LECONS DE PHYSIQUE 1998

1. Conservation en mécanique du point et du solide de la quantité de mouvement, du moment cinétique et de l'énergie. Exemples et applications. (MP, PC ou le` CU)

2. Bilans de quantité de mouvement, de moment cinétique et d'énergie pour un système ouvert en 20. mécanique. (PC ou le` CU)

3. Contact entre deux solides. Frottement de glissement. Exemples. (PC ou 1e` CU)

4.Caractère non galiléen du référentiel terrestre. Conséquences. (PCSI ou le` CU)

5. Mouvement d'un solide autour d'un axe fixe. Équilibrage statique et dynamique. Exemples.

(le` CU)

6. Approximation gyroscopique. Effets dans les domaines macroscopique et microscopique.

(le` CU)

7. Utilisation des lois de conservation dans le

problème à deux corps. Applications (gravitation,

champ de force coulombien).

(MPSI. PCSI ou le` CU)

8. Principes de la cinématique relativiste. Durée 26.

propre. Longueur propre. (1 ` CU)

9. Collisions de particules en relativité restreinte.

Exemples. (le' CU)

10. Mouvement dune particule chargée dans un 28.

champ magnétique indépendant du temps.

Applications. (1 ` CU)

11. Description cinématique d'un fluide en 29.

mouvement. Exemples. (PC)

12. Modèle de l'écoulement parfait d'un fluide ; 30.

validité. Équation d'Eider. Théorèmes de

Bernoulli. Applications. (PC)

13. Notion de viscosité d'un fluide. Écoulements

visqueux. nombre de Reynolds. Exemples simples.

(PC)

14. Modèle du gaz parfait. Interprétations cinétiques

de la pression et de la température. Limitations du

modèle. (MPSI, PCSI)

15. Premier principe de la thermodynamique : énergie

interne. Conséquences. (MPSI, PCSI)

16. Facteur de Boltzmann. Applications. (le` CU)

17. Exemples de phénomènes irréversibles ; bilans d'entropie. (MP ou l" CU)

18. Notion d'état microscopique. Interprétation statistique de l'entropie. Exemples. (le` CU)

19. Application des deux premiers principes de la thermodynamique au fonctionnement des machines thermiques. (MPSI, PCSI ou le` CU)

Évolution et condition d'équilibre des systèmes thermodynamiques : potentiels thermodynamiques. (PC)

21. Étude thermodynamique d'un système constitué par un corps pur sous plusieurs phases. Exemples. (PC ou le` CU)

22. Rayonnement d'équilibre thermique. Corps noir. Applications (la démonstration de la loi de Planck est exclue). (MP ou le` CU)

23. Étude d'un phénomène de transport : conduction thermique ou diffusion de particules, au choix. Applications. (l` CU)

24. Mécanismes de la conduction électrique. Loi d'Ohm. Effet Hall. Applications. (PCSI ou le` CU)

25. Approximation dipolaire pour un système de charges en électrostatique. Applications. (le` CU)

Énergie électrostatique. (1 e` CU)

27. Exemples de couplage électromécanique : hautparleur électrodynamique, moteurs... Bilans énergétiques. (PC. PSI ou I" CU)

Utilisation des propriétés de symétrie dans l'étude des champs électromagnétiques. Exemples. ( le` Cu)

Dipôles magnétiques. Aspects macroscopique et microscopique. (le` CU)

Induction électromagnétique. Applications (on pourra se limiter au cas d'un circuit mobile soumis à un champ magnétique statique B et au cas d'un circuit fixe dans un champ B non permanent). (PC ou 1 e' CU)

31. Système de deux circuits filiformes dans l'approximation des régimes quasi-permanents

inductance mutuelle, inductance propre. Aspects énergétiques. (PC ou le' CU)

32. Énergie du champ électromagnétique : vecteur de Poynting ; densité d'énergie électromagnétique (les milieux diélectriques et magnétiques sont exclus de l'étude). (PC ou le` CU)

33. Propriétés et applications du rayonnement dipolaire électrique. (NP, PC)

34. Exemples simples de phénomènes de propagation 50.

unidimensionnels. Ondes progressives, ondes

stationnaires. Aspects énergétiques. (l` CU)

