MONTAGES : Sujets proposés pour 1997

1* Illustration de quelques lois de la dynamique newtonienne.

2* Tension superficielle: mise en évidence, mesures.

3* Dynamique des Fluides.

4* Repérage et mesure des températures.

5* Transitions de phase.

6* Ondes acoustiques sonores et ultrasonores.

7* Formation des images par les instruments d'optique-. champs, aberrations et résolution spatiale.

8* Cohérence spatiale et temporelle des ondes lumineuses.

9* Diffraction des ondes lumineuses.

10 * Spectrométrie optique; résolution.

11 * Interférences lumineuses.

12* Biréfringence naturelle et artificielle. Applications.

13* Production et analyse d'une lumière polarisée.

14* Polarisation rotatoire.

15* Emission et absorption dans le domaine optique (visible, IR, UV -, l'étude des sources est incluse, celle des photorécepteurs excliie).

16* Quelques propriétés et applications des lasers.

17* Photorécepteurs. Applications. On n'omettra pas les dispositifs à transfert de charges.

1 8 * Condensateurs: mesure des capacités, propriétés du diélectrique.

19* Caractérisation des milieux magnétiques.

20* Production et mesure de champs magnétiques de divers ordres de grandeur.

21 * Applications du ferromagnétisme aux transformateurs et aux électroaimants.

22* Etude et applications des transducteurs électromécaniques.

23* Propagation libre et propagation guidée dans le domaine centimétrique.

24* Caractérisation et mesure des tensions et des courants , on s'intéressera à des gammes étendues d'amplitude et de fréquence.

25* Mesure des puissances électriques (les cas des courants triphasés et des fortes puissances ne sont pas exclus).,

26* Résistances électriques utilisées comme capteurs.

27* Auto-induction : tension, énergie. Caractérisations et mesures. Applications.

28* Principe et mise en oeuvre des multimètres.

29* Filtres du premier et du second ordre en régime et en régime transitoire. Applications.

30* Conversion alternatif-continu en électricité (le montage pourra illustrer les étapes de la réalisation d'une alimentation stabilisée en tension, ou quelques aspects du redressement à diode ou à thyristor).

31 * Matériaux semi-conducteurs.

32* Transistors.

33* Amplificateur opérationnel: caractérisations-, application la réalisation de fonctions électroniques.

34* Amplification en électronique: préamplification (amplification de tension) et amplification de sortie (étage de puissance et adaptation).

35* Télécommunication : mise en forme, transport et détection de l'information.

36 * Oscillations entretenues et oscillations de relaxation en électronique.

37* Fonctions logiques élémentaires en électronique- fonctions combinatoires et fonctions séquentielles. Applications.

38* Mesure des fréquences temporelles (le domaine de l'optique est exclu). On n'omettra pas d'illustrer le principe &un fréquencemètre numérique.

39* Quelques exemples &analyse et de traitement de signaux comportant éventuellement du bruit.

40* Acquisition et traitement de données expérimentales.

41 * Phénomènes de transport (transport de chaleur, de matière de charges ... ).

42 * Exemples de phénomènes non linéaires. Applications.

43* Mesure des longueurs d'onde.

44* Interférences.

45* Ondes stationnaires.

46* Résonance.

47* Oscillations couplées.

48* Impédances dans les différents domaines de la physique.

49* Mesure de quelques constantes physiques fondamentales.

Rapport sur le montage (épreuve C)

Commentaires généraux

Le jury évalue le montage essentiellement sur la base des manipulations réalisées devant lui par le candidat. Les critères majeurs sont : l'intérêt scientifique des expériences et leur réalisation réussie, la relation claire avec le sujet traité (choisi par le candidat entre deux titres tirés au sort) et l'exploitation quantitative raisonnée des mesures. L'interrogation du jury doit permettre au candidat de justifier ses choix et de compléter les analyses qu'il n'a pas eu le temps d'approfondir pendant la présentation. La note finale tient compte en outre d'autres qualités variées que manifeste chaque candidat selon sa personnalité et sa formation: habileté manuelle, procédures méthodiques, niveau scientifique élevé, culture technique approfondie, originalité des expériences, aptitude à communiquer avec enthousiasme ... Quelques bons candidats qui ont su briller sur tous ces points ont obtenu des notes supérieures à 18/20.

