» d'autre part. 2.3.3. En déduire l'intensité lumineuse / transmise par le système (à la sortie du polariseur Pz) en fonction de l'intensité 1 transmise par le polariseur À et de ç. 24. Étude d’un système à N lames On considère maintenant un système identique à celui de la figure 2 mais constitué d’un ensem- ble de N lames cristallines séparées par des polariseurs. Ces lames ont les épaisseurs respectives : e, On montre que l'intensité 1 transmise par le système, à la sortie du polariseur Py, s’écrit sous la forme : 1 sin“(Nyp/2) UE ور دا (2/م) دنع 072 2.4.1. Vérifier que la relation (5) est compatible avec celle que avez établi à la question 2.3.3. dans le cas N = 2. 2.4.2. Tracer l'allure de la courbe 7 = f(p). Commenter. 2.4.3. Application numérique : e = 250 um et An = |nz — ny| = 10-2. Calculer les longueurs d'onde transmises dans le visible en supposant An = |nz — n,| indépendant de la longueur d'onde. Quelles sont les couleurs correspondantes ? Donner une application pratique de ce dispositif. FIN DE L'ÉPREUVE Épreuve de Physique I 8/8 FIN wadifa-info.com
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Cette épreuve est la Physique I du Concours National Commun (CNC) 2012, filière MP, pour l'admission dans les écoles d'ingénieurs marocaines (présidence ENSIAS). Durée 4 heures, sans calculatrice, énoncé de 8 pages. C'est un problème en deux parties indépendantes : (1) électronique analogique (filtres passifs RC et de Wien, amplificateur non inverseur et ses limites, oscillateur à pont de Wien) ; (2) polarisation de la lumière (états de polarisation, loi de Malus, lames à retard, spectre cannelé, filtre à N lames). Voici une correction méthodologique proposée.
💡 Avant de commencer : les deux problèmes sont indépendants et de longueur comparable. Le premier est très classique (régime transitoire RC, Bode, AO idéal puis réel, critère d'oscillation) : on y gagne vite des points si l'on écrit proprement les fonctions de transfert sous forme canonique. Le second contient beaucoup de questions qualitatives : répondre en deux lignes précises. Sans calculatrice, garder les applications numériques sous forme de fractions simples.
Premier problème — Circuits de l'électronique analogique
1.1. Modélisation linéaire d'un circuit RC
- 1.1.1. Modèle de Norton : une source de courant idéale η(t) = e(t)/Rg en parallèle avec la résistance Rg, l'ensemble alimentant R et C en série.
- 1.1.2. Pour t < 0, régime permanent continu : le condensateur se comporte comme un interrupteur ouvert. À t = 0− : i = 0, uR = 0, uC = E.
- 1.1.3. Pour t > 0 (e = 0), loi des mailles : (R + Rg) i + uC = 0 avec i = C duC/dt. En dérivant : di/dt + i/τ = 0 avec τ = (R + Rg) C.
- 1.1.4. La tension uC est continue : uC(0+) = E, d'où i(0+) = −E/(R + Rg) (le courant, lui, est discontinu).
- 1.1.5. i(t) = −[E/(R + Rg)] e−t/τ. Allure : nul pour t < 0, saut à −E/(R+Rg) en t = 0, puis retour exponentiel vers 0 (tangente à l'origine coupant l'axe en t = τ ; 99 % du régime atteint à 5τ). Le condensateur se décharge dans R + Rg.
- 1.1.6.1. Impédance de charge Z = R + 1/(jCω), |Z| = √(R2 + 1/(C2ω2)) ≥ R : le module minimal est |Z|min = R (hautes fréquences). Le générateur est idéal (tension de sortie ≈ e) si Rg ≪ R, soit R ≫ 50 Ω (en pratique R de l'ordre du kΩ ou plus).