35. Chaîne linéaire infinie d'oscillateurs harmoniques.

Modes propres. Approximation des milieux 52.

continus. (PC ou 1 e` CU)

36. Ondes sonores dans les fluides. Approximation

acoustique. Aspect énergétique. (PC ou le` CU)

37. Etats de polarisation des ondes électromagnétiques

planes monochromatiques se propageant dans le

vide. Mise en évidence. (PC)

38. Paquets d'ondes planes. Propagation dans un

milieu dispersif ; vitesse de phase, vitesse de

groupe. Exemples. (PC ou le` CU)

39. Notions sur les processus microscopiques de

polarisation des milieux diélectriques en régime

statique. (1 " CU)

40. Etude macroscopique de la polarisation, du champ

électrique E et du vecteur D dans les milieux 57.

diélectriques. (1 ` CU)

41. Réflexion et réfraction dune onde électromagnéti

que monochromatique plane à la surface de

séparation entre deux milieux diélectriques

linéaires homogènes isotropes. (l` CU)

42. Dispersion et absorption d'une onde électroma

gnétique plane dans un milieu diélectrique.

Modélisation microscopique. (PC)

43. Effet de peau. Réflexion des ondes électromagné

tiques planes à la surface d'un milieu conducteur.

(MP ou 1 e' CU)

44. Paramagnétisme. Approche du ferromagnétisme

dans l'approximation du champ moyen. Tempé

rature critique. (PC ou le` CU)

45. Propriétés macroscopiques des corps ferroma

gnétiques : applications aux circuits magnétiques.

(PC)

w

X46. Notion de rayon lumineux. Principe de Fermat.

Conséquences. (le` CU)

47. Miroir plan. Miroirs sphériques. Applications.

1er CU)

8. Application des lois de l'optique à l'étude d'un

instrument d'optique au choix (lunette astrono

mique. télescope, appareil photographique,

microscope... ). (1 e` CU)

49. Obtention d'interférences à deux ondes en optique. Notion de cohérence. (PC ou le` CU)

Interféromètres à division d'amplitude. Applications. (le` CU)

51. Diffraction de Fraunhofer. Applications. (l` CU)

Réseaux plans en optique. (le` CU)

53. Phénomènes de résonance dans les systèmes linéaires. Exemples. (l` CU)

54. Systèmes bouclés. Transmittance. Stabilité. Application aux asservissements. (PSI ou le` CU)

55. Exemples de filtres linéaires d'ordre un et deux en électricité. Fonction de transfert et réponse temporelle. Application au filtrage d'un signal périodique. (PSI ou le` CU)

56. Comportement dynamique des systèmes couplés oscillateurs à deux degrés de liberté en mécanique classique, systèmes à deux niveaux d'énergie en physique quantique. Analogie et différences. (1 e` CU)

Exemples d'effets de non linéarité sur le comportement d'un oscillateur. (MPSI ou le` CU)

58. Le photon. Energie et quantité de mouvement. (1 e` CU)

59. Dualité onde-corpuscule : Relation de Louis de Broglie ; inégalités d'Heisenberg. Applications. (1 er CU)

60. Quantification de l'énergie des atomes. (le` CU)

61. Puits de potentiel : exemples et applications en physique quantique. (le` CU)

62. Effet tunnel. Applications. ( le` CU)

63. Absorption, émission spontanée ou induite du rayonnement : coefficients d'Einstein. Applications. (l` CU)

RAPPORT SUR LES LEÇONS DE PHYSIQUE

Le jury a eu plaisir à constater que le niveau d'ensemble de l'épreuve orale s'est amélioré par rapport aux années précédentes : les exposés sont en moyenne plus cohérents et les connaissances générales des candidats sont plutôt mieux assurées.

Reste qu'il y a peu d'excellentes leçons. Les candidats qui pourraient y prétendre manquent souvent " d'enthousiasme pédagogique ". Sauf exception, ils hésitent par trop à faire preuve de conviction et à mobiliser toutes leurs connaissances dans un exposé enlevé. Les questions du jury révèlent souvent chez les bons candidats une meilleure compréhension des sujets traités que celle qui était apparente à la simple écoute de leur présentation. Il est dommage que ces connaissances personnelles ne soient pas manifestées au cours de l'exposé, même sans faire l'objet de longs développements. Par ailleurs, le choix, souvent fait, d'aligner les plans des exposés sur ceux d'ouvrages connus au demeurant souvent excellents contraint les candidats à des discours plus convenus que ceux qu'ils seraient manifestement susceptibles de fournir.