Inversement la note obtenue chute au-dessous de 3/20 lorsqu' apparaissent certains des défauts suivants: contresens sur le choix des expériences, incompréhension notoire du fonctionnement des appareils ou des montages présentés. camouflage de mesures fausses, arrêt de toute activité après dix minutes de manipulation... De nombreuses notes trop médiocres (entre 5 et 8 sur 20) sont obtenues par des candidats, par ailleurs méritants, qui ont mal employé le temps de préparation et qui n'ont pas réussi leur improvisation forcée devant le jury. En quatre heures, normalement dévolues à la mise au point des expériences, il est illusoire d'espérer tout apprendre sur un sujet nouveau, analyser les propositions d'ouvrages ad hoc, ou étudier les notices d'appareils préalablement inconnus. Chaque candidat doit organiser son travail de façon réaliste afin de tirer le meilleur parti des connaissances et du savoir-faire qu'il a acquis durant sa formation. Un effort final de mise en scène doit lui permettre de convaincre le jury qu'il saura intéresser une classe à la physique expérimentale. En particulier il faut pouvoir mener de front plusieurs expériences si elles sont un peu longues, en thermodynamique par exemple.

On ne peut apprécier la valeur d'une expérience que si on peut la voir et la comprendre. Autant que possible, les expériences doivent être présentables à une classe entière. En s'aidant du résumé et des schémas qu'il a préalablement écrits au tableau (éclairé en temps utile pour être lisible), le candidat doit expliquer clairement le but et le mode opératoire de chaque expérience réalisée devant le jury. Celui-ci s'irrite de trop longs silences ponctués d'informations confidentielles, mais aussi des discours emphatiques masquant l'absence de pratique expérimentale. Rappelons que se lancer dans des développements théoriques de physique générale, ou dans la description détaillée d'expériences qu 'on aurait pu faire est une perte de temps inutile... Il suffit d'attendre les questions éventuelles du jury.

La plupart des expériences présentées doivent comporter des mesures. Rappelons la définition précise d'un métrologue: mesurer, c'est comparer la grandeur phvsique inconnue à une grandeur de même nature prise pour référence à l'aide d'un instrument, et exprimer le résultat de la comparaison par une valeur numérique, associée à une unité qui rappelle la nature de la référence, et accompagnée d'une incertitude qui traduit à la fois les caractéristiques de la comparaison réalisée et la connaissance que l'on a de la référence ou des conditions d'étalonnage de l'instrument.

Dans l'épreuve de montage, il est indispensable de mener à bien l'exploitation quantitative des expériences présentées. Le travail comprend la lecture du résultat brut de la mesure sur l'instrument le mieux adapté (en évitant de qualifier d'à peu près le résultat affiché sur un appareil numérique à huit digits), la conversion en grandeur physique (avec une unité explicite et un nombre de chiffres significatifs approprié) , l'analyse des causes d'erreur et l'évaluation (éventuellement statistique) de l'incertitude associée., la comparaison aux points de mesure déjà placés sur un graphe.

Enfin l'intérêt de la mesure réside souvent dans la confrontation du résultat à une valeur tirée d'un recueil de données physiques. ou bien issue de l'application d'une loi ou d'un modèle physique. Le jury regrette vivement de ne pas toujours être suffisamment informé pour suivre ces étapes successives et vérifier éventuellement les calculs interméd ' iaires. Il faut indiquer au tableau les données expérimentales choisies et présenter des graphes lisibles, sans omettre les graduations d'axes. La vérification d'une loi se traduit fréquemment par le tracé d'une droite modélisant les résultats: il y a lieu de s'interroger sur le passage éventuel de celle-ci par l'origine. Les calculatrices permettent d'obtenir aisément par régression les paramètres du modèle et de juger de l'accord obtenu. Il devient incontournable d'exploiter les possibilités d'acquisition et le traitement des mesures qu'offrent les oscilloscopes numériques et les ordinateurs. Cela exige de savoir précisément ce que fait la machine et de tenir compte de ses limites : par exemple, comment obtient-on la vitesse instantanée dans l'expérience de chute libre d'une bille ? quelles limitations l'échantillonnage et la fenêtre imposent-ils à la forme du spectre que l'on visualise par transformation de Fourier?

Il arrive que le candidat rencontre un obstacle inattendu ou obtienne un résultat en désaccord avec les données relevées pendant le travail de préparation. Il lui faut alors faire face avec sang-froid et bon sens, critiquer la procédure expérimentale utilisée, procéder éventuellement à des vérifications, en gérant convenablement le temps disponible, et expliciter la difficulté rencontrée, ce qui permet souvent de la résoudre, sinon immédiatement, du moins après les questions du jury.