- 1.1.6.2. Diviseur de tension : H = 1/(1 + jRCω). Filtre passe-bas du premier ordre. La pulsation de coupure à −3 dB est définie par |H(ωc)| = Hmax/√2 : ωc = 1/(RC).
- 1.1.6.3. Pour ω ≫ ωc, H ≈ 1/(jRCω), soit s(t) = (1/RC) ∫ e(t) dt : le filtre est intégrateur (pente −20 dB/décade, phase −π/2).
1.2. Filtre de Wien
- 1.2.1. Z1 = R + 1/(jCω) (série), Y2 = 1/R + jCω (parallèle). H = 1/(1 + Z1Y2) = 1/(3 + j(RCω − 1/(RCω))). Forme canonique avec x = ω/ω0 : H = H0/(1 + jQ(x − 1/x)), H0 = 1/3, Q = 1/3, ω0 = 1/(RC).
- 1.2.2. GdB = −20 log 3 − 10 log(1 + (x − 1/x)2/9). Asymptotes : BF, H ≈ jx → +20 dB/décade, phase +π/2 ; HF, H ≈ 1/(jx) → −20 dB/décade, phase −π/2 ; les deux asymptotes se coupent en x = 1 à 0 dB. Courbe réelle : maximum −9,5 dB en x = 1 (phase nulle), bande passante Δω = ω0/Q = 3ω0 (pulsations de coupure x = (√13 ∓ 3)/2 ≈ 0,30 et 3,30). C'est un filtre passe-bande du second ordre, peu sélectif.
- 1.2.3. En multipliant par jx : H = jx/(1 + 3jx + (jx)2). Avec jω ↔ d/dt : v2(1 + 3jω/ω0 − ω2/ω02) = (jω/ω0) v1, et en multipliant par ω02 on retrouve (1). ω0 = 1/(RC), a = 3.
2.1. Amplificateur opérationnel idéal (montage non inverseur, R1 = 1 kΩ, R2 = 10 kΩ)
- 2.1.1. Gain différentiel infini : us = +Usat pour ε > 0, us = −U'sat pour ε < 0, segment vertical en ε = 0.
- 2.1.2. Régime linéaire (ε = 0, −U'sat < us < Usat, nécessite une rétroaction sur l'entrée −) et régimes saturés (us = ±sat, ε ≠ 0).
- 2.1.3. L'entrée se fait sur la borne + qui n'absorbe aucun courant : résistance d'entrée infinie.
- 2.1.4. i− = 0 : V− = usR1/(R1+R2) ; ε = 0 donne ue = V−. A = 1 + R2/R1 = 11.
- 2.1.5. −U'sat/A < ue < Usat/A.
- 2.1.6. Droite de pente 11 passant par l'origine entre −U'sat/11 et Usat/11, puis paliers horizontaux à −U'sat et Usat.
2.2. Limites de l'AO idéal
- 2.2.1. On applique une tension d'entrée d'amplitude suffisante (sinusoïdale, par exemple 2 V d'amplitude) sans charge, et on lit à l'oscilloscope (mode DC) les niveaux d'écrêtage haut et bas de us ; ou mode XY pour visualiser directement la caractéristique us(ue).
- 2.2.2. Amplitude de sortie A U0 = 11 V (inférieure à Usat usuel ≈ 13–14 V). Le courant de sortie de l'AO alimente Ru et la branche R1 + R2 = 11 kΩ : 11/Ru + 11/11 000 ≤ 20·10−3, soit 11/Ru ≤ 19 mA : Ru ≥ 11/0,019 ≈ 580 Ω (≈ 550 Ω si l'on néglige le courant dans R1+R2).
- 2.2.3. us = A U0 cos ωt, |dus/dt|max = A U0 ω. Linéarité si A U0 ω < σ : ω1 = σ/(A U0) = 106/11 ≈ 9,1·104 rad/s (f1 ≈ 14 kHz). Pour ω > ω1, la sortie ne suit plus : les portions les plus pentues sont remplacées par des rampes de pente ±σ, le signal devient triangulaire, d'amplitude réduite et déphasé. Autre mesure de σ : appliquer un créneau d'amplitude suffisante et mesurer à l'oscilloscope la pente des rampes de sortie (σ = ΔU/Δt).