Une autre difficulté pédagogique résulte, pour certaines leçons, de l'équilibre à trouver entre la présentation exhaustive de calculs lourds et la tenue d'un discours superficiel où des élèves ne pourraient que difficilement trouver l'architecture concrète de leur apprentissage. Il est préférable de se livrer à des calculs approchés ? mais justifiés plutôt que de rechercher à tout prix l'obtention de formes analytiques complètes, présentées comme des "solutions exactes", alors que leur utilisation nécessite l'usage de tables ou de moyens informatiques. L'exposé des détails techniques peut être allégé par le recours à des transparents, à condition que les étapes principales des calculs soient convenablement soulignées. À ce sujet, il est hautement souhaitable que les candidats regardent de temps en temps l'écran de projection afin de s'assurer que ce qu'ils montrent est bien visible de la salle.

Le jury a pu relever que les illustrations expérimentales sont plus fréquentes que par le passé. Bien que les expériences de cours ne puissent être que qualitatives contrairement à celles de l'épreuve de montage il convient quelles soient illustratives et il est indispensable de prendre le temps de les exposer correctement. Afin d'assurer un cours vivant et moderne, susceptible d'entraîner l'intérêt des élèves et du jury , il vaut mieux illustrer le sujet par des exemples tirés de la vie quotidienne, de l'environnement technique ou des sciences de l'univers (géophysique, météorologie. astrophysique... ) que de faire référence à des expériences "de musée" ou à des dispositifs académiques sans grand intérêt.

Malgré les remarques positives présentées ci-dessus, il reste encore trop de leçons très médiocres, où les candidats "jettent l'éponge" bien avant la fin du temps imparti à leur exposé parfois 20 minutes avant , manifestant leur méconnaissance complète du sujet traité et, souvent, leur absence totale d'intérêt pour celui-ci.

La liste ci-dessous, qui renforce ou complète celles qui ont été publiées dans les rapports précédents, explicite les principaux conseils, critiques et suggestions du jury vis à vis des différentes leçons du programme (les numéros des leçons correspondent à la liste établie pour le concours 1998).

Leçon 3 : Les candidats sont invités à ne pas restreindre leurs exemples à des mouvements de translation. Il est rappelé que la loi d'Amontons, à savoir que la force de friction ne dépend que de la charge et non de l'aire du contact. est au moins aussi importante que les lois de Coulomb.

Leçons 4 et 7 : Dans le cas des interactions gravitationnelles entre corps étendus, la résultante des forces s'exerçant sur l'un deux n'est pas en général égale à sa masse, multipliée par le champ gravitationnel en son centre d'inertie... sauf si le corps considéré est de symétrie sphérique. Si la précession des équinoxes ne doit pas être systématiquement traitée, il est cependant conseillé d'en connaître l'existence et l'origine. Dans la leçon 7 il convient de préciser correctement les hypothèses faites : il n'existe pas que des forces "centrales" dans la nature (interaction dipolaire par exemple), la loi de l'action et de la réaction ne s'applique pas automatiquement (cas des forces magnétiques)... enfin, il est erroné d'affirmer que toutes les trajectoires résultant de l'interaction entre deux corps sont des courbes fermées, et encore plus que ce sont des coniques.

Leçon 6 : Il convient que ne soient sacrifiées ni les applications macroscopiques ? par méconnaissance du sujet ?, ni les applications microscopiques ? par manque de temps. Dans l'approximation gyroscopique, il est important de souligner à la fois le caractère constant du module du moment cinétique et celui de sa projection sur la direction d'action de la force appliquée.

Leçon 9 : Les candidats connaissent les lois de conservation (impulsion et énergie) au cours des chocs, parfois les invariances 'P2c2?E2) par changement de référentiel. Très souvent les deux notions sont confondues. L'intérêt du référentiel barycentrique, parfois sa définition et ses conditions d'existence, sont par contre mal connus.