Les montages d'optique qui devraient être les plus spectaculaires donnent régulièrement lieu à des prestations décevantes: images floues, peu lumineuses, trop petites. Pour réussir une belle expérience, il est indispensable de choisir et de placer chacun des éléments de façon réfléchie. En interrogeant les candidats, le jury s'aperçoit trop souvent qu'ils ont agi de façon empirique et utilisé sans esprit critique le matériel mis à leur disposition. La visualisation des expériences au moyen de capteurs à transfert de charges offre des possibilités intéressantes qu'il faut exploiter pour améliorer la précision des mesures. Le jury a apprécié de pouvoir observer les modes d'un laser He-Ne grâce a un étalon Fabry-Perot confocal à balayage piézoélectrique, mais il s'est inquiété de voir certains candidats incapables d'interpréter la figure observée à l'oscilloscope. Le montage sur les photorécepteurs est souvent l'objet de présentations très pauvres, omettant des propriétés essentielles telles que la sensibilité spectrale, la résolution spatiale ou la réponse temporelle, les applications étant parfois réduites au classique allumeur de réverbère.

Sans pouvoir exiger une originalité systématique dans le choix des expériences, le jury regrette de voir répéter abusivement les mêmes expériences traditionnelles, surtout si elles sont mal faites, dans des montages qui peuvent se prêter à de multiples variantes. Par exemple, les spectres atomiques ne se limitent pas au doublet du sodium... Cette remarque vaut dans tous les domaines : les filtres linéaires sont parfois actifs, les résistances peuvent devenir des jauges de contrainte ou mesurer des champs magnétiques, les sons ont des timbres variés, la modulation de fréquence est au moins aussi importante en communication radio que la modulation d'amplitude...

En électricité , la maîtrise des ordres de grandeur est un préalable à ne pas escamoter : on n'observe pas de phénomène d'hystérésis en alimentant le transformateur avec un générateur basse fréquence, le facteur de qualité d'un circuit RLC peut être facilement plus grand que pour une résonance mécanique...

Analyse critique d'une expérience type

A titre d' exemple nous analyserons de façon détaillée la mesure de l'intensité du champ magnétique dans l'entrefer d'un électroaimant. C'est une manipulation classique dans laquelle les mêmes erreurs et maladresses sont souvent répétées.

Tout d'abord, le jury n'attend pas forcément une expérience bien particulière et le candidat doit justifier son choix en montrant qu'il respecte l'esprit et la lettre du sujet. Si la sonde de Hall s'impose comme la méthode actuelle de mesure des champs magnétiques, le jury accepte de s'intéresser aussi aux mesures réalisées soigneusement avec un fluxmètre ou une balance de Cotton, malgré le caractère désuet de ces appareils. Il faut alors souligner que la balance présente l'intérêt d'une mesure absolue sans nécessité d'étalonnage.

Dans tous les cas il faut apporter le plus grand soin aux mesures. La sonde à effet Hall doit être correctement orientée. Il en est de même du brin actif de la balance de Cotton qu'il faut placer dans une zone de champ uniforme.

Certaines connaissances sur le fonctionnement des appareils de mesure sont indispensables. Il faut compenser le décalage systématique de la sonde de Hall et en connaître l'origine. Si on utilise la balance de Cotton, il faut pouvoir décrire correctement la force de Laplace qui s'exerce sur le circuit. Celui-ci doit être alimenté en courant continu, avec une intensité aussi grande possible pour obtenir une sensibilité raisonnable.

Le candidat doit être attentif aux ordres de grandeur : les bobines sans fer produisent des champs limités à quelques milliteslas, les électroaimants disponibles fournissent des champs de l'ordre du tesla, pour des intensités de courant de quelques ampères. Il faut éventuellement tenir compte du champ magnétique terrestre.

Il est souhaitable de conduire l'expérience avec un objectif précis. Par exemple la mesure de l'intensité d'un champ magnétique peut conduire à la détermination de la perméabilité relative P, du noyau ferromagnétique, à la mise en évidence de la saturation, à l'étude du rôle de l'entrefer et de la forme des pièces polaires., ou encore au tracé point par point du cycle d'hystérésis...