2.3. Défauts de l'AO réel
- 2.3.1. Ordres de grandeur : rd ≈ 106 Ω (bipolaire, type 741) à 1012 Ω (entrées JFET, type TL081), rs ≈ 10 à 100 Ω, μ ≈ 105 à 106.
- 2.3.2. Schéma : entrée + à ue, source μ ε en série avec rs vers la sortie, pont R2–R1 de la sortie à la masse, ε = ue − β us avec β = R1/(R1+R2). La résistance de sortie est la résistance de Thévenin vue de la sortie, ue éteinte. En injectant un courant test I : I = us/(R1+R2) + us(1 + μβ)/rs, d'où Rs = rs(R1+R2)/(rs + R1 + R2 + μR1) ≈ rs/(1 + μβ) ≈ A rs/μ, quelques mΩ : la contre-réaction rend la sortie quasi idéale.
- 2.3.3.1. Modèle du premier ordre (passe-bas du premier ordre, « pôle dominant »).
- 2.3.3.2. us = μ(ue − us/A) ⇒ H = μ/(1 + μ/A). En remplaçant μ : H0 = Aμ0/(A + μ0), f0 = fc(1 + μ0/A).
- 2.3.3.3. μ0 ≫ A : H0 ≈ A = 11 (≈ 21 dB), f0 ≈ μ0fc/A = 106/11 ≈ 91 kHz. Bode asymptotique : μ plat à 100 dB jusqu'à 10 Hz puis −20 dB/décade, 0 dB à 1 MHz ; H plat à 21 dB jusqu'à 91 kHz puis confondu avec l'asymptote de μ. Le produit gain × bande H0f0 = μ0fc = 1 MHz est conservé : le montage est un passe-bas, plus le gain est élevé, plus la bande passante est étroite (à quoi s'ajoute la limitation par σ vue en 2.2.3).
3. Oscillateur à pont de Wien
- 3.1. La sortie du filtre attaque l'entrée + de l'AO idéal, qui n'absorbe aucun courant : i2 = 0, l'équation (1) s'applique avec v1 = us et v2 = ue : d2ue/dt2 + 3ω0 due/dt + ω02ue = ω0 dus/dt.
- 3.2. En régime linéaire ue = us/A : d2us/dt2 + (3 − A)ω0 dus/dt + ω02us = 0, donc m = (3 − A)/2. Validité : AO en régime linéaire, |us| < Usat.
- 3.3. Si m > 0 toute perturbation s'amortit. Si m ≤ 0 (amortissement nul ou négatif), les solutions ne décroissent pas : un bruit initial suffit à faire naître une oscillation sans GBF. Condition A ≥ A0 = 3 (soit R2 ≥ 2R1).
- 3.4. A = 3 : d2us/dt2 + ω02us = 0, us(t) = Um cos(ω0t + φ), amplitude et phase fixées par les conditions initiales, f = 1/(2πRC).
- 3.5. Il faut régler A légèrement supérieur à 3 : m légèrement négatif, les oscillations naissent du bruit et croissent exponentiellement ; avec A = 3 exactement, la moindre dérive (A < 3) les éteindrait. La croissance est ensuite limitée par la saturation ; plus A est proche de 3, moins le signal est distordu.
- 3.6. Non. Dans le modèle linéaire l'amplitude est arbitraire ; en pratique, elle est fixée par la non-linéarité de saturation (amplitude voisine de Usat) et ne dépend d'aucun élément réglable du montage. Il faudrait un contrôle automatique de gain (thermistance, JFET, diodes) pour la régler.