Leçon 10 : Il est nécessaire de faire plus qu'un simple exposé de niveau terminale. Les phénomènes de confinement magnétique doivent être abordés et expliqués, au moins qualitativement.

Leçon 11 : Dans cette leçon il convient de présenter les différentes déformations qui peuvent être subies par une "particule fluide", en les illustrant par des exemples simples, après avoir expliqué le sens et les limites de ce modèle. II est évidemment nécessaire de ne pas se borner à la présentation d'écoulements irrotationnels.

Leçon 13 : Cette leçon doit permettre de mieux comprendre la notion d'écoulement parfait et ses limites. L'illustration expérimentale ne saurait se limiter à regarder tomber une bille dans un tube rempli de glycérine. Comme pour la leçon 23, l'exposé doit faire apparaître la notion de "transport par les molécules" et donc donner une place au concept de "libre parcours moyen" et aux ordres de grandeur associés. Par ailleurs, une étude énergétique serait la bienvenue ; sur des cas simples il est en effet facile d'exprimer la puissance volumique des forces de viscosité intérieures au fluide.

Remarque générale sur les leçons de thermodynamique : "isentropique" et "adiabatique réversible" ne sont pas des synonymes. Une transformation peut, par exemple, être isentropique sans être adiabatique.

Leçon 14 : Il est suggéré aux candidats de faire ressortir le fait que la pression est une grandeur macroscopique nécessitant pour être définie que l'on procède à une moyenne sur un grand nombre de "chocs élémentaires". Beaucoup de candidats définissent le gaz parfait comme un modèle où " ... aucune interaction ne s'exerce entre les molécules...", alors que le rôle des collisions y est essentiel. La notion de "libre parcours moyen" doit être introduite [NB : ce n'est pas une limitation du modèle]. L'exposé des "limitations" se résume trop souvent à l'énoncé de l'équation d'état de Van der Waals, alors que les effets quantiques ne sont que rarement mentionnés, de même que les rôles respectifs des interactions répulsives et attractives selon la valeur de la température.

Leçon 16 : Un point important concerne le choix des variables qui doivent être utilisées pour définir l'espace des phases. Si l'on souhaite traiter le cas des systèmes macroscopiques ce qui permet d'introduire l'énergie libre il est extrêmement important de bien distinguer ce cas de celui des systèmes microscopiques indépendants.

Leçon 17 : II est possible de présenter un exemple de transformation irréversible (Scréée >0) mais néanmoins isentropique (Séchangée ? ? Scréée) afin de bien séparer les deux concepts, pour un système non isolé. Les exemples avec conduction thermique ne sont pas souvent retenus.

Leçon 18 : L'intitulé de la leçon a été modifié l'an passé afin que les candidats réfléchissent à la notion d'état microscopique, dont la définition n'est pas arbitraire mais étroitement liée à la description mécanique (classique ou quantique) du système étudié ; on ne saurait affirmer sans précaution que " se trouver à droite d'une paroi" corresponde à un état microscopique pour une particule de matière. La notion d'ensemble microcanonique est introduite pour rendre compte des propriétés thermodynamiques des systèmes isolés (E = Cste). Cela implique que la notion de température microcanonique soit dégagée clairement avant d'être comparée à la température thermodynamique. L'additivité de l'entropie statistique suppose l'indépendance des systèmes considérés. Il est important, à l'occasion de cette leçon, d'établir un lien avec le troisième principe de la thermodynamique. Enfin, et de façon générale, il faut dans cette leçon faire passer le message que la statistique s'applique d'autant mieux à la description thermodynamique que le nombre d'objets élémentaires considérés est plus grand.

Leçon 19 : La leçon ne doit pas se borner à un exercice académique : les candidats doivent étudier un cas de machine réelle, expliquer la modélisation qui conduit à un cycle simplifié, comprendre les sources d'irréversibilités diverses. Une transformation monotherme ne peut être réversible si le système reçoit de l'énergie dune source de chaleur alors que sa température n'est pas celle de la source.

Leçon 20 : Les exemples choisis ne doivent pas systématiquement concerner les fonctions F et G, mais les potentiels F* et G*. Par ailleurs, lorsqu'on discute du caractère extrémal (ou minimal) d'une quantité, il faut toujours préciser par rapport à quelle variable on effectue cette recherche d'extrémum. Cette dernière remarque s'applique également à la leçon 46 sur le principe de Fermat.

