Mines Physique 1 MP 2019

A2019 --- PHYSIQUE I MP

Cm

Concours commun

Mines-Ponts

ÉCOLE DES PONTS PARISTECH,
ISAE-SUPAERO, ENSTA PARISTECH,
TELECOM PARISTECH, MINES PARISTECH,
MINES SAINT-ÉTIENNE, MINES NANCY,
IMT Atlantique, ENSAE PARISTECH,
CHIMIE PARISTECH.

Concours Centrale-Supélec (Cycle International),
Concours Mines-Télécom, Concours Commun TPE/EIVEP.

CONCOURS 2019
PREMIÈRE ÉPREUVE DE PHYSIQUE

Durée de l'épreuve : 3 heures

L'usage de la calculatrice et de tout dispositif électronique est interdit.

Les candidats sont priés de mentionner de façon apparente
sur la première page de la copie :

PHYSIQUE I - MP
L'énoncé de cette épreuve comporte 6 pages de texte.
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 expliquant 
les
raisons des initiatives qu'il est amené à prendre.
Physique I, année 2019 -- filière MP

Physique en arctique

Ce sujet aborde différentes questions relatives aux propriétés physiques 
particulières aux régions
polaires. Les notations, valeurs des constantes fondamentales et les autres 
données numériques
nécessaires à la résolution du problème ainsi qu'un formulaire sont regroupés à 
la fin de l'énoncé.

Les exemples seront tous traités dans le cas des régions polaires nord 
(également appelées
arctiques ou boréales). Les notations géographiques usuelles sont également 
rappelées en fin
d'énoncé. Les applications numériques comporteront au plus 2 chiffres 
significatifs.

Les deux parties sont indépendantes.

I. -- Pôles géographiques et magnétiques

Les pôles géographiques sont assez proches des pôles magnétiques; dans tout ce 
qui suit,
on pourra confondre les deux axes reliant les pôles opposés de chaque type. La 
recherche
des pôles magnétiques s'est d'abord appuyée sur la mesure du champ magnétique 
terrestre
(ou champ géomagnétique), et en particulier de sa direction. L'intensité 
croissante du champ
géomagnétique à l'approche des pôles contribue enfin à expliquer un phénomène 
optique spec-
taculaire : les aurores polaires. Les parties LA et [.B sont indépendantes 
entre elles.

La partie I.A est consacrée à la description dipolaire du champ géomagnétique 
(le dipôle disposé
au centre de la Terre et modélisant des courants électriques dans le noyau de 
la planète).

La partie [.B présente le modèle autodynamo du champ géomagnétique, susceptible 
de rendre
compte des inversions du champ géomagnétique qui ont eu lieu dans le passé et 
ont laissé une
trace dans les propriétés magnétiques de certains sédiments sous-marins.

I.A. -- Boussole, champ géomagnétique et dipôle central

Une boussole est formée d'un

aimant permanent, solide en (A)
forme d'aiguille équivalente à
un petit dipôle magnétique
m de norme constante m, la
direction du vecteur m étant
supposée indiquer le nord. --
Cette aiguille aimantée peut

librement tourner autour d'un

axe vertical (A) dirigé par le

vecteur EUR, local et formant un pivot à faible frottement (cf. fig. 1).

FIGURE 1 --- Boussole de navigation

J 1 -- Pourquoi la boussole à l'équilibre indique-t-elle le nord ? Cet 
équilibre est-il stable ?

On note 1 le moment d'inertie de l'aiguille aimantée relativement à son axe de 
rotation (A):
légèrement écartée de sa position d'équilibre (cf. fig. 1), l'aiguille aimantée 
oscille avec une
pseudo-période Tosc.

2 -- Montrer que la connaissance de m, T& et Î permet de déterminer une des 
composantes
du champ géomagnétique. Laquelle ?

On étudie un modèle de champ géomagnétique créé par un dipôle magnétique M = 
Me, disposé
au centre © de la Terre (assimilée à une sphère de rayon Àr), l'axe (Oz) étant 
l'axe polaire
géographique dirigé du pôle sud de cet axe vers son pôle nord (cf. fig. 7). On 
rappelle d'une part
qu'un point de la surface est caractérisé par ses coordonnées géographiques & 
(longitude) et
À = 5 --0 (latitude) et d'autre part qu'à l'équateur le champ magnétique 
terrestre est horizontal,
dirigé vers le pôle nord géographique et y a pour intensité B%.

1 3 -- Exprimer, en un point de la surface de la Terre et en coordonnées 
sphériques, le champ
géomagnétique en fonction de 49 (splitéabilité du vide), M et Rr.