Les matériaux ferromagnétiques ont des propriétés de non-linéarité très marquées et se prêtent mal à une étude quantitative simple. Quelques résultats acceptables peuvent être obtenus essentiellement en utilisant la conservation du flux du champ magnétique et le théorème d'Ampère. Si @, est suffisamment grand, on peut montrer que l'intensité du champ diminue quand on augmente l'entrefer, ce qui est conforme au bon sens. Il peut en revanche paraître surprenant de constater que les dimensions du noyau ferromagnétique importent assez peu, si elles sont raisonnables. Par ailleurs, il faut s'inquiéter d'appliquer une formule, même approchée, qui ne tienne pas compte de la forme des pièces polaires si elles sont choisies coniques.

Remarques concernant des montages particuliers

(les numéros renvoient à la liste des titres de la session 1997)

2- Dans le montage sur la tension superficielle, il est dommage de se limiter à des mesures en régime statique. peut élargir l'étude à la propagation des ondes de surface (relation de dispersion., atténuation).

4- L'étude d'un capteur de température peut comporter son étalonnage, mais on doit aussi utiliser ce capteur déterminer une température inconnue, en comparant éventuellement les mesures obtenues avec des thermomètres différents.

7- Il est intéressant d'illustrer l'effet du verre de champ d'un instrument d'optique en expliquant son intérêt. On peut aussi souligner comment les qualités du récepteur jouent sur la résolution spatiale d'un instrument objectif

9- On doit pouvoir donner le critère quantitatif de la limite entre l'approximation de Fresnel et celle de Fraunhofer. Le filtrage en éclairage incohérent a aussi des applications.

8- Pour illustrer la cohérence temporelle, il est maladroit de mesurer l'écart d'un doublet. Il convient plutôt d'illustrer cette notion à partir de la largeur d'une raie.

11- Les interférences ne se limitent pas à l'addition de deux ondes. On doit montrer leur intérêt dans le cas du réseau de diffraction ou de l'interféromètre de Perot-Fabry.

13- Il faudrait mener à bien la procédure d'analyse de la lumière elliptique.

17- Les thermopiles sont des récepteurs non sélectifs. Pour les utiliser en vue de l'étalonnage des réponses spectrales., il faut enlever le verre protecteur arrêtant l'infrarouge. Une ouverture vers l'optoélectronique peut être envisagée.

18- L'étude et la mesure des capacités doivent être étendues à de hautes fréquences où les propriétés des diélectriques modifient les valeurs mesurées.

22- Le moteur pas-à-pas est aussi un transducteur électromécanique.

29- Dans l'étude des filtres, on attend des filtres actifs, des circuits déphaseurs et l'on peut également penser aux filtres à capacités commutées.

32- Les tracés de caractéristiques des transistors doivent conduire à la détermination des paramètres essentiels du modèle et à définir des circuits d'utilisation.

33- Les caractéristiques propres de l'amplificateur opérationnel doivent être clairement distinguées de celle du montage qui utilise celui-ci.

35- On souhaite que ce montage introduise d'autres méthodes que la modulation d'amplitude. Par exemple on peut illustrer le codage de l'information sur support lumineux on peut aussi s'intéresser aux méthodes permettant la transmission des images télévisées. En transmission radio, il faut veiller à accorder les circuits émetteur et récepteur.

36- Il est dommage de se priver de l'exemple d'un oscillateur à quartz.

39- La détection synchrone compte parmi les méthodes de traitement du signal et son principe peut être illustré dans ce montage qui doit par ailleurs souligner l'importance des méthodes numériques actuelles.

41- Dans les expériences de propagation de la chaleur le long d'une barre de cuivre, un régime transitoire permet aussi de déterminer la conductivité thermique.

45- La plupart des dispositifs d'ondes stationnaires utilisent des conditions de résonance qu'il faut vérifier.

46- Il est opportun de faire entendre l'effet de la caisse de résonance d'un diapason, mais il faut être capable d'expliquer qu'il s'agit bien d'une résonance et non d'une amplification.

47- Dans l'étude de deux oscillateurs couplés,, il ne faut pas s'appesantir sur la détermination des paramètres des oscillateurs indépendants, mais il faut plutôt considérer les deux régimes, oscillations libres et forcées. Il est aussi possible d'étendre l'étude à des oscillateurs comportant plus de deux degrés de libertés.

49- L'expression d'une constante physique fondamentale comporte une unité. On peut se demander, le cas échéant, si la matérialisation de cette unité ne dépend pas de constantes physiques fondamentales.