Leçon 21 : Cette leçon est souvent traitée de façon trop abstraite : les ordres de grandeurs élémentaires valeurs caractéristiques des pressions et des températures, des chaleurs latentes de vaporisation ou de solidification sont ignorés de même que leurs liens avec les interactions et les processus microscopiques : interactions attractives, compétition ordre?désordre... Les observations quotidiennes ne doivent pas être passées sous silence : transpiration, phénomènes météorologiques, ustensiles de cuisson ...

Leçon 22 : Le caractère fondamental et universel des concepts dégagés à l'occasion de cette leçon doit être mieux souligné par les candidats. Il s'agit d'équilibre thermodynamique entre matière et rayonnement et il est justifié de se poser la question de savoir pourquoi un corps noir n'émet pas un spectre de raies...

Leçon 26 : Il est intéressant de montrer que l'énergie de constitution d'une distribution de charges est indépendante de son mode de formation, l'énergie électrostatique apparaissant alors comme une fonction d'état.

Leçon 27 : Il est essentiel de montrer l'importance des termes de couplage entre équation "mécanique" et équation "électrique". Dans le bilan d'énergie global, il faut faire ressortir le rôle du champ magnétique et expliquer l'origine du bilan auxiliaire Plaplace 1 Pfem = 0. Il est bon de se souvenir que l'objectif principal d'un haut?parleur n'est pas de produire de la chaleur et de rappeler. au cours de la leçon, l'origine physique de la "force de frottement" qui apparaît dans l'équation mécanique, et qui est liée au rayonnement d'ondes acoustiques.

Leçon 28 : Les candidats doivent invoquer le principe de symétrie ? principe de Curie ? et l'appliquer à des cas divers, après avoir justifié les propriétés de symétrie des champs E et B. On peut également choisir des exemples utilisant les ondes électromagnétiques (ondes planes ou rayonnées par des dipôles). Les conséquences du renversement du sens du temps peuvent également être évoquées et utilisées.

Leçon 29 : La partie "macroscopique" ne devrait exclure ni les circuits, ni les aimants ; la partie "microscopique" doit faire apparaître les règles simples de quantification du moment cinétique, le rapport gyromagnétique.

Leçon 30 : Il convient de faire apparaître explicitement la notion de champ électromoteur, de préciser son lien avec la force. électromotrice et de justifier comment cette dernière quantité s'insère naturellement dans les lois habituelles de l'électrocinétique.

Leçon 31 : Dans cette leçon il est essentiel de faire le lien du sujet présenté avec les phénomènes d'induction : cela permet en particulier de faire comprendre aux élèves l'origine de l'énergie magnétique, alors que la force magnétique de Lorentz "ne travaille pas".

Leçon 32 : L'essentiel des applications doit porter sur l'utilisation des notions introduites à des situations dépendantes du temps et, particulièrement, aux ondes électromagnétiques.

Leçon 33 : Une explication qualitative de la décroissance des potentiels en 1/r, alors que, dans ce cas, les champs E et B décroissent également en 1/r, serait la bienvenue.

Leçon 38 : Un "battement" n'est pas un "paquet d'ondes". Le choix d'une représentation de Fourier "spatiale" ou "temporelle" pour représenter un paquet d'ondes dépend de la nature du problème de propagation étudié ? problèmes "aux conditions limites" ou "aux conditions initiales". Le concept de vitesse de groupe n'a de sens que si le phénomène de propagation étudié est associé à une relation de dispersion. La vitesse de groupe n'est pas toujours la "vitesse de propagation de l'énergie".

Leçon 39 : Le concept de "champ local" de Lorentz est le plus souvent mal compris, mal présenté et mal justifié.

Leçon 40 : Le potentiel créé par la matière polarisée, modélisée par une répartition volumique de dipôles, ne peut être justifié à l'intérieur du matériau.

Leçon 42 : Cette leçon mérite une discussion physique des phénomènes de dispersion et d'absorption, supportée par des modèles de milieux matériels. Il est parfaitement inutile et contreproductif de s'enfermer dans de longs calculs formels sur les parties réelle et imaginaire de l'indice de réfraction.