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Physique I, année 2019 -- filière MP

J 4 -- Préciser le signe de M, puis estimer sa valeur numérique. Quelles sont 
la direction et
l'intensité du champ géomagnétique aux pôles magnétiques nord et sud ?

En un point P de la surface terrestre, on appelle nord magnétique local la 
direction ex du
champ géomagnétique B , projeté dans le plan horizontal, et déclinaison 
magnétique l'angle D
formé par B avec le nord magnétique local: la déclinaison magnétique est 
positive si B est
dirigé vers le haut (vers le ciel) et négative s'il est dirigé vers le bas 
(vers le sol).

J 5 -- Dans l'hémisphère nord, quel est le signe de D? Calculer tan(D) en 
fonction de la
latitude À puis tracer l'allure de la courbe donnant D en fonction de À pour 
toutes les valeurs de
À du pôle sud au pôle nord. Pourquoi lisait-on parfois que les boussoles < s'affolent à proximité des pôles > ? Peut-on déterminer, au moyen d'une boussole, si on se trouve dans 
l'hémisphère
nord ou dans l'hémisphère sud ?

I.B. -- Modèle autodynamo et fluctuations du champ

Un modele possible pour la circulation des courants électriques dans le noyau 
métallique liquide
de la Terre, couplée à la rotation de la Terre, est le modèle autodynamo (cf. 
fig. 2). Le système
comporte N spires (circulaires de rayon à, de centre O et d'axe (Oz), qui 
créent le champ
géomagnétique). Il comporte aussi un disque central de rayon b < à, qui peut tourner autour de l'axe (Oz) avec la vitesse angulaire w(t) et le moment d'inertie 7 (il modélise les interactions mécaniques avec la rotation de la Terre). Ce disque, conducteur, est parcouru par le même courant i(t) que les spires; il est aussi entraîné par la rotation de la Terre avec un couple moteur L -- l'oe.. Enfin, la résistance électrique totale du circuit est notée À. FIGURE 2 -- Le modèle autodynamo pour le champ géomagnétique On note B (P) le champ magnétique créé par ce dispositif en un point P du disque tournant, -- il Tmax avec r = OP; on supposera N >> 1. Si i(t) £ 0, on note M... -- x | re, : 
B(P)dr:;
0
en particulier on pourra utiliser dans ce qui suit les intégrales M, et My pour 
Tax -- à ou b
respectivement.

1 6 -- Quelle est la direction de B (P) ? Quels sont les signes de M, et M, ? 
Comparer M, et
M,. Expliciter l'inductance propre L du circuit électrique de la figure 2 en 
fonction notamment
d'une de ces intégrales.

J 7 -- On suppose d'abord que le courant i(t) traverse le disque uniquement en 
ligne droite
du point À de sa périphérie à ©. Exprimer la force de Laplace dé s'exerçant sur 
un élément de
longueur du segment AO. Exprimer alors le moment l[', -- T6, des forces de 
Laplace exercées
sur ce disque en fonction de i(t) et M3. Même si le courant se répartit de 
manière arbitraire sur
ce disque de À à ©, on peut montrer, et on admettra, que l'expression établie 
ici du moment
des forces de Laplace reste inchangée.

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Physique I, année 2019 -- filière MP

J 8 -- En faisant l'hypothèse de la conservation de la puissance lors de la 
conversion électro-

mécanique, relier la force électro-motrice e(t) induite par les mouvements de 
rotation du disque
à M, it) et w(t).

1 9 -- Établir les équations régissant les 9
évolutions du courant dans le noyau et de

sa vitesse de rotation sous la forme d'un
système diffèrentiel couplé

f di

Ja "is
ER 50

On exprimera les constantes positives «, 5,
y, et Ô en fonction de À, L, M,, T et Lo. 0

0
Soit io un courant constant arbitraire, on FIGURE 3 -- Courbes de valeurs 
constante définies
considère la fonction par la fonction f(x,y) -- 52° + SU" --In(x) --y = c.
Les valeurs de c sont indiquées sur les courbes.
1 1 LT Î IR
Hi) = = To +2 Li = In || --w
2 2 M, 20 M,
dH /
J 10 -- Calculer Pr et simplifier son expression. Comment peut on interpréter 
la fonction

H? Déterminer les points du plan (i,w) pour lesquels le gradient de # s'annule. 
Comment
s'interprétent ces points ?

À 11 -- Décrire la stabilité des équilibres du champ géomagnétique associés à 
la portion du
plan de phase représenté sur la figure 3.