Deuxième problème — Polarisation de la lumière
1.1. Généralités
- 1.1.1. Non : la lumière naturelle est une succession aléatoire de trains d'onde de polarisations indépendantes ; en moyenne aucune direction n'est privilégiée.
- 1.1.2. Une antenne dipolaire (radio, TV) émet une onde polarisée rectilignement parallèlement au dipôle ; de même un laser à fenêtres de Brewster.
- 1.1.3. Exemples : réflexion vitreuse sous incidence de Brewster (extinction de la composante dans le plan d'incidence), loi de Malus, absence d'interférences entre deux ondes polarisées orthogonalement (lois de Fresnel-Arago), biréfringence.
1.2. États de polarisation
- 1.2.1. Cas général : polarisation elliptique.
- 1.2.2. Circulaire si E0x = E0y et φ = ±π/2. En z = 0, pour φ = +π/2, Ey = −E0 sin ωt : le champ tourne de ux vers −uy, sens horaire pour un observateur recevant l'onde : circulaire droite ; φ = −π/2 : circulaire gauche (sens trigonométrique). Préciser toujours la convention adoptée (observateur face à l'onde).
- 1.2.3. Rectiligne si φ = 0 ou π (modulo 2π), ou si l'une des amplitudes est nulle.
- 1.2.4.1. Après le polariseur, EP est dirigé selon ux.
- 1.2.4.2. L'analyseur ne transmet que la projection : EA = (EP·uA) uA = EP cos θ uA, dirigé selon uA.
- 1.2.4.3. L'éclairement est proportionnel à ⟨E2⟩ : ΦA = ΦP cos2θ (loi de Malus).
2.1. Lame à retard
- 2.1.1. Oui : en incidence normale, E est tangent aux dioptres ; la composante tangentielle de E est continue à la traversée d'une interface (milieux non conducteurs).
- 2.1.2.1. Dans la lame, vitesse c/nx : E = E0 cos(ωt − nxkz) ux (réflexions négligées).
- 2.1.2.2. Continuité en z = e : E = E0 cos(ωt − k(z − e) − nxke) ux.
- 2.1.3. Même calcul avec ny : E = E0 cos(ωt − nykz) uy pour 0 < z < e, et E = E0 cos(ωt − k(z − e) − nyke) uy pour z > e.
- 2.1.4.1. Par linéarité (projection sur les axes neutres) : E = E0 cos α cos(ωt − k(z−e) − nxke) ux + E0 sin α cos(ωt − k(z−e) − nyke) uy.
- 2.1.4.2. Différence des phases : (−nxke) − (−nyke) = (ny − nx)ke, avec k = 2π/λ : φ = 2πe(ny − nx)/λ.
2.2. Lame entre polariseur et analyseur
- 2.2.1. Projection sur uA = cos β ux + sin β uy : EA = E0[cos α cos β cos ωt + sin α sin β cos(ωt − φ)] uA.
- 2.2.2. Avec a = cos α cos β et b = sin α sin β : I = I0(a2 + b2 + 2ab cos φ) = I0[(a − b)2 + 2ab(1 + cos φ)] = I0[(a − b)2 + 4ab cos2(φ/2)]. Or a − b = cos(α+β) et 4ab = sin 2α sin 2β : relation (4) établie.
- 2.2.3. α = 0 : I = I0cos2β ; α = π/2 : I = I0sin2β. La polarisation incidente est selon une ligne neutre : la lame ne la modifie pas, on retrouve la loi de Malus, sans effet d'interférence ni coloration.
- 2.2.4. α = π/4 : I = I0[cos2(β + π/4) + sin 2β cos2(φ/2)].
- 2.2.5. φ dépend de λ : chaque radiation est transmise avec un poids différent, l'écran est coloré (teintes de polarisation chromatique). Pour β = 0 ou π/2, I = I0/2 pour tout λ : éclairement blanc uniforme. Les couleurs sont les plus saturées pour β = ±π/4 (analyseur parallèle ou croisé). En tournant l'analyseur de π/2, on passe à la couleur complémentaire (I(β) + I(β + π/2) = I0). Avec une lame épaisse (retard de plusieurs λ), l'œil voit un « blanc d'ordre supérieur ».