Leçon 45 : Quelques notions sur les aimants permanents seraient les bienvenues. Par exemple: le point représentatif du matériau d'un aimant permanent se situe dans le deuxième (ou le quatrième) quadrant de son cycle d'hystérésis Jeu variables (B, H) : pour obtenir un champ magnétique donné dans un entrefer de volume donné, le volume du matériau magnétique utilisé est minimal lorsque la quantité IBHI est maximale, l'aimantation n'ayant pas, alors, sa valeur rémanente.

Leçon 48 : Les notions de diaphragme d'ouverture et de champ, de cercle oculaire. de clarté, de champ, de pouvoir séparateur etc, supposent une connaissance minimale de l'optique qui ne peut manifestement pas être acquise au cours des quatre heures de préparation. Pour la plupart des instruments visuels, il est utile de comparer le diamètre du cercle oculaire à celui de la pupille de l'oeil et d'introduire les notions de grossissements équipupillaire, résolvant et optimal. Dans le cas de l'appareil photographique, il est important d'expliquer pourquoi l'éclairement de l'image et non le flux est indépendant de la distance à un objet donné, tant que celle?ci est grande devant la focale. Il est formateur d'expliquer en quoi un téléobjectif n'est pas seulement un objectif de longue focale. L'utilisation de petites caméras à CCD est possible pour rendre plus visible aux élèves les différentes étapes d'une mise au point.

Leçon 49 : Dans cette leçon difficile, la première partie relative à l'obtention des interférences à deux ondes doit être traitée soigneusement, même si elle paraît simple. La partie "notion de cohérence" doit faire l'objet d'une approche pragmatique, en évitant de présenter systématiquement un facteur de visibilité comme une transformée de Fourier. En particulier il est important de faire comprendre pourquoi les résultats ne sont pas identiques avec une source quasi?ponctuelle et avec une source étendue.

Leçon 50 : La motivation des dispositifs étudiés dans cette leçon est l'obtention d'interférences avec une source étendue et conventionnelle, donc spatialement incohérente. L'intérêt des interféromètres à division d'amplitude sur ceux qui utilisent la division du front d'onde doit clairement ressortir de l'exposé. Compte tenu de l'importance expérimentale de ces appareils il est inutile de perdre du temps à l'étude exhaustive des lames d'indice n dans l'air, qu'elles soient à faces parallèles ou non, et souhaitable de développer quelques applications des interféromètres étudiés.

Leçon 51 : Les approximations qui permettent de passer de la diffraction " de Fresnel " à celle " de Fraunhofer " ne doivent pas accaparer la moitié du temps de l'exposé. 11 est en revanche conseillé de présenter des applications, ce qui est trop souvent négligé par les candidats.

Leçon 53 : Il est bien entendu nécessaire d'insister sur la généralité du phénomène de résonance en physique et de ne pas cantonner l'exposé à un domaine unique (mécanique ou électricité). Les relations entre le comportement des systèmes forcés et les propriétés des mêmes systèmes, libres, doivent être soulignées, de même que les aspects énergétiques des phénomènes de résonance.

Leçon 54 : Les aspects formels de la leçon doivent rapidement céder le pas, au cours de l'exposé, à des exemples concrets. Les candidats doivent faire l'effort d'expliciter sur ceux?ci ce à quoi correspondent les signaux d'entrée et de sortie, le signal de rétroaction, le signal différentiel. Il est insuffisant de se cantonner à la présentation de montages amplificateurs à amplificateurs opérationnels. Il faut en particulier dégager les changements qualitatifs que peut introduire le bouclage, notamment l'apparition d'oscillations ou la stabilisation d'une chaîne directe instable.

Remarque générale sur les leçons de Mécanique Quantique : L'histoire de la mécanique quantique est certes intéressante, mais les candidats devraient être conscients du fait que cette mécanique régit bon nombre des applications modernes de la physique et en faire état : laser, atomes froids, semi-conducteurs, horloges de précision, microscope à effet tunnel...

Leçons 61 et 62 : Si les détails des calculs peuvent être omis, les bases de ceux-ci, ainsi que la signification physique des conditions aux limites imposées au système doivent être explicitées. Par ailleurs, le jury attend la présentation d'applications significatives et bien comprises.