IT. -- La glace de la banquise

L'existence de couverts de glace de grande épaisseur au-dessus des océans 
polaires est bien
sûr une caractéristique remarquable des régions polaires. On étudie ici deux 
propriétés de ces
couverts de glace :

-- quelques propriétés mécaniques d'un traîneau glissant sur sa surface (partie 
ITA):

-- un modèle simple de croissance de l'épaisseur de la glace en hiver (partie 
IL.B).

IT. A. -- Un traîneau sur la glace

Un traineau à chiens est un dispositif de masse totale M (le pilote, ou musher, 
est compris
dans cette masse) qui peut glisser sur la surface de la glace avec des 
coefficients de glissement
statique (avant le démarrage) 4, et dynamique (en mouvement) Lg.

1 12 -- Les chiens sont reliés au traîneau par des éléments de corde tendus, de 
masse
négligeable et inextensibles. Montrer qu'un tel élément de corde transmet les 
tensions et que
celles-ci sont colinéaires à la corde.

J 13 -- Le trajet se fait soit à l'horizontale, soit sur une faible pente 
ascendante caractérisée
par l'angle & avec l'horizontale. Montrer que, dans ce dernier cas, tout se 
passe comme dans
un mouvement horizontal sous réserve de remplacer 44 par y}, que l'on exprimera.

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Physique I, année 2019 -- filière MP

L'intensité de la force de traction totale F exercée par l'ensemble des chiens 
dépend de leur
vitesse v et on adoptera le modèle F = F5 -- Gv où F6 et 5 sont des constantes 
positives. On
prendra les valeurs M = 5,0 x 10° kg, à = 0, puy = 5,0 x 107 et u, = 8,0 x 107%.

1 14 -- Déterminer la valeur minimale de F, permet-
tant le démarrage du traineau.

1 15 -- La vitesse du traîneau en régime stationnaire ! 2

est vo -- 3m:8s" 1, atteinte à 5% près au bout d'un temps i

t1 = 5s. Exprimer d'une part £ en fonction de M et {, et 0
d'autre part F4 en fonction de 5, vo, a, M et g. Calculer | °C

leurs valeurs respectives. |

Toujours à vitesse constante vo, le traîneau aborde une
courbe à plat qu'on assimilera à un cercle de centre O
et de rayon R (cf. fig. 4). Les chiens (modélisés ici en
un seul point C) doivent donc tirer vers l'intérieur du
cercle.

FIGURE 4 - Trajectoire circulaire du
traineau

1 16 -- Déterminer en fonction des données la tension
T' de la corde et l'angle ÿ entre la force de traction et la
trajectoire.

ITI.B. -- Croissance hivernale de l'épaisseur de glace

Pour étudier la croissance de la couche de glace en hiver, on modélise l'océan 
sous la banquise
en formation de la manière suivante (cf. fig. 5) : en profondeur, la 
température de l'eau est
maintenue constante à 71 -- 4°C par les courants océaniques. Sur une hauteur 
constante EUR
sous la banquise, l'eau se refroidit progressivement jusqu'à atteindre 7, -- 
O°C à l'altitude
z = 0 de formation de la glace (on néglige tout effet de salinité de l'eau). La 
couche de glace
a une épaisseur croissante z(t) qu'il s'agit de déterminer ; au-dessus de 
celle-ci, l'air est à la
température constante 72 -- --40°C. On notera À, et À, les conductivités 
thermiques et & et &
les capacités thermiques massiques de l'eau liquide et de la glace, p, et {; la 
masse volumique
et l'enthalpie massique de fusion de la glace ; toutes ces grandeurs sont des 
constantes.
L'épaisseur de glace z,(t) augmente régulièrement du fait de la cristallisation 
de l'eau refroidie
à T0 = OU°C à la base de la couche de glace. Toutes les études pourront être 
faites pour un
système défini par un cylindre vertical de surface S' unité (cf. fig. 5) au 
sein duquel les transferts
thermiques unidimensionnels sont régis par la loi de Fourier.

17 -- Par une étude des échanges thermiques de l'épaisseur 0z prise à 
l'intérieur de la
glace, établir une équation aux dérivées partielles vérifiée par la température 
T,(2,t) au sein de
la glace.

1 18 -- Déterminer une expression donnant l'ordre de grandeur de la durée At de 
la diffusion
thermique au sein de la glace sur une hauteur Az. Quelle durée doit-on attendre 
afin de pouvoir
considérer que, pour des évolutions assez lentes, la température 7, ne dépend 
pratiquement plus
du temps ? Préciser ce que l'on entend par < assez lentes >.