- 2.2.6.1. α = β = π/4 : I = I0 cos2(φ/2), nulle pour |φ| = (2p+1)π, soit λp = 2eΔn/(2p+1) : ces radiations sont éteintes, le spectre présente des bandes noires (spectre cannelé).
- 2.2.6.2. eΔn = 250·10−6 × 10−2 = 2,5 μm, λp = 5 μm/(2p+1). Dans le visible (0,4–0,8 μm) : 6,25 ≤ 2p+1 ≤ 12,5, donc 2p+1 = 7, 9, 11 : λ ≈ 714 nm, 556 nm, 455 nm (trois cannelures).
2.3. Dispositif à deux lames (e et 2e)
- 2.3.1. Résultat 2.2.1 avec α = β = π/4 : E1 = (E0/2)[cos ωt + cos(ωt − φ)] uP, soit E1 = E0 cos(φ/2) cos(ωt − φ/2) uP.
- 2.3.2. La lame 2 (épaisseur 2e) introduit un déphasage 2φ. Sortie de la lame 2 : (E0cos(φ/2)/√2)[cos(ωt − φ/2) ux + cos(ωt − φ/2 − 2φ) uy]. Après P2 : E2 = E0 cos(φ/2) cos φ cos(ωt − 3φ/2) uP.
- 2.3.3. I = I0 cos2(φ/2) cos2φ.
2.4. Système à N lames (e, 2e, …, 2N−1e)
- 2.4.1. Chaque étage multiplie l'amplitude par cos(2kφ/2) ; avec l'identité Πk=0..N−1 cos(2kx) = sin(2Nx)/(2N sin x) on obtient I = I0 sin2(2N−1φ)/(4N sin2(φ/2)). Pour N = 2 : sin2(2φ)/(16 sin2(φ/2)) = cos2(φ/2)cos2φ, conforme à 2.3.3. Remarque : la relation (5) telle qu'imprimée, avec N, donnerait pour N = 2 seulement cos2(φ/2) ; elle est exacte si l'on y remplace N par 2N (le nombre de « voies » équivalentes). Il est légitime de signaler cette coquille sur la copie.
- 2.4.2. I(φ) est 2π-périodique, avec des maxima principaux I = I0 pour φ = 2pπ, des zéros en φ = 2πm/2N (m non multiple de 2N) et 2N − 2 maxima secondaires faibles entre deux pics. La largeur des pics principaux (≈ 4π/2N) diminue quand N augmente : comportement analogue à un réseau, le dispositif est un filtre très sélectif en longueur d'onde.
- 2.4.3. Transmission maximale pour φ = 2pπ, soit eΔn/λ = p, λ = 2,5 μm/p. Visible : p = 4, 5, 6 : λ = 625 nm (rouge-orangé), 500 nm (vert-bleu), 417 nm (violet). Application : filtre de Lyot (filtre biréfringent à bande étroite), utilisé en astronomie solaire pour isoler une raie (Hα par exemple).
💡 Points à retenir pour le CNC MP : régimes transitoires du premier ordre (continuité de uC), formes canoniques des filtres et diagrammes de Bode, AO idéal (régimes linéaire et saturé) et réel (produit gain × bande, vitesse de balayage, résistance de sortie en contre-réaction), critère de démarrage d'un oscillateur (A = 3 pour le pont de Wien) ; en optique, états de polarisation, loi de Malus, lames à retard, spectre cannelé et filtres biréfringents. Travailler les applications numériques sans calculatrice et signaler clairement toute erreur d'énoncé repérée.
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المصدر: مباريات ولوج المدارس والمعاهد العليا
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