On se place dans ce cas dans toute la suite : dans l'eau comme dans la glace, 
les répartitions
de température seront supposées quasi-staliques.

J 19 -- Définir et exprimer les résistances thermiques À, et À, pour une aire 
donnée 5, des
couches de glace et d'eau refroidie sous la glace.

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Physique I, année 2019 -- filière MP

= --
= __--

_ _
_ _
a

\
Air froid à 75 = --40 C

TS
Ch
7
| |
ke
©
NX !

Glace

Formation de glace à T5 = 0 EUR

Eau refroidie par la glace

= -- -- ----;,

Eau « chaude » à T1 =4 C

=
_-- __--
_ --__

_- _
------ _

FIGURE 5 -- L'océan sous la banquise en formation

Les transferts thermiques à travers la surface supérieure de la banquise sont 
décrits par la loi
de Newton des transferts pariétaux (radiatifs et convecto-conductifs) : la 
puissance échangée
par unité d'aire de cette surface vérifie [P,| = AIT, -- T:| où T, est la 
température au sommet
de la couche de glace; le coefficient À > 0 de la loi de Newton est supposé 
connu et constant.

1 20 -- Exprimer la résistance thermique R;, pour une aire $, de l'interface 
entre l'air et la
glace.
J 21 -- Montrer que le régime quasi-permanent de croissance de la couche de 
glace peut être

décrit par le schéma électrique équivalent de la figure 6 et préciser 
l'expression du < courant > ®
du « générateur de courant > en fonction notamment de {, #, et de la vitesse de 
croissance

Ve -- Le de la couche de glace.
©
Re Re BR
Tr 2
Ti=4cC To D T, = --40 C
de Ti =0 C
JL

FIGURE 6 -- Circuit électrique équivalent à la croissance de la couche de 
glace. Le dipole D
représenté sur cette figure permet d'assurer une différence de potentiel nulle 
sans appel de
courant dans cette branche du circuit.

1 22 -- Établir l'équation différentielle vérifiée par z,(t). On suppose que 
pour toutes les
valeurs de { considérées on à + > Æ + L en déduire la loi d'évolution de 
l'épaisseur de la
e 8

couche de glace sous la forme 7, [{2,(t) + 22(t)] = lt où l'exprimera les 
grandeurs 7, et {, en
fonction des paramètres du modèle. L'instant t = 0 correspond au début de la 
formation de la

banquise.

J 23 -- Tracer et commenter l'allure de la courbe donnant Ze en fonction de t. 
On montrera
notamment l'existence de deux régimes successifs.

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Données et formulaire utiles pour l'ensemble du sujet

Données numériques et constantes fondamentales

Champ magnétique terrestre à l'équateur Bx = 3,0 x 10 °T

Charge élémentaire e = 1.6 x 10 CC
Durée du jour solaire moyen To = 24h = 8,6 x 10*s
Intensité du champ de pesanteur Jo = 9.8mXxs *
Perméabilité magnétique du vide uo = 47 X 10 TH:-m !
Rayon terrestre Rr = 6,4 x 10° km
Logarithme népérien du nombre 20 In(20) = 3,0

Coordonnées sphériques et géographiques
On notera (Ozxyz) les axes cartésiens associés à la base orthonormée et directe 
(EUR,,EUR,,e,). Les
coordonnées sphériques d'un point P sont notées (r, 0,4) avec la base locale 
associée (e,., 69, EUR),
cf. fig. 7 à gauche. On note aussi & (longitude) et À la latitude d'un point P 
de la surface
terrestre ; le point À est situé sur l'équateur dans le méridien origine (4 = 
0) ; celui-ci passe par
l'observatoire de Greenwich G, cf. fig. 7 à droite.

Pôle Nord
géographique

Équateur

ne s Pôle Sud:
T géographique

FIGURE 7 -- Coordonnées sphériques et géographiques

Données et formules relatives aux dipôles magnétiques

Le champ magnétique créé par un dipôle de moment dipolaire M placé à l'origine 
© des
coordonnées est donné au point P par :

SR(M-R)-RM

D Ho | 2 5

B(P) = -- où R=OP ct R=|hR

(P) = À L À
Les interactions d'un dipôle magnétique rigide de moment dipolaire m _Soumis à 
un champ
magnétique extérieur B sont décrites par l'énergie potentielle E,, -- --m : B 
et par le couple des

actions électromagnétiques L'= mA B.

FIN DE L'ÉPREUVE

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